石油大学（华东） 硕士学位论文 电潜螺杆泵采油系统的研究与应用 姓名：于乐香 申请学位级别：硕士 专业：油气田开发工程 指导教师：张琪 20030901

摘要

油田生产中广泛采用的举升方式主要包括有杆泵、电动潜油离心泵、 水力活塞泵和螺杆泵等，近年来，国内外正在试验使用电动潜油电机和 螺杆泵结合起来的采油系统。本文对常用的有杆泵和地面驱动螺杆泵的 举升特点及适用性进行了分析和比较。针对目前油田在斜井、定向井、 高含砂及稠油等开采过程中不适宜采用有杆泵的情况，在调研分析国内 外现有的电潜螺杆泵的类型及适用性的基础上，对电潜螺杆泵的结构、 工作原理及举升特点进行了研究，并对螺杆泵采油系统的供、采协调进 行了分析。针对现有电潜螺杆泵需要解决的一些关键技术问题，如泵的 低转速高扭矩输入要求、泵的工作轴向力、井下机组高温高压保护、定 予橡胶寿命短、排量低及扬程低等进行了分析，提出了相应的解决方法。 本文结合现有的螺杆泵采油新技术及配套措施，对电潜螺杆泵采油系统 的应用状况进行了探讨，在此基础上建立了完整的电潜螺杆泵采油系统 工艺方案优化设计理论，并进行了计算机设计及现场应用的实例分析。 分析研究结果对油田的现场生产具有一定的指导意义。

关键词：电潜螺孝T泵采油优化设计含砂稠油

The Research and Application of Electrical Submersible

Progressive Cavity Pump^inProduction System

Postgraduate：Yu Lexiang Supervisor：Zhang Qi Speciality：Oil^and gas^field development engineering

School：University ofpetroleum

Abstract

The artificial lift methods，which are used widely in oil field，include rod’pumping^{method，electricalsubmersible} pump，hydraulic piston pump and progressive cavity pump and so on．The characteristics and applicability of the rod。pumping method and progressive cavity pump are analyzed and compared^inthis paper．According^{tothefactthatthe} rod-pumping method can not apply to the production ofthe deviated well、directional well、hi西 sand content well and heavy oil well，the configurations、working mechanisms、coordinated supply and production and lifting characteristics of the electrical submersible progressive cavity pump(ESPCP)arc studied， which based on the analysis of the type and applicability of ESPCR Some key techniques^suchashe required input of low rate of revolution and high torque、the operating^{axialforce、the} protection ofdownhole subassembly in high pressure^and temperature、me lower life of stationary balata．10wer production rate and lower lift height and so on are analyzed and some measurements were proposed in this paper．Combined with the existing techniques，the application^of ESPCP^was discussed，and the optimum design method of the oil production scheme of ESPCP was studied on the base of these analyses．Finally,a case was studied．The results call instruct the oil production．

Key^{words：electrical} submersible progressive cavity pump，production， optimum application，sand content，heavy oil．

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。

签名： Ⅻ弓年，，月矿F1

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(保密论文在解密后应遵守此规定)

学生签名： 王j量盔 油)亏年，／月6"-日一 导师签名： 跏i’年J1月J一目一

第1章前言

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第1章前言

20世纪20年代中期法国人勒内·莫依诺发明设计出螺杆泵，几年后， 莫依诺原理获得专利权，很快便有三家公司：法国PCN泵公司、英国 Moyno泵有限责任公司以及美国Kois＆Myers公司生产螺杆泵。在20世 纪50年代中期，螺杆泵原理被应用于水力马达。20世纪80年代初期， 螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备。Kois＆Myers公司率先在石油 工业中把莫依诺原理用于人工举升。

国外螺杆泵的研制和试验已有四十多年的历史，自1966年至1973年 苏联首先研制成功了Ⅱ型多头螺杆泵后，美、加、法等一些国家也相继先 后研制出了多头螺杆泵。20世纪70年代到80年代初，苏、加、美等国 家在螺杆泵采油研究方面发展很快，特别是在开采重油、含砂、结蜡油井 方面取得了显著效果。

