（机械工程专业论文）水力驱动井下双螺杆泵设计及参数匹配.pdf

， p - - 。i ? d o w n h o l et w i n - - s c r e wp u m p at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a oz h o n g h a o s u p e r v i s o r ：p r o f l iz e n g l i a n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) ， _ ， 一、 +r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鱼j 主选日期：洳1 1 年箩月岁护日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：查臼邋 指导教师签名： 主壹瞄1 日期：抽1 1 年爹月；d 日 日期：f1 年彩月7 日 - t j 摘要 目前，斜井、定向井和水平井的石油开发应用越来越广泛，常规采油装置已无法完 全适应。同时随着油气田开发的不断进行，各种疑难工况井( 深井、稠油井、高含气井) 越来越多。为了适应这些复杂工况井的开发，经过本文的研究，我们开发了一种新型的 井下石油开发工具水力驱动井下双螺杆泵。 首先，本文分析了水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统内工作流体的流动过程，详 细概述了油流流入井动态、产出液井筒多相流动和动力液圆管轴向流动的具体计算过 程。为进行井筒多相流动计算，重点介绍了定向井井身剖面设计和流体物性参数的计算 方法。 其次，本文对双螺杆泵螺杆转子型线和涡轮马达叶片型线进行了分析研究，分别给 出了程序实现和实体造型方法以及双螺杆泵基本参数的计算公式，研究了涡轮马达的基 本工作原理和能量转化过程。在此基础上，利用节点系统分析方法对水力驱动井下双螺 杆泵采油生产系统进行了匹配设计计算，编制了匹配计算流程并依此开发了采油生产系 统的匹配计算软件。 第三，本文选择了井下双螺杆泵集中止推的结构设计方案，划分井下机组为六个子 模块并依次对各子模块进行了具体结构设计，重点介绍了涡轮止推模块和泵止推模块的 新型止推设计，同时对关键零部件进行了设计计算和强度校核。 最后，本文进行了水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统动力液循环系统的方案对 比，设计了采油装置的四种不同井下安装型式并比较了各自优缺点，详细论述了开式循 环套管固定式和开式循环套管自由式采油装置的具体工作原理。 关键词：水力驱动井下双螺杆泵，型线，匹配计算，软件，结构设计，采油工艺 d e s i g na n dp a r a m e t e rm a t c h i n g o nh y d r a u l i cd r i v e n d o w n h o l et w i n - s c r e wp u m p z h a o7 h o n g h a o ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz e n g l i a n g a b s t r a c t n o wo i ld e v e l o p m e n to nd e v i a t e dw e l l ，d i r e c t i o n a lw e l la n dh o r i z o n t a lw e l li sb e c o m i n g a p p l i e dw i d e l y , a n dc o n v e n t i o n a lr e c o v e r yd e v i c e sh a v eb e e nu n a b l et of u l l ya d a p tt h en e w r e q u e s t s a tt h et i m ea l o n gw i t ht h eo n g o i n gg a sf i e l dd e v e l o p m e n t , k i n d so fd i f f i c u l t c o n d i t i o nw e l l s ( d e e pw e l l ，h e a v yo i lw e l l ，h i ：g h - g o rw e l l ) a r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i n o r d e rt oa d a p tt h ed e v e l o p m e n to ft h e s ec o m p l e xc o n d i t i o nw e l l s ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i s p a p e r , w eh a v ed e v e l o p e dan e w d o w n h o l eo i ld e v e l o p m