人工举升理论第15讲 螺杆泵采油

人工举升理论第15讲螺杆泵采油吴晓东自1930年发明螺杆泵以来，螺杆泵技术工艺不断改进和完善，特别是合成橡胶技术和粘接技术的发展，使螺杆泵在石油开采中已得到了广泛的应用。目前在采用聚合物驱油的油田中，螺杆泵已成为常用的人工举升方法。螺杆泵采油螺杆泵采油系统驱动装置井口装置井下螺杆泵中间油管螺杆泵驱动电动液动机动螺杆泵采油螺杆泵工作地面动力油杆转动螺杆泵转动地层流体油管输出地面设备简单、紧凑、占地小、初期投资少、操作安全可靠、管理和使用方便。排出流量均匀平稳，调参容易，通过改变地面驱动转速来调整泵的排量。适宜输送和开采粘度大的流体。自吸能力强，气体对泵效影响小。螺杆泵的定子和转子的密封是柔性的面接触，适用于含砂流体。螺杆泵采油优点螺杆泵的结构1一泵壳；2一衬套；3一螺杆；4一偏心联轴节；5一中间传动轴；6一密封装置；7一径向止推轴承；8一普通连轴节螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸人端均匀地挤到排出端。同时，又在吸人端重新形成新的低压空腔将原油吸人。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸人，通过油管举升到井口。螺杆泵的工作原理油管受力分析油管受力模型简图油管受力分析从上述四个典型图分析，抽油管柱主要存在以下几个力扭力转子扭矩M1；抽油杆磨油管M2；油管内流体旋转摩擦扭矩M3拉压力转子正常工作时作用在定子上的拉、压力F1(上提、下放时)；抽油杆作用在油管上的摩擦力F2；管柱自重F3；外加管柱拉、压力F4；液体向上流动产生的摩擦力忽略；抽油杆自重F5；螺杆泵转子与定子吸附在一块时，上提力F6；有效液柱作用在定子上的力F7。油管受力分析模型一：反扣油管连螺杆泵定子，正扣抽油杆连转子，无锚定工具LxLMMMM))((321713FFFF模型二：扭力作用在防转锚上713FFFF模型三：扭力作用在支撑卡瓦上，其它忽略不计)(34FFF模型四：扭力作用在张力锚上34FFF油管锚定方式及受力分析模型一：轴向自由，周向受扭，扭力的大小与抽油杆扭力计算相同，抽油杆的全部反作用力都作用在油管上，抽油杆工作时，扭力存在。当螺杆泵停止工作时，扭力释放，油管下端螺杆泵处泵定子正转、倒转都有可能，停机的次数越多，正、反转交变的次数越多。转子扭力越大，抽油杆的累计转角越大。油管受扭累计转角计算公式如下：在线弹性范围内，油管在扭矩M作用下，油管长为l，则两横截面间相对扭转角为)(ralGIMlppGIMl180（度/米）油管锚定方式及受力分析模型二：轴向自由、周向锚定型。油管自由悬挂，扭力由防转锚承受，抽油时，抽油杆伸长，油管也随着伸长；抽油杆缩短，油管也随之缩短，杆、管伸缩量与定、转子、油管、抽油杆几何尺寸、材料及举升压差、下泵深度等参数有关。计算方法如下：tqxLEEFL)(3油管锚定方式及受力分析模型三：油管座封时，整个管柱受压，扭力由支承卡瓦承受，作用在套管上。作用力除油管自重外，在顶部还加一个附加力F4。管柱在F3、F4的压力下，使管柱产生弯曲。管柱失稳后产生弯曲，油管弯曲状态(如下图)失稳计算方法如下：22Enncrwcr抽油杆在油管内受力状态在上图a中，抽油杆与油管不接触，当套管弯到一定程度抽油杆开始磨油管，但抽油杆弯曲程度小于油、套管弯曲程度，曲率半径大于套管弯曲曲率半径。在图b中，抽油杆摩擦油管情况取决于油、套管几何尺寸以及油管的失稳程度。套管内径与油管接箍外径比值越大，失稳程度越严重，抽油杆摩擦越严重。在图c中，套管中心线弯曲，油井存在狗腿度。