自从20世纪80年代初期，螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备 以来，螺秆泵的研究与应用得到了快速发展，螺杆泵作为一种机械采油设 备，它具有其他抽油设备所不能替代的优越性。它适用于稠油、含砂、高 气油比井的开采，具有体积小、安装方便、无污染、能耗低等特点，是它 易于推广的重要特征。

近年来螺杆泵采油技术发展很快，国内外都在螺杆泵配套设备设计、 制造等方面取得了较大的成功，在油田使用中积累了较多经验。 国际上几十个国家，特别是发达国家，都有较多的螺杆泵制造，。。制 造技术基本过关，应用技术基本配套。由零星使用向井组、区块、整个油 田使用的规模发展。

目前，国内已有几十个螺杆泵制造厂。制造技术有很大突破，特别是 定子橡胶的粘按技术逐渐完善，推动着配套技术的发展。国内螺杆泵使用 也向着整区块使用的趋势发展，并且发展越来越快。

面对高含水、低产油田开发中的降低采油成本，聚合物驱油中的人工 举升问题，给螺杆泵使用规模扩大带来机遇。 随着螺杆泵采油技术的发展，尤其是螺杆泵制造技术的提高和使用方 法的合理，使螺杆泵寿命得到明显延长，已基本上能满足油田的需要。但

第1章前言

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是，随着地面驱动大排量螺杆泵采油技术的进一步推广应用，尤其是在聚 驱井中的应用，使得抽油杆柱失效问题越来越突出，严重制约着地面驱动 螺杆泵的应用。

电动潜油螺杆泵简称电潜螺杆泵，它是一种无杆泵采油设备，这种采 油系统采用潜油电机在井下驱动螺杆泵，一方面可以避免有杆泵采油由于 井身偏斜、弯曲等对杆柱受力造成的影响，另⋯方面，还可以利用螺杆泵 对稠油、砂、气具有较好适应性的特点，丌采这类油藏。

国外已经有很多电潜螺杆泵采油成功的报道，国内从“八五”开始就 作为重点科技攻关项目进行研究，攻克了大量技术难题，但在现场应用方 面并不理想。引进一套国外电潜螺杆泵采油系统需要超过75万元人民币。 随着油田开发的不断深入，需要采用无杆泵采油的油井不断增多，尤 其是海上油田，对电潜螺杆泵采油系统的需求越来越迫切。要使电潜螺杆 泵采油能够达到工业化水平，需要在潜油电机、传动机械控制和螺杆泵等 相关设备方面进行研究，还需要建立完善的电潜螺杆泵采油系统工艺方案 优化设计理论和技术，由此可见，研究电潜螺杆泵采油系统应用技术，对 提高油田开发水平具有重要意义。

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第2章螺杆泵采油系统的国内外研寒堡鉴

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第2章

螺杆泵采油系统的国内外研究现状

2．1单螺杆泵采油系统的发展现状‘109】[88]【3]【1】[59]【126～130】

在开发稠油(5000mPa．S)、高气油EL(700m3／t)和高含砂油(2，5％) 时，螺杆泵具有独特的作用，与其他采油设备相比，螺杆泵尺寸小、 质量轻、制造容易、维修方便。从1991年开始，美国Amoco公司的 试验研究表明，螺杆泵还可应用于中后期水驱油田的开采，而且比游 梁式抽油机和电动潜油离心泵都更为经济。目前，加拿大的50000口 油井中有40％使用螺杆泵采油。

按照对螺杆泵的驱动方式来分，螺杆泵采油系统可分为地丽驱动 和井下驱动两种形式。

f1)地面机械驱动单螺杆泵采油系统

法国PCM Pumpes公司、美国BakerHughesCemrilift公司、美 国Schlumberger^Reda Pump公司、Weatherford^{InternationalArtificial} Lift Systems(ALS)、美国Robbins&Myers公司n；属Energy Systems、 Moyno Inc．等)、加拿大CAN—K Process&Mining Equipment Ltd．以及 加拿大Kudu Industries公司(与法国PCM Pompes公司合作、都生产地 面机械驱动单螺杆泵采油系统，其典型特征是动力机f电动机、柴油 机甚至是电机+液压马达等)和减速器均位于井口装置上面，通过抽油 杆作为挠性轴把动力传递到井下驱动单螺杆泵工作。