e n tu n i t - h y d r a u l i cd r i v e nd o w n h o l e t 聊i n - s c r e wp u m p t f i r s t , f l o wp r o c e s so fw o r k i n gf l u i di n s i d eh y d r a u l i cd r i v e nd o w n h o l et w i n s c r e wp u m p o i l p r o d u c t i o ns y s t e m i s a n a l y s e d , a n d t h es p e c i f i cc a l c u l a t i o np r o c e s s e s0 ni m q o w p e r f o r m a n c e ，w e l l b o r em u l t i p h a s ef l o wa n dp i p e a x i a lf l o wa r es u m m a r i z e di nd e t a i l d i r e c t i o n a lw e l lp r o f i l ed e s i g na n df l u i dp h y s i c a lp a r a m e t e rc a l c u l a t i o na l ee m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e dt oc o m p l e t ew e l l b o r em u l t i p h a s ef l o wc a l c u l a t i o n s e c o n d , s c r e wr o t o rl i n eo ft w i n - s c r e wp u m pa n dt u r b i n em o t o rb l a d ep r o f i l e a r e r e s e a r c h e d ，t h em e t h o d so fs o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o na n ds o l i dm o d e l l i n ga n dc o m p u t a t i o n a l f o r m u l a so ft w i n s c r e wp u m pb a s i cp a r a m e t e r s 缸eg i v e nr e s p e c t i v e l y , a n dw o r k i n gp r i n c i p l e a n de n e r g yc o n v e r s i o np r o c e s so ft u r b i n em o t o ra r ea l s or e s e a r c h e d t h i r d ，s t r u c t u r ed e s i g ns c h e m e ( d o w n h o l et w i n s c r e wp u m pc o n c e n t r a t e dt h r u s t ) i s e m p l o y e dmt h i sp a p e r , u n d e r g r o u n du n i t s a r ed i v i d e di n t os i xs u b m o d u l e sw h o s ec o n c r e t e s t r u c t u r e sa r ed e s i g n e d t u r b i n et h r u s tm o d u l ea n dp u m pt h r u s tm o d u l ea r ei n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l y , a n dd e s i g nc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t hc a l i b r a t i o no fk e yc o m p o n e n t sa r ea l s o g i v e n l 钺；l d y n a m i c f l u i d c i r c u l a t i o n s y s t e m s c h e m e so fh y d r a u l i cd r i v e nd o w n h o l e ；i t w i n s c r e wp u m po i lp r o d u c t i o na r ec o n t r a s t e d , f o u rd i f f e r e n td o w n h o l p r o d u c t i o nu n i th a v eb e e nd e s i g n e da n da r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h