油管失稳后弯曲比直井严重的多，抽油杆摩油管也严重，抽油杆的狗腿度严重地受到套管狗腿度的影响。螺杆泵的工作特性曲线螺杆泵的工作特性影响因素过盈量的影响螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使定、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。因此，过盈量的大小直接影响泵效的高低。转子转速的影响转子的转速决定了螺杆泵的排量，在油井产能允许的条件下，转子的转速越高，排量就越大。但是，转速越高，抽油杆的离心力就越大，抽油杆的弯曲振动就越严重，抽油杆接箍与油管内壁的摩擦力也就随之增大，同时，举升高度也将因沿程损失的增加和定子橡胶磨损的加速而下降。螺杆泵的工作特性影响因素除了上述两个因素之外，还应注意粘度的影响。由于螺杆泵在实际应中用以举升原油，而且常常用于举升稠油，因此，泵在举升过程中的工作特性与举升清水时的工作特性将会有很大差别。一方面，粘度增加使得漏失量减小，有利于提高泵的容积效率和系统效率;另一方面，粘度的增加将使流动阻力增大而降低泵的充满程度和举升高度，泵的容积效率和系统效率也随之降低。同时，泵的摩擦增大将增加阻力扭矩。因此，在实际应用中，应充分注意粘度的影响。螺杆泵的理论排量如下图所示，螺杆任一断面都是半径为r的圆，整个螺杆的形状可看成是由很多半径为r的极薄圆盘组成，这些圆盘的中心O1是以偏心距e绕螺杆本身的轴线O2z一边旋转一边按一定的螺距t向前移动。即圆盘圆心O1的轨迹是螺距为t、偏心距为e的螺旋线。衬套的材料是橡胶，它的断面是由两个半径为r(等于螺杆断面半径)的半圆和两个长度为4e的直线段组成的长圆形，如右图所示。衬套的双线内螺旋面就是由上述断面绕衬套的轴线Oz旋转的同时，按一定的导程T＝2t向前移动所形成的。螺杆泵的理论排量螺杆在衬套中的位置不同时，它们之间的接触点也就不同。当螺杆断面在衬套长圆形断面的两端时，螺杆和衬套的接触为半圆弧线；而在衬套的其它位置时，螺杆和衬套仅有两点接触。由于螺杆和衬套是连续啮合的，这些接触点就构成了密封线，在衬套的一个导程T内便形成一个密封腔室。这样，在沿单螺杆泵的全长上，衬套内螺旋面与螺杆的螺旋面形成了一个个封闭腔室。可见，衬套螺杆副的长度至少为衬套的一个导程，才能形成完整的密封腔。泵每转排量为Tedqp4泵的理论排量为TendQpt5760螺杆泵的容积效率和系统效率泵的实际排量Q与理论排量Qt的比值，称为泵的容积效率，记作ηv，用公式表达为tvQQ泵的容积效率实质上是一个排量系数，它与泵的扬程、转子与定子间配合的过盈量、转子的转速以及举升液体的粘度等参数有关，是一个多变量函数。因此，目前泵的容积效率多用回归分析方法求其具体的表达式螺杆泵的容积效率和系统效率泵的系统效率η定义为泵的有功功率(水力功率)Ph与泵的输入功率Pin之比，即inhPPUIPPinh3-310310lgHQ螺杆泵的扭矩由于螺杆泵的吸大端和排出端存在压差，所以螺杆一衬套副中的液体将对螺杆施加力的作用。同时，定、转子间存在过盈量，将会使定、转子间产生摩擦阻力扭矩。转子有功扭矩PTedMp2定子与转子间的摩擦扭矩)(ofrfrkM螺杆泵的扭矩启动扭矩螺杆泵的空载运转扭矩一般很小，但长时间静止的螺杆泵启动时需要的扭矩却非常大，为空载运转时扭矩的20~30倍，为满载荷工作时扭矩的2~3倍。启动扭矩的大小，与螺杆泵密封线的长度、定转子间的过盈量以及橡胶的硬度和工作压力有关，还与静止时间的长短以及摩擦面的粗糙度有关。级数越多、粗糙度越大、橡胶硬度越高，以及定、转子间过盈量越大、泵的工作压力越高，泵的启动扭矩也就越大。