第十一章 其它人工举升方法全称为电动潜油离心泵 (简称电泵 )，
优点,排量大,自动化程度是重要的机械采油方法 。
潜油电泵螺杆泵水力活塞泵射流泵气举排水采气第一节 潜油电泵采油
1,系统组成
(1) 地面部分,包括变压器,控制屏,接线盒和特殊井口装置等 。
(2) 中间部分,主要有油管和电缆 。
(3) 井下部分,主要有多级离心泵,油气分离器,
潜油电机和保护器 。
上述三部分的核心是潜油电机,保护器,油气分离器,多级离心泵,潜油电缆,控制屏和变压器 七大部件 。
一,系统组成及设备装置
(1) 地面部分,包括变压器、控制屏、接线盒和
(2) 中间部分,主要有油管和电缆。
(3) 井下部分,主要有多级离心泵、油气分离器、
潜油电机和保护器。
一,系统组成及设备装置
1,系统组成举升到地面使井液逐级增压分离器输入泵内离心泵旋转井下电机控制屏电机所需工作电压地面电源工作过程油管由泵叶轮把井液通过带动电缆输入变压器
2,系统的设备装置
(1)
离心泵是由多级组成的，其中每一级包括一个固定的导轮和一个可转动的叶轮。叶轮的 型号决定了泵的排量，而叶轮的 级数 决定了泵的扬程和电机所需的功率。
叶轮有 固定式 和 浮动式 两种 。
浮动式叶轮 可以轴向窜动,每级叶轮产生的轴向力被叶轮和导轮上的止推轴承承受 。 整节泵所产生的轴向推力由保护器中的止推轴承承受 。
固定式叶轮 固定在泵轴上,既不能轴向窜动,
也不能靠在导轮的止推垫上 。 叶轮及压差所产生的全部推力,都由装在保护器内的止推轴承承受 。
保护器是电泵机组正常运转不可缺少的重要部件之一。根据结构和作用原理不同，可将其分为 连通式、沉降式 和 胶囊式 三种类型。
作用：
1) 密封电机轴的动力输出端,防止井液进入电机
2) 在电泵机组启,停过程中,为电机油的热胀冷缩提供一个补偿油的储藏空间 。
3) 通过连接电机驱动轴与泵轴,起传递扭矩的作用
4) 保护器内的止推轴承可承受泵的轴向力 。
(2)
(3)
自由气进入离心泵后,将使泵的排量,扬程和效率下降,工作不稳定,而且容易发生气蚀损害叶片 。 因此,常用气体分离器作为泵的吸入口,以便将气体分离出来 。 按分离方式不同,分离器分可为沉降式和旋转式两种类型 。
沉降式分离器 是靠重力分异进行油气分离的,
其效果较差 。 当 vg/vl<10%,分离效率最高为
37%,当 vg/vl>10%,分离效率会下降 。
旋转式分离器 是靠旋转时产生的离心力进行油气分离的，分离效果较好。 <30%,分离效率 >90%,适用于低含砂井。
glR
(4) 电缆潜油电缆 作为电泵机组输送电能的通道部分,
长期工作在高温,高压和具有腐蚀性流体的环境中,因此,要求潜油电缆具有较高的芯线电性,绝缘层的介电性,较好的整体抗腐,耐磨以及耐高温等稳定的物理化学性能 。
潜油电缆包括 潜油动力电缆 和 潜油电机引接线 。
动力电缆分为 圆电缆 和 扁电缆 两种类型，而电机引接线只有扁电缆一种。井径较大者用圆电缆，井径较小者可用扁电缆。
(5) 控制屏控制屏是对潜油电泵机组的启动,停机以及在运行中实行一系列控制的专用设备,可分为手动和自动两种类型 。 它可随时测量电机的运行电压,电流参数,并自动记录电机的运行电流,使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况 。 控制屏通常具有如下功能：
1) 为防止短路烧坏电机,提供短路速断保护；
2) 欠载时实际排量将小于设计排量,电机将因工作时产生的热量不能全部散发而烧坏,因此
3) 过载时电机超负荷运转容易烧坏,因此控制屏还提供过载保护；
4) 潜油电泵不允许反转,因此三相电机的相序要正确,对此控制屏提供了相序保护；
5) 控制屏还设有延时再启动装置,对于间歇生产的井实行自动延时再启动控制 。
二,
潜油电泵的工作特性曲线是指泵的扬程,功率和效率同排量之间的关系曲线,它是选泵设计的重要依据 。
潜油电泵的工作特性曲线是使泵在一定转速下运转,
对排出端进行节流,以改变流量的办法试验测得的 。
试验介质是 清水 。 在实际应用时,由于其使用条件与试验条件不相符,尤其是当用电泵抽取粘度很高的液体时,从而使特性曲线发生变化 。 因此,实际使用时应根据使用条件对工作特性曲线进行校正 。
（ 1） 对已投产井,下泵深度已知的,需检验计算是否合理；
（ 2） 对欲转抽或新井,需确定下泵深度 。
考虑因素,泵吸入口处的气液比,分离器的类型和分离能力以及沉没度 。
三,系统设计原理
1,下泵深度的确定
wgswow
gsgow
gl fBRfBf
BRRf
F
)1()1(
))(1(
泵吸入口处气液比 体积含水率生产气油比原油的体积系数 天然气的体积系数泵吸入口处溶解气油比根据上面公式,就可以计算出不同下泵深度所对应的泵吸入口处的气液比大小,并可以做出下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线 。
确定下泵深度时,首先要满足沉没度的要求,然后在分离器的分离能力条件下根据下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线便可以确定下泵深度 。
2.
