【正文】 調(diào)整，即轉(zhuǎn)速的調(diào)整就成為影響螺桿泵容積效率和系統(tǒng)效率的最主要因素。 西安石油大學(xué) 高等繼續(xù)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 20 第 4 章 螺桿泵合理轉(zhuǎn)速的研究 螺桿泵進(jìn)出口壓差的計(jì)算 根據(jù)螺桿泵的工作原理，泵 進(jìn)出口壓差 的確定可用如下的計(jì)算公式： t l l c fp p g L g h p p?? ?? ? ? ? ? ? ? (41) 式中 l? —— 油管與抽油桿所形成的環(huán)空中 流體的平均密度 ， kg/m3； l?? —— 油管與套管所形成的環(huán)空中 流體的平均密度 ， kg/m3； L —— 泵出口至井口的距離， m； h —— 沉沒度 ， m； cp —— 井口套壓， Pa； tp —— 井口油壓， Pa； fp? —— 泵出口至井口流體流動(dòng)的摩擦阻力損失， Pa. 由于螺桿泵的工作方式是靠電機(jī)以膠帶傳動(dòng)或直接傳動(dòng)兩種方式驅(qū)動(dòng)抽油桿和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將原油舉升到地面，因此，可以把沿程摩阻損失 fp? 看成由原油沿泵以上的油管和抽油桿的環(huán)形空間向上流動(dòng)的沿程水頭損失和局部水頭損失之和1P? 、抽油桿在原油中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的粘性阻力 2P? 、轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所造成的摩擦損失 3P? 所組成。 根據(jù)抽油桿受力時(shí)的力學(xué)特點(diǎn) ,在建立模型時(shí)假設(shè)：抽油桿在井下為剛性桿柱并且在抽油桿截取的微單元體上，線密度及截面積相同。m； sM ——由定子溶脹而產(chǎn)生的摩擦扭矩， N摩擦扭矩增加的原因有兩個(gè)：一是油浸介質(zhì)中的輕質(zhì)成分在高溫高壓條件下滲透到橡膠內(nèi)部，使橡膠體積膨脹，增大了轉(zhuǎn)子和定子間的過盈值；二是油浸后橡 膠的硬度增大，即可從油浸前的邵 A 硬度 65 增加到油浸后的邵 A 硬度 70，定子的彈性模量也增加，泵的摩擦扭矩也隨著增大。3n 116π dddW (431) ? ? ss?? ? (432) 式中 ? —— 復(fù)合應(yīng)力， MPa； t? —— 拉應(yīng)力， MPa； ? —— 剪應(yīng)力， MPa； nW —— 抗扭截面模量； ??? —— 許用應(yīng)力， MPa； A —— 抽油桿截面積， mm2； s —— 安全系數(shù)； s? —— 抽油桿屈服極限強(qiáng)度， MPa； 39。待生產(chǎn)穩(wěn)定后，輸入相關(guān)參數(shù)，調(diào)參后的計(jì)算結(jié)果如圖 42 所示： 圖 42 調(diào)參后（ n = 117 r/min）程序計(jì)算結(jié)果截圖 由圖 42 可知，調(diào)參后泵的進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果為 ，并結(jié)合圖 25和附錄一中圖 6 分析后可以看出，理論上，此泵目前的工作點(diǎn)也位于 最佳工作區(qū)內(nèi) ，并且與調(diào)參前相比更接近理論上泵系統(tǒng)效率最高點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算校核后抽油桿的安全系數(shù)為 ，也高于通常所要求的安全系數(shù)一般為 3 左右的最低標(biāo)準(zhǔn)。但是，可以看到，該井沉沒度較低，達(dá)到了 ，說明目前該井供液能力并不強(qiáng)，且目前泵的進(jìn)出口壓差 與工作特性曲線理論 上的泵系統(tǒng)效率最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓差 相比還有一定的差距，因此，決定對(duì)該井進(jìn)行下調(diào)參，即減小泵的轉(zhuǎn)速，以期適當(dāng)增加沉沒度、提高泵效和系統(tǒng)效率。共同的原因在于，經(jīng)過計(jì)算，調(diào)參前，泵的工作點(diǎn)落在了泵工作特性曲線中系統(tǒng)效率最高點(diǎn)左側(cè)的最佳工作區(qū)內(nèi)，但距 西安石油大學(xué) 高等繼續(xù)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 34 離系統(tǒng)效率最高點(diǎn)較遠(yuǎn)；而調(diào)參后，泵的工作點(diǎn)向右側(cè)有所移動(dòng)，更加靠近系統(tǒng)效率最高點(diǎn)，如圖 25 所示，這一趨勢(shì)引起的泵效和系統(tǒng)效率變化與工作特性曲線中該區(qū)域內(nèi)泵效與系統(tǒng)效率隨壓差變化而變化的趨勢(shì)是相符的。