w o r k i n gp r i n c i p l e so fo p e nc y c l ec a s i n gs t a t i o n a r ya n do p e nc y c l e p r o d u c t i o nu n i t sa r ed e t a i l e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i c d r i v e nd o w n h o l et w i n s c r e w p u m p ， c a l c u l a t i o n , s o f t w a r e ，s t r u c t u r a ld e s i g n , p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ， i 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外发展现状分析3 1 3 本文的主要研究内容和需解决的技术难点4 1 3 1 主要研究内容4 1 3 2 需解决的关键技术难点5 1 4 本文拟采取的研究方法和技术路线5 1 4 1 研究方法。5 1 4 2 技术路线5 1 5 本文研究的创新性和可行性6 1 6 本文的研究成果6 第二章工作流体的流动分析7 2 1 油流入井动态分析一7 2 2 井筒多相流动分析：9 2 2 1 定向井井眼轨道设计计算9 2 2 2 流体的物性参数。1 4 2 2 3 定向并环空多相管流的b e g g s - b r i li 方法1 7 2 3 单相流动分析2 4 第三章水力驱动井下双螺杆泵的参数设计及匹配计算2 7 3 1 双螺杆泵转子型线和基本参数计算2 7 3 1 1 双螺杆泵转子型线方程的建立和三维建模2 7 3 。1 2 双螺杆泵基本参数计算3 1 3 2 涡轮马达叶片型线设计及工作原理分析3 3 3 2 1 涡轮马达叶片造型设计。3 3 3 2 2 涡轮马达的工作原理及能量转换3 9 3 3 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统节点系统分析4 1 3 3 1 节点系统分析方法4 1 3 3 2 水力驱动井下双螟杆泵采油生产系统的节点分析4 2 3 4 水力驱动井下双螺杆泵的匹配设计计算4 4 3 4 1 采油生产系统的结构示意及工作原理4 4 3 4 2 水力驱动井下双螺杆泵的设计计算步骤4 5 第四章采油生产系统匹配计算软件的开发5 0 4 1 采油生产系统匹配计算软件的编制5 0 4 1 1 匹配计算软件开发的基础5 0 4 1 2 匹配计算软件的功能介绍5 0 4 2 匹配软件的模块介绍和操作方法5 1 4 2 1 定向井井身剖面设计模块5 2 4 2 2 参数设计计算模块5 5 4 2 3 流动分析模块5 8 4 2 4 匹配设计模块6l 4 2 5 附加辅助模块6 3 4 3 匹配软件的应用举例。6 4 第五章水力驱动井下双螺杆泵的结构设计6 6 5 1 水力驱动井下双螺杆泵的设计方案。6 6 5 1 1 涡轮马达模块设计6 7 5 1 2 涡轮止推模块设计6 8 5 1 3 中间联轴机构设计7 0 5 1 4 同步齿轮模块设计。7 3 5 1 5 单级泵模块设计7 3 5 1 6 泵止推模块设计7 5 5 2 主要零部件的设计计算及强度校核7 7 5 2 1 泵轴的设计校核7 7 5 2 2 涡轮轴的设计校核8 0 5 2 3 渐开线花键的校核计算8 1 5 2 4 同步齿轮的设计计算。8 2 第六章水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的采油工艺研究8 5 6 1 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的组成及工作方式8 5 6 2 水力驱动井下双螺杆泵采油装置的井下安装型式8 8 6 3 水力驱动井下双螺杆泵采油装置的工作原理9 0 6 3 1 开式循环套管固定式9 0 6 3 2 开式循环套管自由式9 1 结论9 4 参考文献。9 5 9 9 1 0 4 1 0 5 1 1 本文的研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 进入二十一世纪以来，科学技术发展迅猛，能源需求日益紧张，能源供应的安全保 障迫使各国及石油公司极为重视石油开发的研究和投入，各种新型钻井技术应运而生， 其中定向钻井技术作为一种新型钻井方式，因其自身在采油领域的特定优势，在钻井技 术领域独树一帜。定向钻井技术的发展带动了相关技术的进步，使其满足各种不同类型 的油气开发，并根据自身的钻井轨迹类型形成了独自的分支领域，诸如水平井和丛式井 等。定向钻井应用有如下方式：待开发油气层的地面不宜于作为钻井现场；海洋油气开 发或地形复杂区域；油气层区块附近地层不利于穿越；研究勘探地形；改善已开发油气 区块的产量等。现在海洋平台钻井多采用定向钻井技术，尤其可以应用丛式井组的开发， 可以提高海洋平台的综合开发效能，实现采油生产系统的简化，以及降低海洋石油开发 综合成本【1 3 】【5 1 。