泵排出口压力一般要根据 井口压力及产量 按单相管流或多相流管进行计算 。
当井筒中不含气时,一般把油水混合物的流动处理成 单相流动,当油水形成乳状液时,由于其物性参数难以准确确定,将带来较大的误差；
当井筒中含有游离气时,应按 气,液两相管流 或 油,
气,水三相管流 进行计算 。
3,泵吸入口压力的确定两种方法：
（ 1） 是由井底根据流压按多相管流计算到泵吸入口,求出泵吸入口压力；
（ 2） 是由井口沿油,套管环形空间计算到泵吸入口,求出泵吸入口压力 。 后者涉及到环空中静气柱与沉没段液体压力的计算 。
4,总动压头 (总扬程 )
总动压头,就是泵在设计排量下工作时所需要产生的总压头,也称为总扬程 。 它是泵送流体到目的地所需要的排出口压头与吸入口压头之差 。
frwhdfrwhsp HHHHHhHH
总的动压头示意图
5,系统的设备选择
(1)
多级离心泵的选择,包括 泵型 和 总级数 的确定 。 泵型选择,主要根据泵的设计排量,在相应的套管直径及电源频率等条件下的标准工作特性曲线来选择 。
泵的总级数 Z可由下述公式求得：
式中 Hj——单级扬程,可由泵型的标准工作特性曲线查得 。
(2)
当多级离心泵的型号,扬程及所需的总级数确定以后,可用下述公式计算出潜油电机所需的功率,
——所需潜油电机的功率,kW
——泵的额定排量,
γ——
η——泵的效率 。
jH
HZ?
8 8 0 0
HQP r
r?
rQ dm /3
rP
另外,由泵的标准工作特性曲线查出单级功率
Pj后,还可用下式计算需要的电机功率,
所选择的电机在外形尺寸上和电缆一起必须能够满足下井要求 。
(3) 潜油电缆规格和型号主要决定于电缆的载流能力和工作环境 。 下表为不同电缆的载流能力 。
jr ZPP?
电缆型号 最大电流 A 电缆型号 最大电流 A
1号铜电缆 115 4号铜电缆 70
2/0号铝电缆 115 2号铝电缆 70
2号铜电缆 95 6号铜电缆 55
1/0号铝电缆 95 4号铝电缆 55
电缆的长度一般为下泵深度加上 20～ 30 m地面用电缆的长度 。
电缆的电压损失可按如下公式计算：
)s i nc o s(3 XRILU
式中 ΔU——电缆的电压损失,V
I——电机的工作电流,A
L——电缆的长度,km
R——导体的有效阻抗,Ω/km
——
X——导体的电抗,Ω/km
——无功功率因数 。sin
cos
4.