从使用的角度出发，应该尽量减少泵在长时间静止后启动；从设计制造的角度出发，应适当降低橡胶的硬度和过盈量，并选用便转子和定子橡胶摩擦系数较小的涂镀材料。同时，降低转子和定子表面的粗糙度也是十分重要的。螺杆泵的选择螺杆泵的选择，首先应根据油井的产能确定出油井的产量，并确定所用螺杆泵的排量；其次是根据泵的工作特性曲线确定在保证该排量下泵的举升高度大小，并根据油井条件计算出所需泵的级数，同时还要根据需要以及油井的实际条件确定合理的过盈量；最后，根据负载大小选择抽泊杆的材料与规格，电动机以及其它附属部件。螺杆泵的选择转子转速的确定介质的粘度将影响泵的充满系数。当泵旋转时，在泵吸入口处空腔容积逐渐变大，这时，只要有一定的压差液体便可迅速充满空腔。当液体的粘度较大时，其流动性变差，使得充满系数降低从而降低泵的容积效率，并且随着液体粘度的增加，这种影响程度增大。在高含砂油井中，泵的寿命取决于定子橡胶的疲劳强度。由于定子和转子间有一定的过盈量，转子在定子内旋转时定子橡胶将受到周期性地压缩，从而产生摩擦面的温升和疲劳。摩擦面的温升往往可达到比介质温度高几十度，它加速了橡胶分子链的重新组合，使弹性模数减小，从而降低其疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结剂的强度。这个温升值和压缩疲劳随转速的增加而增大。介质的粘度磨蚀条件和定子橡胶的疲劳强度螺杆泵的选择泵级数和定、转子长度的确定级数Z可根据油井实际需要的泵扬程H和单级扬程Hj来确定jHHZ定子和转子的长度由泵的级数和衬套的导程来决定。ZTLs螺杆泵的选择合理过盈量的确定定子和转子间的过盈配合1一定子钢套；2一定子橡胶；3一转子螺杆泵在井下工作时，其总过盈量δ由初始过盈量δo、由热膨胀产生的过盈量δ1、以及由于浸油溶胀而产生的过盈量δ2三部分组成。总过盈量a可根据泵和油井条件估算，δ1和δ2可由实验来确定。这样，便可确定出初始过盈量δo，从而可为设计制造提供依据。螺杆泵抽油合理工况参数分析螺杆泵系统的合理转速螺杆泵转速越高，泵效越高。螺杆泵转速越高，泵的举升压头越高。泵的转速越高，泵的理论排量越大。在压头相同、排量相同的条件下，高转速时扭矩小。有利因素不利因素螺杆泵转速提高，增加螺杆泵定转子的磨损。转速越高，定、转子之间的扭矩增加，整个抽油系统的负荷上升。螺杆泵转速大，抽油杆与油管的摩擦力增大，加剧油管、抽油杆的摩损。螺杆泵转速提高，杆管系统受力的疲劳程度增加。地面驱动装置受力条件变差，电机功率变大。螺杆泵抽油合理工况参数分析螺杆泵系统的合理电机功率电机驱动功率应考虑螺杆泵光杆所需实际功率，也就是正常工作时的功率。正常工作时的启动功率，一般电机的启动电流是电机正常电流的三倍，为了保证在电机启动时不烧电机，应留有保险系数。螺杆泵停泵，用防反转止动，扭矩不释放，再启动电机时，实际是满载启动，这时启动扭矩较大。考虑上述因素后，电机功率不能取的太小，以免特殊情况时会烧电机。若选择电机过大，电机在工作时利用率太低，电机效率低。另外，油井启抽时多数泵抽压差较小，负荷较小，综合各种因素考虑，选择电机功率应是正常工作时功率的1.5~2倍。螺杆泵抽油合理工况参数分析合理沉没度的确定螺杆泵抽油沉没度是螺杆泵抽油系统的一个重要参数，沉没度过高，影响油井产量。若控制的过低，影响泵的吸入状况，使泵效降低。螺杆泵定子橡胶发热，定、转子间的摩阻增大，使抽油系统工况变差，螺杆泵定子破坏加快。100沉沉＝LPPc螺杆泵抽油合理工况参数分析螺杆泵的合理压头螺杆泵的压头，由单级承压能力和级数决定举升流体所需压头在正常抽油系统中，螺杆泵应该有剩余压力谢谢，再见！