目前，作为一种成熟的钻井技术，定向钻井已经经过验证可以为陆地和 海洋的油气资源开发提供一条新途径，但研究开发适应于定向井油气开发的采油装置已 显得明显不足。为此，为了紧随钻井技术的发展，研究适合于定向井油气开采的生产系 统迫在眉睫。 同时伴随油气田的持续开发，开采深度越来越大，原油物性越来越差，原油黏度增 大、含砂量增多以及含气量增大给常规采油技术带来了巨大难题，常规技术已不能满足。 复杂工况的开发【4 】。因而，面临现在出现的各种复杂井况，研究新型的采油装置和配套 采油工艺成为石油开发的发展新趋向。 因此，开发一种既能满足斜井、定向井和水平井油气开采又能保证适应各种疑难工 况井的采油工艺成为一大难题。本实验室有多年的螺杆式水力机械设计经验，认为螺杆 泵采油系统可以适用于上述工况。单螺杆泵内含橡胶材料，不适于高温工况，很大程度 上限制了它的最大下泵井深，而双螺杆泵则不存在此种情况，实施可行性较大。故井下 双螺杆泵采油生产系统的研发为定向井开采展现了一种新工艺。 1 1 2 研究意义 定向钻井技术无论是在石油的科学勘探还是钻采工程实践中应用较广，已是石油开 发的主流趋势。同时，科学技术的进步带动了各种高新技术发展，诸如井身轨道控制、 第一章绪论 导向钻井技术等，水平井钻井技术已成为独立于定向钻井领域的新方向【1 捌j 目前来说，人工举升系统的设计研发与应用研究已相当成熟，然而它并不能完全适 用于定向井的开发，只在斜直井中有所应用【6 】。在有杆采油装置开发斜井、定向井时， 油管沿井眼轨迹变形，抽油杆因受力关系发生弯曲与油管发生接触摩擦。摩擦作用一来 产生不必要的系统消耗，增加了系统成本，二来增加了事故风险，例如管漏和断杆事故 等 7 1 。为此，我们重点研究无杆泵采油方式电潜泵和井下驱动螺杆泵。两者对比发 现，后者优势明显【8 】： ( 1 ) 可以开发非常规油气层，对于各种复杂井况下的油气开发适应性较强； ( 2 ) 无气锁现象，可以破乳； ( 3 ) 输送无迟滞，压力脉动小。流动稳定，测量方便。 对比之后，选用适应性更强的井下驱动型螺杆泵采油系统。最近2 0 年来，螺杆泵 在油气开发中得到了广泛应用，配套技术和相关采油工艺已相当全面，并不断有新的技 术突破。因其所具有的采油优势，螺杆泵应用于采油技术领域在油田开发中已占有相当 大比例。其具体的优势有： ( 1 ) 初始投入成本较少。与其他采油装置对比而言，原理及构造相对简单、成本 低廉。 ( 2 ) 主要机组集中在井下，地面机组设备简单，安装和调节方便、快捷。 ( 3 ) 效率较高、省电、成本低。螺杆泵工作时输送地层产液平稳，无惯性损失， 是机械采油装置里系统效率较高的类型之一。 ( 4 ) 能够满足稠油井和高含气井的开发。可输送粘度高的原油，亦可实现油气混 输，但含气量过大会影响泵效。 ( 5 ) 井口回压高。正常作业下，高井口回压可提高较远距离油井的油气输送而不 另外配置增压装置。 ( 6 ) 宜作为海洋平台定向井采油装置。 螺杆泵应用于石油开发主要集中于单螺杆泵采油系统的研究开发。单螺杆泵虽有较 大的采油优势，但因自身存在不可避免的缺点，在使用时也受到了限制。其不足之处如 下： ( 1 ) 定子由橡胶制作，易受到破坏。当定子发生损坏后，需对泵进行检查和维修。 一旦检修次数增多，运行成本自然随之增加。 ( 2 ) 不允许泵自身干转，需液体润滑。干转产热会导致定子老化，严重时甚至会 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 损坏。 ( 3 ) 不能应用于注蒸汽作业。高温会使定子橡胶损坏。 ( 4 ) 允许转速低，在泵结构确定后，所能实现的最大产量也就确定。 ( 5 ) 定、转子之间的摩阻大，所需启动力大，泵效低【9 】。 单螺杆泵应用的缺陷为我们研究双螺杆泵采油生产系统提供了一个契机。双螺杆泵 有双螺杆转子组成，无定子橡胶，避免了许多应用限制，在许多场合可以替换单螺杆泵 用以完成油气开发，并可以完成单螺杆泵不能完成的采油任务。井下双螺杆泵采油生产 系统的研究主要集中于电潜双螺杆泵和水力驱动井下双螺杆泵。考虑到电潜双螺杆泵采 油装置存在潜油电机和电缆的耐温性要求以及泵起下安装问题，严重限制了它的下泵深 度和使用效果。因此，我们重点针对水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统进行设计研究。 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的设计研究，既可以解决斜井、定向井和水平 井的油气开发问题，而且也适应于稠油井、高含气井等复杂井况，同时除拥有井下螺杆 泵采油系统特点外，还具有独特优势。因此，对水力驱动井下双螺杆泵的研究具有极其 重要的现实意义，并为螺杆泵采油技术的发展添上了重要的一笔。 1 2 国内外发展现状分析 自从上世纪2 0 年代螺杆泵问世以来，其在工业应用中大放异彩，得到了大力推广 和应用。在相当一段时间内，欧美各国非常重视螺杆泵的研究与应用，并将其引入很多 工业应用领域，其中也被用作地面油气混输装置。上世纪8 0 年代初，k o i s & m y e r s 公司 首次提出单螺杆泵应用于石油开发的设计理念，开发设计了单螺杆泵采油装置并将其作 为研究成果引入工业利用。