自耦变压器的容量必须能够满足电机最大负载的启动,应根据电机的负载来确定变压器的容量 。 变压器的容量可用下式计算：
四,电流卡片分析潜油电泵机组的电流卡片所记录的电流与潜油电机的工作电流成线性关系,它的变化情况能够反映潜油电机的运行状况 。 因此,通过电流卡片可以分析潜油电泵的运行状况并判断电泵在运行过程中可能出现的各种故障 。
)(103 3 UUIP
按运行时间分，电流卡片有 24 h和 7 d两种规格。
对于新投产或作业的井，由于电泵运转状况还不够稳定，需要随时监测，因此采用 24 h的电流卡片。
当电泵机组运行状况稳定后，一般用 7 d电流卡片。
故用于分析的电流卡片，一般是指 24 h电流卡片。
1,机组正常运转三相感应电机在载荷固定的情况下,
其电流是恒定的 。 正常运转时,电流线上的电流可能稍高或稍低于铭牌电流,但是它应是平稳对称的 。
2,电源电压波动机组正常运转时,电机输出功率是比较稳定的 。
如果电源电压出现波动,那么电流也将相应产生波动,
以便满足电机功率的需要 。
电源电压波动的常见原因 是动力系统出现周期性重负载，如大功率注水泵的启动。为避免由于电压波动对电泵机组造成不利的影响，应尽量间隔开这些负载。如下图：
3,气锁产生气锁要经历三个阶段
A启动阶段,此时环形空间的液面很高,由于液柱的动压头下降,所以排量和电流都高于正常值 。
B正常工作阶段,其排量接近设计要求 。
C排量低于额定排量,并产生波动,这是由于液面下降而使泵吸入口压力降低,气体开始进泵,因而电流下降 。
D电流值既低又不稳定,这是由于液面接近泵的吸入口,气体进泵量增加并且不稳定,而导致电泵欠载且波动,最终机组欠载停机 。
解决的方法：
1.提高下泵深度 。
3.如果两种办法都不能奏效的话，可实行间歇生产方式。
对于这样的井，下次起泵时应重新选泵。
2.如果不能增加下泵深度，则可以装油嘴限产使液面高提高。
4,卡片上的 A,B,C三段与,气锁,卡片的分析情况基本相同,所不同的是因游离气少而未引起波动 。 D段表明液面接近吸入口,排量和电流下降最后导致欠载停机 。 延时再启动后,液面稍有回升,但是液面很快下降再次抽空停机 。
这种情况说明机组选得过大。解决办法除与“气锁”
办法相同之外，还可以对该井采取增产措施，提高
11-
8 。
5.
机组在接近设计值之下工作,并且井液中含有气体 。 曲线的波动是由于井液中含有大量的游离气造成的 。 在这种情况下,通常会使总的排液量降低 。 当井泵的液体被乳化时,由于乳化液进泵阻力过大,也会产生这种类似的电流卡片 。
6,瞬时欠载停机机组启动后,运转很短时间便欠载停机 。
这是由于流体的密度或流量太小而导致欠载,或时间继电器出现故障所致 。
优点,排量大,自动化程度是重要的机械采油方法 。
潜油电泵螺杆泵水力活塞泵射流泵气举排水采气第一节 潜油电泵采油
1,系统组成
(1) 地面部分,包括变压器,控制屏,接线盒和特殊井口装置等 。
(2) 中间部分,主要有油管和电缆 。
(3) 井下部分,主要有多级离心泵,油气分离器,
潜油电机和保护器 。
上述三部分的核心是潜油电机,保护器,油气分离器,多级离心泵,潜油电缆,控制屏和变压器 七大部件 。
一,系统组成及设备装置
(1) 地面部分,包括变压器、控制屏、接线盒和
(2) 中间部分,主要有油管和电缆。
(3) 井下部分,主要有多级离心泵、油气分离器、
潜油电机和保护器。
一,系统组成及设备装置
1,系统组成举升到地面使井液逐级增压分离器输入泵内离心泵旋转井下电机控制屏电机所需工作电压地面电源工作过程油管由泵叶轮把井液通过带动电缆输入变压器
2,系统的设备装置
(1)
离心泵是由多级组成的，其中每一级包括一个固定的导轮和一个可转动的叶轮。叶轮的 型号决定了泵的排量，而叶轮的 级数 决定了泵的扬程和电机所需的功率。
叶轮有 固定式 和 浮动式 两种 。
浮动式叶轮 可以轴向窜动,每级叶轮产生的轴向力被叶轮和导轮上的止推轴承承受 。 整节泵所产生的轴向推力由保护器中的止推轴承承受 。
固定式叶轮 固定在泵轴上,既不能轴向窜动,
也不能靠在导轮的止推垫上 。 叶轮及压差所产生的全部推力,都由装在保护器内的止推轴承承受 。
保护器是电泵机组正常运转不可缺少的重要部件之一。根据结构和作用原理不同，可将其分为 连通式、沉降式 和 胶囊式 三种类型。
作用：
1) 密封电机轴的动力输出端,防止井液进入电机
2) 在电泵机组启,停过程中,为电机油的热胀冷缩提供一个补偿油的储藏空间 。
3) 通过连接电机驱动轴与泵轴,起传递扭矩的作用
4) 保护器内的止推轴承可承受泵的轴向力 。
(2)
(3)