這就要求我們應(yīng)該在深入了解螺桿泵基本工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)螺桿泵工作特性曲線來 判斷當(dāng)前泵工作點(diǎn)所處區(qū)域，再結(jié)合具體情況進(jìn)行增加或減小轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 小結(jié)及建議 綜合以上的分析研究，可以看出，轉(zhuǎn)速與螺桿泵容積效率、系統(tǒng)效率的關(guān)系非常復(fù)雜，并非單純的正比或反比關(guān)系甚至通用公式可以描述。 利用上述方法總共進(jìn)行了 10 口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，各井調(diào)參前后主要參數(shù)對(duì)比如表 41～ 表 42 所示。 輸入相關(guān)參數(shù)后，調(diào)參前的結(jié)果如圖 43 所示： 圖 43 調(diào)參前（ n = 122 r/min）程序計(jì)算結(jié)果截圖 GLB80018 型 螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下的工作特性曲線參見附錄一中圖 6～ 圖 11所示。但是，可以看到，該井沉沒度較高，達(dá)到了 614m，說明目前該井供液能力較強(qiáng)，且目前泵的進(jìn)出口壓差 與工 西安石油大學(xué) 高等繼續(xù)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 29 作特性曲線理論上的泵系統(tǒng)效率最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓差 相比還有一些差距，因此，決定對(duì)該井進(jìn)行上調(diào)參，即增加泵的轉(zhuǎn)速，以期適當(dāng)降低沉沒度、提高井的系統(tǒng)效率。s； 1r ——抽油桿半徑， m； 2r ——油管內(nèi)半徑， m； L ——抽油桿長(zhǎng)度， m. 抽油桿強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)分析 在滿足強(qiáng)度極限的條件下，盡量選擇小直徑的抽油桿。m； 0? —— 泵定子與轉(zhuǎn)子初始過盈值， mm； n —— 轉(zhuǎn)速， r/min. 定子與轉(zhuǎn)子間由于熱脹產(chǎn)生的摩擦扭矩為： RfKM rt0r ?? (423) 式中 0K —— 定子橡膠的彈性模量， N/m； ? —— 襯套橡膠在井下因熱脹而增加的過盈量， m； rtf —— 定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù)； R —— 轉(zhuǎn)子截面半徑， m. 螺桿泵定子和轉(zhuǎn)子由于井下橡膠熱脹所產(chǎn)生的摩擦扭矩，與橡膠的彈性和橡 西安石油大學(xué) 高等繼續(xù)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 26 膠徑向熱脹量的乘積成正比，根據(jù)橡膠特性，當(dāng)溫度升高時(shí)，定子橡膠硬度減小，橡膠的彈性模量減小，但溫度升高橡膠徑向熱脹量增大，這兩個(gè)變量綜合作用的結(jié)果使摩擦扭矩基本沒有變化。m. （ 1） 轉(zhuǎn)子的有功扭矩 螺桿泵工作時(shí)通過螺桿 － 襯套副的作用，將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成流體的壓能，每轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為： pqM ??1π2 (419) nQq 1440v? (420) 式中 q ——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的理論排量， m3； p? ——螺桿泵吸 入端與排出端流體壓差， Pa； n ——轉(zhuǎn)速， r/min； vQ ——泵的體積流量， m3/d. （ 2） 定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩 單螺桿泵在井底工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子間存在過盈配合，所以定轉(zhuǎn)子間存在著摩擦，定子對(duì)轉(zhuǎn)子施加摩擦扭矩的作用，其扭矩可表示為： sr02 MMMM ??? (421) 式中 0M ——定子與轉(zhuǎn)子間的初始過 盈產(chǎn)生的摩擦扭矩， Nm），由此得 Qgh?? 3 gQ?? (411) 則 Qp ??l3 ?? (412) 抽油桿受力分析 抽油桿所受軸向力 螺桿泵抽油井工作過程中，管柱受力狀況與抽油機(jī)井不同，由于螺桿泵連續(xù)穩(wěn)定地抽汲原油，管柱不承受交變的液柱載荷。 