4-2 水力活塞泵采油

1．套管固定式
水力活塞泵井下机组随动力油管下入 井底，并固定在一个套管封隔器上。动力 液从动力油管送入井底，原油和乏动力液 从动力油管和套管间的环形空间返回地面。 所有自由气须经水力活塞泵井下机组导出。
固定式泵装置是将井下泵固定在油管 底部，随油管一起下入井中。泵的外径不 受油管内径的限制，它主要用于高产井， 换泵需要进行起下油管作业。目前，这种 装置已不常用，基本被自由式泵装置取代。
（三）双作用泵的工作原理 • 当活塞组向上运动到接近上死点 时，高压动力液通过活塞杆下部 的控制槽23和孔11，作用到主控 制滑阀的下端。由于主控制滑阀 下端的承压面积大于上端的承压 面积，在同样压力的高压动力液 作用下，下面的总压力必然大于 上面的总压力，这样就使主控制 滑阀推向上死点，这时就开始进 行下冲程。
上述四种类型都属于开式动力液系统， 它的特点是排出的废动力液与原油混合上升 至地面。地面的储罐组必须把水和砂子分离 出来，然后取其一部分重新作动力液使用。
二、水力活塞泵井下机组的起下操作
• 1、开式循环单管封隔器的起下 原理 • 1）下泵 • （1）用井口捕捉器咬住井下机 组打捞头，把井下机组吊装入 防喷管， • （2）井口四通阀置正循环状态， 开始循环动力液并释放捕捉器， 井下机组在液体压力和本身重 力的作用下坐入泵座。（3）动 力液继续从中心油管进入井下 机组带动液马达，抽出的原油 和乏动力液从油套管环形空间 返出地面。
（二）单作用泵的工作原理 • 上冲程，主控制滑阀位于上死点，高压动力液经 从中心油管经通道a只进入液马达下缸，而液马达 上缸的动力液经通道d →主控制滑阀中部的环形 空间h，与油层产出液相通，使液马达活塞下端承 受动力液高压，上端承受地层产出液的低压，在 这个压差的作用下，推动动力活塞向上运动，抽 油泵活塞也向上进行吸油过程。当接近上死点时， 活塞杆下部的控制槽f使主控制滑阀的下腔室与抽 取的原油相通，使主控制滑阀上端承受动力液高 压，下端承受产出液低压，在这个压差作用下， 把主控制滑阀推向下死点，液马达又开始下冲程。
作用在动力活塞的全面积上，动力活塞上下都承受高压
动力液，但上方面积比下方大，使上方的总压力大于下 方，在这个压力差的作用下，动力活塞进行下冲程，由
一根活塞杆相连的抽油泵活塞也进行下冲程，把泵中原
油排到抽油泵活塞上方。当接近下死点时，活塞杆上部 的控制槽e沟通了主控制滑阀上、下端的腔室c和g，使主 控制滑阀上下端都承受高压动力液，但下方面积大于上 方，因而产生了向上的推力，将主控制滑阀推向上死点， 这时开始上冲程。
2、闭式循环平行管投入式井下机组的起下
• 1）下泵
• （1）捕捉器咬住井下机组打捞头，通过防喷管装
入粗油管，井口六通阀置动力液正循环状态，释 放捕捉器，使井下机组坐入泵座，（2）动力液继
续从粗油管进入井下机组带动液马达，乏动力液
从细油管返出地面，抽汲的原油从油套管环形空 间返出地面。
•
•
2）起泵
井口六通阀置反循环状态，动力液从细油管进 入粗油管冲击提升皮碗带动井下机组上升直至打 捞头进入井口捕捉器
•
（一）动力液系统及动力液
• 3）按动力液流动方向分，有正循环和反循环系统
•
(1)正循环系统是将动力液从装泵的油管注入，对开式动力液系统，
动力液和地层流体混合物从未装泵的流动通道返出地面，对闭式动力液 系统，还需一根动力液返出管，这种方式最常用。
•
(2)反循环系统是动力液从未装泵的流动通道（环形空间）注入，动 力液和地层流体从装泵的油管返出地面，主要用于保护套管和降低摩阻。 这种系统需要采用一个插锁或摩擦固定装置保持泵在工作时不向上移动， 可以采用钢丝和自由投捞作业，自由作业比正循环系统复杂，在水力活 塞泵中应用很少，在射流泵中应用较多。
2．插入固定式 • 水力活塞泵井下机组随动力油 管从油管中下入井底。动力液从直 径较小的动力油管中注入井底。原 油和工作过的乏动力液从动力油管 和油管间的环形空间返回地面。所 有自由气都从油管和套管间的环形 空间导出。