自由气进入离心泵后,将使泵的排量,扬程和效率下降,工作不稳定,而且容易发生气蚀损害叶片 。 因此,常用气体分离器作为泵的吸入口,以便将气体分离出来 。 按分离方式不同,分离器分可为沉降式和旋转式两种类型 。
沉降式分离器 是靠重力分异进行油气分离的,
其效果较差 。 当 vg/vl<10%,分离效率最高为
37%,当 vg/vl>10%,分离效率会下降 。
旋转式分离器 是靠旋转时产生的离心力进行油气分离的，分离效果较好。 <30%,分离效率 >90%,适用于低含砂井。
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(4) 电缆潜油电缆 作为电泵机组输送电能的通道部分,
长期工作在高温,高压和具有腐蚀性流体的环境中,因此,要求潜油电缆具有较高的芯线电性,绝缘层的介电性,较好的整体抗腐,耐磨以及耐高温等稳定的物理化学性能 。
潜油电缆包括 潜油动力电缆 和 潜油电机引接线 。
动力电缆分为 圆电缆 和 扁电缆 两种类型，而电机引接线只有扁电缆一种。井径较大者用圆电缆，井径较小者可用扁电缆。
(5) 控制屏控制屏是对潜油电泵机组的启动,停机以及在运行中实行一系列控制的专用设备,可分为手动和自动两种类型 。 它可随时测量电机的运行电压,电流参数,并自动记录电机的运行电流,使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况 。 控制屏通常具有如下功能：
1) 为防止短路烧坏电机,提供短路速断保护；
2) 欠载时实际排量将小于设计排量,电机将因工作时产生的热量不能全部散发而烧坏,因此
3) 过载时电机超负荷运转容易烧坏,因此控制屏还提供过载保护；
4) 潜油电泵不允许反转,因此三相电机的相序要正确,对此控制屏提供了相序保护；
5) 控制屏还设有延时再启动装置,对于间歇生产的井实行自动延时再启动控制 。
二,
潜油电泵的工作特性曲线是指泵的扬程,功率和效率同排量之间的关系曲线,它是选泵设计的重要依据 。
潜油电泵的工作特性曲线是使泵在一定转速下运转,
对排出端进行节流,以改变流量的办法试验测得的 。
试验介质是 清水 。 在实际应用时,由于其使用条件与试验条件不相符,尤其是当用电泵抽取粘度很高的液体时,从而使特性曲线发生变化 。 因此,实际使用时应根据使用条件对工作特性曲线进行校正 。
（ 1） 对已投产井,下泵深度已知的,需检验计算是否合理；
（ 2） 对欲转抽或新井,需确定下泵深度 。
考虑因素,泵吸入口处的气液比,分离器的类型和分离能力以及沉没度 。
三,系统设计原理
1,下泵深度的确定
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F
)1()1(
))(1(
泵吸入口处气液比 体积含水率生产气油比原油的体积系数 天然气的体积系数泵吸入口处溶解气油比根据上面公式,就可以计算出不同下泵深度所对应的泵吸入口处的气液比大小,并可以做出下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线 。
确定下泵深度时,首先要满足沉没度的要求,然后在分离器的分离能力条件下根据下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线便可以确定下泵深度 。
2.
泵排出口压力一般要根据 井口压力及产量 按单相管流或多相流管进行计算 。
当井筒中不含气时,一般把油水混合物的流动处理成 单相流动,当油水形成乳状液时,由于其物性参数难以准确确定,将带来较大的误差；
当井筒中含有游离气时,应按 气,液两相管流 或 油,
气,水三相管流 进行计算 。
3,泵吸入口压力的确定两种方法：
（ 1） 是由井底根据流压按多相管流计算到泵吸入口,求出泵吸入口压力；
（ 2） 是由井口沿油,套管环形空间计算到泵吸入口,求出泵吸入口压力 。 后者涉及到环空中静气柱与沉没段液体压力的计算 。
4,总动压头 (总扬程 )
总动压头,就是泵在设计排量下工作时所需要产生的总压头,也称为总扬程 。 它是泵送流体到目的地所需要的排出口压头与吸入口压头之差 。
frwhdfrwhsp HHHHHhHH
总的动压头示意图
5,系统的设备选择
(1)
多级离心泵的选择,包括 泵型 和 总级数 的确定 。 泵型选择,主要根据泵的设计排量,在相应的套管直径及电源频率等条件下的标准工作特性曲线来选择 。
泵的总级数 Z可由下述公式求得：
式中 Hj——单级扬程,可由泵型的标准工作特性曲线查得 。
(2)
当多级离心泵的型号,扬程及所需的总级数确定以后,可用下述公式计算出潜油电机所需的功率,
——所需潜油电机的功率,kW
——泵的额定排量,
γ——
η——泵的效率 。
jH
HZ?