目前，WeatherfordInternationalAIS公司和加拿大CAN—K公司正 在开发的等厚橡胶定子单螺杆泵；Weatherford ALS公司开发Corod DER8．5大扭矩连续抽油杆：美国Robbins&Myers公司下属Energy Systems公司开发的DHH系统，主要特征为采用天然气发动机驱动 和零泄漏填料盒，下属Flow Control Equipment Inc．公司开发的单螺杆 泵采油集成流动接头和防喷器；InterRep公司开发的单螺杆泵采油优 化系统PCPOS；PCP International Inc．开发的单螺杆泵定子橡胶温度 监控器技术，以避免单螺杆泵的抽空运转失效；Case Services Inc．和 Weatherford International Inc．联合开发了CSPCP软件Pump Controller。

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第2章螺杆泵采油系统的国内外研究现状

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在国内，继原沈阳新阳机械制造公司(现被兼并)与辽河油田合作 研制成功新阳牌地面驱动单螺杆泵采油系统后，目前，我国已有20 多个厂家制造地面机械驱动单螺杆泵采油系统，年生产量已达1000 多台。沈阳新阳机械制造公司的研究人员还提出了井下无抽油杆单螺 杆泵采油装置，但未见该系统在油田实施应用的报道。

(21井下驱动单螺杆泵采油系统

井下驱动单螺杆泵采油系统分液压驱动和电动两种。

液压驱动系统主要由加拿大Corod Mmanfacturing Ine．(1991年被 Weatherford International公司收购1生产。据有关资料介绍，井下系统 实际上采用2套单螺杆泵而中间用联轴节连接，上端为单螺杆液动 机，定子、转子采用左旋形面，由地面高压泵站通过油管注入高压液 (油或水)驱动转子转动，再通过中间联轴节带动下端单螺杆泵转子转 动实现采油作业。2套泵的定子均通过油管悬挂在井口，并在定子尾 部锚定；下端单螺杆泵的采出原油与上端泵排出的动力液混合后由油 管与套管之间的环形空间举升至地面。

国内原沈阳新阳机械制造公司的YLB43×15型井下液压驱动单 螺杆泵采油系统，未能在油田推广使用。

目前发展较流行的是电动潜油单螺杆泵(ESPCP)采油系统，该系 统除保持了螺杆泵采油的固有优势之外，还能克服地面机械驱动和井 下液压驱动单螺杆泵采油系统的缺点。

目前，美国、原苏联、法国、加拿大、罗马尼亚等国家均已采用 了电动潜油螺杆泵采油系统，其中以原苏联数量最多。早在20世纪 50年代，原苏联研制了井下电驱动螺杆泵采油系统(三螺杆式泵)， 1973年，又研制了井下电驱动单螺杆泵采油系统，目前有单螺杆、 双螺杆和三螺杆等3种形式，其电动潜油单螺杆泵采油系统为上下2 个左右旋转子并联。法国PCMPompes公司生产的电动潜油单螺杆泵 (Moineau泵)采油系统则采用了4个相同的单螺杆泵串联或上下2组 左右旋单螺杆泵并联结构。美国生产电动潜油单螺杆泵的厂家主要有 SchlumbergerRedaPump公司和BakerHughes Centrilift公司，基本上 代表了目前世界上机械采油设备的最高水平。

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第2章螺杆泵采油系统的国内外研究现状

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目前，Schlum bergerRedaPump公司开发的线缆取下系统，通过 ～一个滑索装置来取出或重新安装螺杆泵，其他布置与该公司的常规电 动潜油单螺杆泵采油系统相同。Baker Hughes Centrilifl公司开发的 ESPCPTTC技术，可以使用线缆或盘管来取出和安装螺杆泵，从而降 低了修井费用。BakerHu曲es Centrilift公司开发了ESPCP应用软件， Robbins&Myers^flowControl Equipment^{Inc．开发了可同时用于PCP} 和ESPCP的井口装置。

