第一部分
无杆采油装置系统效率分析
大家都知道，无杆泵采油装臵有以下几种：电潜离心泵装臵、电潜螺杆泵装臵、电潜螺旋轴流泵装臵、水力活塞泵装臵、水力驱动螺杆泵装臵、井下油水分离同井采注装臵和喷射泵（或射流泵）装臵等。对于以上各种无杆泵采油装臵来说，据我了解，目前应用最多、最广的是电潜离心泵装臵；水力活塞泵装臵前些年曾较大规模推广应用过，但近些年处于萎缩应用阶段；电潜螺杆泵装臵近几年国内已初步开发成功，正在进行推广应用和关键部件的完善阶段；其余四种无杆泵采油装臵，水力驱动螺杆泵装臵、电潜螺旋轴流泵装臵、井下油水分离同井采注装臵和喷射泵（或射流泵）装臵，国外皆已处于小规模推广应用阶段，国内处于研究开发的中试阶段或现场试验阶段。
今天重点以电潜离心泵装臵、电潜螺杆泵装臵、水力驱动螺杆泵装臵和水力活塞泵装臵为例进行分析。 一、效率、泵效和系统效率
1．效率
我们今天讲的效率是特指能量转化好坏的指标，它是指某个部件或某个系统的输出功率（或能量）与其输入功率（或能量）之间的比值。只要有能量的传递和转化，就会存在着能量的损失，那么，效率就不会是1或100%。效率的表达通式为：
??2．泵效
N输出N输入 （1）
泵效率是指泵的有效功率（输出功率）与泵的轴功率（输入功率）之比。符合式（1）的定义。
无论那种泵，泵内皆存在三种能量损失，即容积损失、水力损失和机械损失。相应就出现了三个效率，即容积效率、水力效率和机械效率。
动力机传递到泵轴上的功率（即泵的轴功率）并没有完全做有用功，首先它要克服泵内的各种机械摩擦，损失一部分能量或功率，习惯称此部分功率损失为机械损失；然后剩余的功率还没有全部转化为有用功率，要同时克服泵内的容积损失（即流量损失）和水力损失（即流动损失）之后，再剩余的功率才是泵的有效功率。因此，由式（1）可得出泵效的另一个表达式：
?B?N输出N输入?N输出Ni?Ni?gQHQH???m???m??v??h??m （2） N输入?gQiHiQiHi3．系统效率
所谓系统效率是指整个系统的有效功率与系统源头的输入功率之比。其表达式为：
?S?NSoutNSin （3）
因此，系统效率针对不同的系统构成，其各部分效率组成也不尽相同，往往是地面和井下部分效率的综合。这就需要针对不同的装臵采油系统，进行具体分析。
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二、电潜离心泵采油装臵系统
1．系统组成
电潜离心泵装臵采油系统主要有四大部分组成，即地面（电力输送和输油）子系统（变压器、配电箱和地面电缆，井口采油树等）；中间（电力和气液传输）子系统（动力电缆和油、套管）；井下电潜离心泵机组子系统（潜油电机、保护器、油气分离器和多级离心泵）；井下原油入井流动子系统（即油层至射孔段）。
2．电潜离心泵系统效率的组成及分析
根据前面讲的定义式（3），电潜离心泵装臵采油系统的系统效率，应该是泵的输出功率或有效功率NBout与地面配电箱处测得的电功率NDin之比值。即
?S?NBoutNDin （4）
那么，由系统输入功率NDin到系统的有效功率NBout之间有多少功率损失呢？共有5处功率或能量损失，即由地面到井下潜油电机的整个输电电缆的电能损失（电阻造成）、潜油电机内部的电能损失（铜损、铁损等）、保护器内部的机械能损失（轴承和液体摩擦造成）、油气分离器内的机械能损失（轴承和液体摩擦造成）、多级离心泵内的机械能和液体能损失（机械摩擦，流量漏失、水力阻力造成）。因此，式（4）可写成如下形式：
?S??DL??Dj??bhq??f??B （5）
由于保护器和油气分离器的能量损失相对于其它三者要小得
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多，故通常工程计算中可以忽略。下面我们对每一个效率，讨论如何计算或选取。
（1）电缆效率?DL
电缆出厂时，对于不同规格的电缆通常都要给出单位长度（m）上的功率损耗?NDL，于是可由下式求出电缆效率：
?DL?NDin??NDL?LBNDin （6）
式（6）中，NDin代表系统输入功率，可由三相功率表在井口配电箱处测得；LB代表下泵深度。
（2）潜油电机效率?Dj及功率储备系数Kc
电机的效率主要是由于电机内部的铜损和铁损等造成。对于正规厂家生产的潜油电机，在出厂前都要进行电机特性试验，因此，在其出厂的铭牌上皆可查得电机的效率值；功率储备系数一般在1.1~1.2之间选取。
（3）多级离心泵泵效
电潜离心泵出厂前，皆进行了泵输送单相清水的特性试验，并给出了以清水为介质时的三条特性曲线，即压头与流量曲线、效率与流量曲线和轴功率与流量曲线。但是电泵在采油时实际输送的介质是油-气-水多相混合物。经验研究早已表明，介质的粘度和含气量对泵的特性有显著的影响。因此，不能以泵的输水特性曲线直接作为确定或计算泵工作点的依据，必须对出厂时的输水特性曲线，进行输送实际介质时的粘度和含气量两个方面的特性换算。特性换
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算的过程是较复杂的，具体方法在此不再多述，有兴趣的可参考K.E 布朗编著的《升举法采油工艺》一书或由万邦烈教授编著，石油大学出版社出版的《采油机械设计计算》一书。泵的铭牌特性曲线、实际特性曲线和管路特性曲线如图1所示。
压头（m）、轴功率（KW）、效率（%） 压头—流量曲线 效率—流量曲线 管路特性曲线 泵工作点 轴功率—流量曲线 高效区 图1 离心泵特性曲线示流量（m3s） 图中 黑粗线表示泵的铭牌特性曲线； 细红线表示泵的实际特性曲线 粘度和含气量共同作用的结果会使泵的压头与流量特性曲线和效率与流量特性曲线下降，轴功率与流量曲线上升。也就是说，在与输水特性可比拟的工况下，输送实际介质时，流量、压头和效率三个特性参数要有所降低，轴功率会有所上升。
那么，计算泵效可有三种方法。
一是根据特性换算后的实际效率与流量特性曲线，通过井口产
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