有的文獻(xiàn)研究認(rèn)為螺桿泵井合理沉沒度一般低于 400m[26]； 有的 認(rèn)為合理沉沒度應(yīng)控制在 200m300m[27,28]； 有的 認(rèn)為 沉沒度應(yīng)控制在 200m500m[29]；也有的認(rèn)為沉沒度應(yīng)控制在 200m～ 400m[30]。為此，為保持較高的系統(tǒng)效率，下泵深度應(yīng)維持在合理范圍。螺桿泵下入深度越深，即下泵深度越大，環(huán)境溫度越高； （ 2） 螺桿泵舉升流體與橡膠摩擦產(chǎn)生大量的熱量。高溫的地下油液以及摩擦熱的生成，使螺桿泵內(nèi)過流部件長(zhǎng)期處于較高溫度下工作，定子橡膠受熱后產(chǎn)生變形和膨脹，進(jìn)而加劇了定子和轉(zhuǎn)子密封界面處的摩擦熱的生成，這種惡性循環(huán)的發(fā)展，必然加速定子內(nèi)表面橡膠的老化和磨損，降低螺桿泵的使用壽命。 表 31 不同泵型的初始過盈值 泵型 初始過盈值 (mm) 泵型 初始過盈值 (mm) GLB4042 ~ GLB28020 ~ GLB7540 ~ GLB50014 ~ GLB12027 ~ GLB80014 ~ GLB20033 ~ GLB120014 ~ 定子橡膠的溶脹、溫脹及磨損 螺桿泵工作在油井中，高壓、運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞、摩擦，流體中含氣，特別是流體中含二氧化碳、硫化氫氣體等對(duì)定子橡膠都有影響 [20]。因此，要對(duì)過盈量進(jìn)行合理地選擇。 （ 3） 導(dǎo)程 T 的誤差 導(dǎo)程誤差會(huì)使定子與轉(zhuǎn)子的嚙合位置發(fā)生變化，即發(fā)生干涉；同時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的配合也發(fā)生變化，即一邊過盈增加，一邊出現(xiàn)間隙。 （ 1） 偏心距 e 的誤差 當(dāng)實(shí)際偏心距小于設(shè)計(jì)偏心距 e 時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間會(huì)出現(xiàn)間隙，相鄰兩個(gè)腔室連通，使某一級(jí)失去舉升能力；相反，當(dāng)實(shí)際偏心距大于設(shè)計(jì)偏心距 e 值，會(huì)使定子與轉(zhuǎn)子之間的過盈量很大，甚至?xí)箛Ш线\(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。螺桿泵的摩損于進(jìn)入到螺桿泵內(nèi)與轉(zhuǎn)子定子接觸砂粒的數(shù)量成正比關(guān)系。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)有發(fā)生。螺桿泵工作特征曲線有三 條曲線組成： 曲線 ① ： 容積效率 ? ?v? 曲線 ——容積效率與揚(yáng)程 ? ?p? 的關(guān)系曲線； 曲線 ② ： 扭矩 ? ?M 曲線 ——轉(zhuǎn)子扭矩與揚(yáng)程 ? ?p? 的關(guān)系曲線； 曲線 ③ ： 系統(tǒng)效率 ??? 曲線 ——系統(tǒng)效率與揚(yáng)程 ? ?p? 的關(guān)系曲線。結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，螺桿泵的排量就只與轉(zhuǎn)速 n 和容積效率 v? 有關(guān)。連續(xù)輸液的過程，是以連續(xù)不斷地打開和關(guān)閉密封腔室而實(shí)現(xiàn)的。 ④ 油管防脫裝置。 （ 3） 電控部分 電控箱是螺桿泵井的控制部分，控制電機(jī)的啟、停。 西安石油大學(xué) 高等繼續(xù)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 ③ 密封盒。 1電控箱； 2電機(jī)； 3皮帶； 4方卡子； 5減速箱； 6壓力表； 7專用井口； 8抽油桿； 9抽油桿扶正器； 10油管扶 正器； 11油管； 12螺桿泵； 13套管 . 