值得一提的是，加拿大CAN．K Process&Mining Equipment^Ltd． 研制了全金属双螺杆水力平衡多相采油泵，可用转速为3500r／min的 井下潜油电机驱动，该系统最大产量700t／d、最大下井深度5000m、 最高产液粘度40000mPa·s、最高工作温度245℃。由于定子没有使 用橡胶材料，因而该泵可以输送100％的气相介质，具有抽空运转能 力：同时由于转子在热处理硬度达HRC62后又应用气相沉积技术而使 表面硬度达HV3500、定子热处理后也应用气相沉积技术而使表面硬 度达HV3000，因而该系统输送介质的含砂量可以高达65％。

螺杆泵作为开采高粘度、高含水的采油设备，已广泛得到应用。 但是在采油过程中，也出现很多问题，主要表现在以下几个方面： 1)下泵深度不能太深，这主要是因为随着下泵深度的增加，地 面驱动螺杆泵抽油杆所承受的垂向拉力和扭矩增加，尤其是扭矩的 增加，使抽油杆失效破坏，导致频繁作业。

2)井身不能有弯曲，如果井身有弯曲，抽油杆将承受弯矩力， 抽油杆作旋转运动时，抽油杆承受交变弯矩力，造成抽油杆疲劳损坏。 3)有杆管偏磨现象发生。

这些问题的存在，限制了螺杆泵的应用。通过分析可以发现，这 些现象都与抽油杆受力有关。为克服这一问题，引发了将驱动力放在 井下的设想。国外有些公司近些年来正在研制电动潜油螺杆泵，潜油 电机和电缆都与常规电潜泵机组中的一样，用螺杆泵代替潜油离心 泵。电动潜油单螺杆泵是前苏联在50年代中期开始研制的，经过了 系统的实验室和矿场试验，于1973年才开始成批生产。目前已形成 电动潜油单螺杆泵系列：排量为60～200m3／d，压头达9、12MPa。

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第2章螺杆泵采油系统的国内外研究现状

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2．2国外井下驱动螺杆泵采油系统研究现状Ⅲ126Ⅲo】

目前，美国、俄罗斯、加拿大、法国、罗马尼亚等国家均有井下 驱动螺杆泵采油系统，其中，原苏联使用最多。近年来，电潜螺秆泵 技术发展较快，典型的有俄罗斯的左右旋转子螺杆泵，雷达公司的钢 丝绳可回收式螺杆泵，以及贝尔一休斯公司开发成功的一种用钢丝绳 或连续油管过油管传送的电动潜油螺杆泵系统。 2．2．1美国井下驱动螺杆泵采油系统“⋯“1

美国各油田在用的井下驱动螺杆泵采油系统，其排量为 32～138m3／d，一般提升高度为600～1200m。

27】 f1)用钢丝绳回收的井下电机驱动的螺杆泵(ESPCP)I

美国雷达(REDA)公司开发成功一种ESPCP钢绳回收系统，使用 一个平滑的绳索系统将螺杆泵拉起来和再放下运行。其潜油电机、防 喷器、齿轮箱、保护器、吸入口和电缆安装在生产油管上。PCP的转 子和定子与标准的x一锁紧器相连接，使用标准钢丝绳工具就可以将 其从井下拉起和放下运行，操作简单。该系统允许泵尺寸和外形改变， 而不会影响井下设备，用防喷管控制油井，避免压井的需要以及油层 毁坏的危险，有一个有经验的司钻使用最少量的设备就能快速的更换 泵。

(2)过油管传送电动潜油pCpl27】

美国贝克一休斯公司开发成功一种用钢绳或挠性油管过油管传送 的电动潜油PCP系统。采用该方法，不运用作业机就可以换泵，可 以降低修井费用。它采用3种方法将机组与高低压区隔离：

①带油管限位机构的油管封隔器；

②带十字短节的三角密封；

③带油管限位机构的密封筒三角密封。

该系统用标准的电潜马达螺杆泵与标准的螺杆泵相连，能在 3％加和较大柏油管中推广使用。组件容量达100hp，在3必加油管中 的生产能力为30t／d。现行的开发工作在3必加油管中进行，使用的是 多头螺杆泵。在4Z抽及更大的油管中生产能力将增加。

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