地面驱动单螺杆泵举升系统作为一种可靠性好、运行费用低、投资少的人工举升方法,适用于浅井、稠油井、含砂井和含气井。但是目前工艺设计理论不够完善,致使油井生产能力得不到充分发挥,并造成系统资源和能源浪费,所以提高该工艺设计技术水平,对其全面推广应用具有重要意义。在深入分析单螺杆泵采油机理和环空内流体流动规律的基础上,以垂直同轴圆柱环形空间内的螺旋流流场作为抽油杆-油管形成的环空内流体流场的简化模型,得出了粘性流体螺旋流的速度及排量计算方法。基于质量、动量、能量守恒原理及井筒径向传热理论,建立了预测环空螺旋流压力温度分布的综合数学模型。模型中考虑了焦耳-汤姆逊效应、井身结构、环空传热介质及其物理性质沿井深的变化。采用以井口温度作为未知量的数值求解方法,通过迭代求解,可以避免因井口温度参数输入不准引起的计算误差,模型求解考虑了因螺杆泵发热引起的流体温升。基于抽油杆柱的断脱失效形式、原因和动力学分析结果,建立了以波动方程为基础的抽油杆柱运动数学模型。离散分析该模型,结合初始条件和边界条件,应用有限差分方法进行数值求解。利用该模型,可以根据在地面测试的光杆扭矩变化规律计算出井筒中任意部位及螺杆泵处抽油杆扭矩的变化情况,也可以根据螺杆泵处抽油杆扭矩变化来预测光杆扭矩的变化,为进一步研究地面驱动单螺杆泵抽油杆柱的运动特性和采油系统的工作状况提供了理论基础。根据螺杆泵举升系统的工作特点,以螺杆泵为函数节点,提出了工艺设计方法。结合举升流体所需功率和螺杆泵特性曲线,以泵效为优化目标函数,优选泵型;并对泵挂深度进行敏感性分析,确定合理的泵挂深度。应用第四强度理论,求解杆柱在扭矩和轴向力条件下的复合应力,设计抽油杆柱。由举升流体所需功率和螺杆泵转速预测电动机轴的负载功率,确定地面电机额定功率。基于螺杆泵举升系统地面部分和井下部分能量损失情况分析,建立系统效率分析模型。并将其分解为电机效率、减速箱和皮带效率、抽油杆效率、螺杆泵效率及管柱效率,分别研究影响系统效率的各个因素。分别以华北二连油田巴18-55油井和蜀南气矿合8有水气井为例,对单螺杆泵举升系统进行采油和排水采气工艺设计。计算了在给定生产条件下(产量、油压等)所需的泵功率及级数,选择合理的螺杆泵、抽油杆柱和地面电机功率,并且分析了生产气油比、含水率等敏感性参数对举升效率、抽油杆柱扭矩和轴向力的影响。