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3．套管自由式 • 这种型式只需一条管柱下到一个套管 封隔器上。水力活塞泵井下机组从管 柱中循环至井底并在一个固定阀座上 形成密封，上部的密封也进入油管内 壁的一个专用环箍处。动力液从管柱 中送入井底，原油及乏动力液从套管 中排到地面。自由气必须从水力活塞 泵井下机组导出。
图4-7 典型水力活塞泵采油系统
1－动力液罐;２－三缸高压泵; ３－控制管汇;4－井口控制阀;５－井下泵
一、水力活塞泵装置的组成和分类
• （一）动力液系统及动力液 • 1．动力液系统 • 动力液系统有多种类型，不同系统的地面流程和设备及处理能力不同， 选择时要考虑现有设备、场地和投资等因素。一般按如下方式进行分类：
• 1）按系统管理的井数分，有单井系统和中心站多井系统 • 2）按动力液排出方式分，有开式动力液和闭式动力液循环系统 • (1)开式动力液系统是让动力液和地层流体在离开井下泵后混合在一起， 通过同一通道返出地面。井下结构比闭式动力液系统简单，开采稠油时加热 了的动力液可稀释地层流体，但加入的润滑、防腐、除氧等化学剂要与地层 流体混合，损耗较大，需要连续加入。 (2)闭式动力液系统是动力液和地层流体在整个水力泵系统中不混合在 一起。向动力液中加化学剂的成本不高，地面分离设备小，主要用于海洋和 城市，但井下另外需要一根动力液返出管，开采稠油时动力液不能起稀释和 降粘作用，目前应用较少。
3、开式循环平行管投入 式井下机组的起下
• 1）下泵 • 同前，动力液正循环下泵和生 产，动力液反循环起泵。
三、水力活塞泵井下机组工作原理 • （一）水力活塞泵井下机组的结构
•
井下水力活塞泵由液马达、泵 和主控制滑阀组成，液马达
和泵可以有一个到多个。
•
1．液马达：将动力液的压能转换为机械能带动泵工作，常
四、水力活塞泵使用范围及故障分析 • （一）水力活塞泵使用范围 • • 1．深井和超深井的开采 水力活塞泵在深井和超深井中能高效率地工作，随着油井动液 面的降低，排量和效率改变不显著。
•
2．定向井的开采
• 水力活塞泵在定向井开采中也很有效，甚至在井斜达70°的情 况下它的工作和起下操作也无多大困难。由于水力活塞泵的地 面设备很紧凑，平衡性好，适用于固定式平台或栈桥的海上油 井开采。海上油井一般每8～20口井成一井组，这样，水力活 塞泵的地面设备可集中传动，维护简单，投资少，而且利用特 殊的动力液的封闭系统，可解决海上油井开采的安全防火问题。
2.动力液
• 按动力液的性质分为原油动力液和水基动力液，动力液的质量对水
力泵系统的使用寿命和维修成本影响很大。
• 用相对密度为0.825 ～0.876 的原油作动力液，要求杂质含量在 15ppm 以下，油的润滑性较好，需要的化学剂较少，成本低，油的压力
脉冲比水小得多，地面柱塞油泵的维护较少。
• 用水基动力液，要求杂质粒径小于15μm ，含盐的质量百分数小于 1.2%，水对环境污染小，安全性好，但水在井底条件下一般不具备润滑
2）起泵
• （1）井口四通阀置反循环状态， （2）泵的提升阀关闭（液体不 通过泵内流动），提升皮碗张 开，液体压力将泵冲起向上， 直至打捞头进入井口捕捉器（3） 停止动力液循环，将泵提出。 • 这种装置可以减少停产时 间和作业成本，将压力计装在 泵下部与泵一起下入井底可进 行产能测试和中途测试，也便 于自动化管理，将泵起出可方 便地对地层进行各种措施处理， 但泵的外径受油管尺寸的限制。
第二节 水力活塞泵采油 水力活塞泵系统主要由三部分组成： 地面部分、井下部分和连接地面井下的中 间部分。地面部分由地面动力液罐、三缸 高压泵、控制管汇、井口控制阀和井下泵 组成，起着供给和处理动力液的作用；井 下部分是该系统的核心部件，由液马达、 泵、主控制滑阀三个部分组成，起着抽油 的主要作用；中间部分包括将动力液从地 面部分送到井下机组的中心油管，以及将 抽取的原油和工作过的乏动力液一起排出 地面的专门通道。典型水力泵系统如图所 示。
（三）双作用泵的工作原理