8 8 0 0
HQP r
r?
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另外,由泵的标准工作特性曲线查出单级功率
Pj后,还可用下式计算需要的电机功率,
所选择的电机在外形尺寸上和电缆一起必须能够满足下井要求 。
(3) 潜油电缆规格和型号主要决定于电缆的载流能力和工作环境 。 下表为不同电缆的载流能力 。
jr ZPP?
电缆型号 最大电流 A 电缆型号 最大电流 A
1号铜电缆 115 4号铜电缆 70
2/0号铝电缆 115 2号铝电缆 70
2号铜电缆 95 6号铜电缆 55
1/0号铝电缆 95 4号铝电缆 55
电缆的长度一般为下泵深度加上 20～ 30 m地面用电缆的长度 。
电缆的电压损失可按如下公式计算：
)s i nc o s(3 XRILU
式中 ΔU——电缆的电压损失,V
I——电机的工作电流,A
L——电缆的长度,km
R——导体的有效阻抗,Ω/km
——
X——导体的电抗,Ω/km
——无功功率因数 。sin
cos
4.
自耦变压器的容量必须能够满足电机最大负载的启动,应根据电机的负载来确定变压器的容量 。 变压器的容量可用下式计算：
四,电流卡片分析潜油电泵机组的电流卡片所记录的电流与潜油电机的工作电流成线性关系,它的变化情况能够反映潜油电机的运行状况 。 因此,通过电流卡片可以分析潜油电泵的运行状况并判断电泵在运行过程中可能出现的各种故障 。
)(103 3 UUIP
按运行时间分，电流卡片有 24 h和 7 d两种规格。
对于新投产或作业的井，由于电泵运转状况还不够稳定，需要随时监测，因此采用 24 h的电流卡片。
当电泵机组运行状况稳定后，一般用 7 d电流卡片。
故用于分析的电流卡片，一般是指 24 h电流卡片。
1,机组正常运转三相感应电机在载荷固定的情况下,
其电流是恒定的 。 正常运转时,电流线上的电流可能稍高或稍低于铭牌电流,但是它应是平稳对称的 。
2,电源电压波动机组正常运转时,电机输出功率是比较稳定的 。
如果电源电压出现波动,那么电流也将相应产生波动,
以便满足电机功率的需要 。
电源电压波动的常见原因 是动力系统出现周期性重负载，如大功率注水泵的启动。为避免由于电压波动对电泵机组造成不利的影响，应尽量间隔开这些负载。如下图：
3,气锁产生气锁要经历三个阶段
A启动阶段,此时环形空间的液面很高,由于液柱的动压头下降,所以排量和电流都高于正常值 。
B正常工作阶段,其排量接近设计要求 。
C排量低于额定排量,并产生波动,这是由于液面下降而使泵吸入口压力降低,气体开始进泵,因而电流下降 。
D电流值既低又不稳定,这是由于液面接近泵的吸入口,气体进泵量增加并且不稳定,而导致电泵欠载且波动,最终机组欠载停机 。
解决的方法：
1.提高下泵深度 。
3.如果两种办法都不能奏效的话，可实行间歇生产方式。
对于这样的井，下次起泵时应重新选泵。
2.如果不能增加下泵深度，则可以装油嘴限产使液面高提高。
4,卡片上的 A,B,C三段与,气锁,卡片的分析情况基本相同,所不同的是因游离气少而未引起波动 。 D段表明液面接近吸入口,排量和电流下降最后导致欠载停机 。 延时再启动后,液面稍有回升,但是液面很快下降再次抽空停机 。
这种情况说明机组选得过大。解决办法除与“气锁”
办法相同之外，还可以对该井采取增产措施，提高
11-
8 。
5.
机组在接近设计值之下工作,并且井液中含有气体 。 曲线的波动是由于井液中含有大量的游离气造成的 。 在这种情况下,通常会使总的排液量降低 。 当井泵的液体被乳化时,由于乳化液进泵阻力过大,也会产生这种类似的电流卡片 。
6,瞬时欠载停机机组启动后,运转很短时间便欠载停机 。
这是由于流体的密度或流量太小而导致欠载,或时间继电器出现故障所致 。