圖 21 螺桿泵采油示意圖 （ 1） 地面驅(qū)動(dòng)部分 地面驅(qū)動(dòng)裝置（驅(qū)動(dòng)頭）是螺桿泵采油系統(tǒng)的主要地面設(shè)備，它是把動(dòng)力傳遞給井下的螺桿泵轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽汲原油的機(jī)械裝置。但在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參中發(fā)現(xiàn)，為了使螺桿泵的沉沒度保持在合理范圍內(nèi)，對(duì)高沉沒度井進(jìn)行上調(diào)參后，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，螺桿泵的容積效 率呈下降趨勢(shì)。 隨著我國(guó)各大油田開發(fā)的不斷發(fā)展，油田開發(fā)的難度不斷增加，如大慶油田的原油生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入高含水期，為了確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，外國(guó)的一些低滲透油田也進(jìn)入了開發(fā)階段，在這種情況下舉升設(shè)備的重要性就日顯突出。 螺桿泵的工作壽命主要取決于定子襯套材料的性能，定子材料受到多種因素的影響，如溫度、芳香族化合物、 H2S 等，因此深入研究不同環(huán)境條件下的定子襯套材料是提高采油螺桿泵性能和工作壽命的關(guān)鍵。 法國(guó) PCM Pompes 公司生產(chǎn)的地面驅(qū)動(dòng)采油單螺桿泵的下井深度達(dá)到了20xxm，排量為 120m3/d，使用情況良好。利用液壓馬達(dá)作動(dòng)力調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速非常方便。 1945 年以來，螺桿泵在技術(shù)和制造工藝上都做了大量的改進(jìn)和完善，繼法國(guó)之后，美國(guó)、前蘇聯(lián)以及 加拿大等國(guó)家都開展了螺桿泵的研制和應(yīng)用， 50 年代中期，莫依諾原理（ Moyno Theory）被用于鉆井工業(yè)中， 80 年代初期，螺桿泵被用作石油工業(yè)中的人工舉升設(shè)備，美國(guó)的 Kois amp。 分析和研究螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍， 對(duì)指導(dǎo) 油田實(shí)際生產(chǎn) 、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗 有著重要 工程實(shí)際 意義。 目前，井下采油螺桿泵大致可分為以下三種結(jié)構(gòu)形式 [2]： 一是地面 驅(qū)動(dòng)采油螺桿泵，它是井下采油螺桿泵中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，也是國(guó)內(nèi)外井下采油螺桿泵采用的主要結(jié)構(gòu)形式，其主要的特點(diǎn)是螺桿泵在井下，而提供動(dòng)力的裝置在地面之上，二者之間由抽油桿聯(lián)系起來。電動(dòng)潛油螺桿泵壽命的提高，大大降低了采油成本，使一些原來經(jīng)濟(jì)上無(wú)開采價(jià)值的油井有了良好的效益。由于水中含有大量的懸浮煤粉和砂，無(wú)法應(yīng)用普通泵，最后選用了螺桿泵。轉(zhuǎn)子的壽命也是影響螺桿泵工作壽命的因素之一。 大慶油田自 1986 年引進(jìn)首臺(tái)螺桿泵以來 .經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收、自主開發(fā) 3個(gè)階段 .到目前為止 .地而驅(qū)動(dòng)桿式螺桿泵采油技術(shù)已基本成熟配套 .成為繼游梁式抽油機(jī)和電潛泵之后的主力人工舉升方式 .而且在聚合物驅(qū)、二元復(fù)合驅(qū)和稠油油井上表現(xiàn)出良好 的適應(yīng)性。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí)，螺桿泵的容積效率很低，揚(yáng)程不夠，滿足不了生產(chǎn)需要。主要作用是傳遞動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速。主要作用是將減速箱輸出軸與光桿聯(lián)接起來。它簡(jiǎn)化了采油樹，使用、維修、保養(yǎng)方便，同時(shí)增加了井口強(qiáng)度，減小了地面驅(qū)動(dòng)裝置的振動(dòng)，起到保護(hù)光桿和換密封盒時(shí)密封井口的作用。螺桿泵是靠空腔排油，由于定子比轉(zhuǎn)子多一條螺旋線，所以在轉(zhuǎn)子與定