• 当活塞组向下运动接近下死点时，活 塞杆上部的控制槽18将孔11同卸压孔 12连通，使主控制滑阀的下端和低压 相通。于是，主控制滑阀在上端高压 动力液的压力作用下，重新向下运动 到下死点。这样，又开始转入活塞组 的上冲程。由于活塞组上、下冲程的 交替进行，不断地将原油从井底提升 到地面。
用的是往复柱塞式液马达，液马达由马达缸套、马达活塞、马 达阀、阀杆和马达排出口组成。马达活塞面积与泵柱塞面积可 以不同，马达活塞面积越大，泵的排出压头越高，泵柱塞面积 越大，泵的排量越高。
三、水力活塞泵井下机组工作原理
• （一）水力活塞泵井下机组的结构
• 2．泵：将液马达传给它的机械能转换为液体的压能向上举油，
常用的往复柱塞泵由泵缸套、泵柱塞、泵吸入阀和排出阀以及
平衡管组成。泵分为单作用和双作用泵。单作用泵仅在上冲程
或下冲程时向地面排液，双作用泵在上冲程和下冲程都向地面 排液。 • 3、主控制滑阀：控制动力液换向，完成上冲程和下冲程。
（二）单作用泵的工作原理
• 下冲程，主控制滑阀位于下死点，高压动力液从中心油 管→通道a 进入液马达下缸，作用于动力活塞下方的环形 面积上；同时又经 通道b →腔c →通道d进入液马达上缸，
性，易产生腐蚀，水的粘度低使井下泵更易漏失，因此需要向水中加入
多种添加剂，以改善水剂动力液的性能，另外水还需脱氧处理。选择哪 种介质作动力液要根据可利用的介质和投资等方面作出决定。
（二）井下泵装置类型
水力活塞泵井下机组在井 中的安装型式有两种基本类 型：固定安装和自由安装。 在固定安装中，水力活塞泵 井下机组装在一条管柱的底 端并随管柱起下；在自由安 装中，水力活塞泵井下机组 可用循环动力液在管柱中起 下。固定安装又分为固定插 入式和固定套管式两种；而 自由安装也分为平行管自由 式和套管自由式两种。
（二）单作用泵的工作原理
•
由以上分析可知，由主控制滑阀
控制活塞换向，活塞带动活塞杆运动， 活塞杆控制主控制滑阀换向，构成自 动循环。
（三）双作用泵的工作原理 •
以我国设计试制的SHBø43/200型自由式
双作用水力活塞泵为例。该泵由三个主要部分：
上液缸、下液缸的主控制滑阀组成。上液缸的 下室和下液缸的上室作为液动力机，以进出动
力液；而上液缸的上室和下液缸的下室作为泵，
以吸排原油。为了进行泵的吸入过程和排出过 程，在接近泵室处装有吸入阀和排出阀。上、
下液缸中的活塞用活塞杆相连，活塞杆的上、
下部有开有控制槽，用来控制主控制滑阀的运 动。
（三）双作用泵的工作原理 • 上冲程 主控制滑阀位于下死点，这时， 高压动力液从中心油管经过通道17和8， 进入上液缸的活塞下室，推动活塞组进 行上冲程。上液缸活塞上室的原油通过 上排出阀（这时吸入阀关闭），排至油 管和套管和环形空间。与此同时，套管 封隔器以下的原油通过固定阀、下吸入 阀，进入下液缸的活塞下室。下液缸活 塞上室中工作过的乏动力液则通过通道 22、孔19和20，排到环形空间与抽取 的原油混合后上升到地面。
（三）双作用泵的工作原理
•
下冲程 主控制滑阀位于上死点，这时， 高压动力液从中心油管，经过通道17、主 控制滑阀和活塞杆间的 环形空间、孔21及 通道22，进入下液缸活塞的上室,推动活塞 组进行下冲程。下液缸活塞下室中的原油通 过下排出阀（这时下吸入阀关闭），排到油 管和套管的环形空间。与此同时，上液缸活 塞下室中工作过的废动力液则通过通道8、 主控制滑阀外表面中部的空间、孔19及20， 被排至油管和套管环形空间。原油通过吸入 通道及上吸入阀进入上液缸活塞的上室。
4．平行管自由（投入）式 这种型式包括两个平行管柱。水力 活塞井下机组从大直径管柱中循环至 井底，并在一个固定阀座上形成密封， 上部的密封也进入油管内壁的一个专 用环箍处。动力液从大直径管柱中进 入井下机组的液动机，而原油和乏动 力液从小直径管柱中排到地面。自由 气从套管中导出。
4．平行管自由（投入）式 • 有的井细管直通封隔器下的环形空间， 将气体导出地面，而动力液从中心油管进入 井下机组，抽汲的原油和乏动力液从油套环 形空间返出地面。