螺杆泵的结构设计简单，操作方便，应用领域广阔。其中， 双螺杆泵因自身特点在船舶、石化领域以及工程机械中应用较广。现在一些欧美国家都 在研究开发双螺杆泵，并占据了世界双螺杆泵市场的大部分比例，例如德国鲍曼公司、 美国i m o 公司等【9 1 引。 就现在石油行业油气混输装置来言，各种类型的混输装置都已自成体系，市场供应 齐全。其中，双螺杆泵作为混输装置受到了欧美各大石油公司的青睐，相继投入研发， 并在现场试验中取得了良好效果。德国的鲍曼公司从开始研制、试验到实际应用花费了 不到十年时间，其产品已在油气混输领域应用甚广，尤其作为海洋油气传输装置。应用 于水下的多相混输泵也在开发研究，多种型号泵在多个国家取得良好应用。l e i s t r i t z 公 司生产的双螺杆多相泵也已在多个国家应用，它可提供的结构尺寸选择范围大，排量上 3 第一章绪论 限高，允许含气量大。欧美石油公司对于双螺杆多相泵的设计研究已处于垄断阶段，就 可搜索到的文献资料甚少提及详细设计细节，对泵内流体流动机理、增压过程研究、泄 露间隙研究以及转子结构设计等相关机密研究很少涉及，大多热衷于研究进展和试验验 证的追踪【1 9 。2 6 】。 双螺杆泵应用于石油开采最早是由加拿大c a n k 公司在本世纪初研究开发并成功 制造出来的，其按照驱动方式的不同分为了地面驱动井下双螺杆泵和电动潜油井下双螺 杆泵两种类型。现在c a n k 公司同贝克休斯签订了合作意向，目的在于验证双螺杆泵 采油系统的可行性。作为一种新型的采油技术，关于此种方案设计的详细资料报道甚少， 采油生产系统的结构设计方案和工作性能分析更是无从查找【2 7 】。 螺杆泵虽然在我国的应用研究相对来说较晚，但发展快速，其理论研究和现场应用 己相当成熟。各种类型的螺杆泵应用装置虽已在油田现场得到应用和发展，但同国外研 究发展相比，还是具有一定的滞后性。伴随油田开发的进行，出现了各种类型的井况， 例如边远油田、海上平台采油等，油气混输装置的研究应用成为重要研究发展方向【2 0 1 。 国外在这方面已有产品成型，但我国还处于产品进口和技术引进阶段，在双螺杆多相泵 的理论研究、试验测试和数值模拟方面存在不足，与国外同类产品具有相当差距。 目前，国内对于井下双螺杆泵的研究开发仅仅处于初步探索阶段，除中国石油大学 ( 华东) 机电工程学院对地面驱动井下双螺杆泵在结构和特性方面进行了一定的理论和 实践研究外，至今在国内尚无这方面的具体报道。此外，石油大学( 华东) 单螺杆式水 力机械科研组开发的石油大学( 华东) 型液动式单螺杆泵装置在设计方法上可以对此种 泵的设计提供一定的理论指导。然而，国内还处于初步研究和探索阶段，同国外相比差 距明显，还需做进一步的努力和探究。 1 3 本文的主要研究内容和需解决的技术难点 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 进行水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的参数设计及匹配计算； 分析水力驱动井下双螺杆泵采油系统的系统组成，探讨工作流体流动过程；进行井 下双螺杆泵和涡轮马达的参数设计并初定结构设计相关尺寸；运用节点系统分析方法对 采油生产系统进行动力匹配计算，协调井下双螺杆泵、涡轮马达和地面动力机组三者之 间的能量传递关系；利用v b 语言编制采油系统的动力匹配计算软件。 ( 2 ) 完成水力驱动井下双螺杆泵井下机组的结构设计工作； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在完成采油生产系统的动力匹配之后，即可得到详细的井下机组结构设计参数。由 此开始进行井下机组的结构设计，完成井下双螺杆泵模块、涡轮马达模块和中间传动机 构的结构设计，并对其中关键零部件进行设计计算和强度校核。 ( 3 ) 进行水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的采油工艺研究； 探究水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的系统工作流程，选择动力液的工作方 式，设计泵装置的井下安装型式，依此制定出4 种起下井工艺流程，同时探讨其具体工 作原理。 1 3 2 需解决的关键技术难点 ( 1 ) 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的动力匹配计算及其软件开发； ( 2 ) 水力驱动井下双螺杆泵井下机组装置的结构设计； ( 3 ) 水力驱动井下双螺杆泵井下机组装置工作主轴上轴向力平衡与止推设计以及 径向力扶正设计； ( 4 ) 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统泵装置的起下井作业研究。 1 4 本文拟采取的研究方法和技术路线 1 4 1 研究方法 作为一项创新性较强的研究课题，本文针对所要追求妻勺研究暑# ，弩率o ! 咿隹、 整理和归纳、成熟技术理论拓展以及结构创新设计的综合研究思路。对有些成熟技术直 接转化利用，对有些需独立设计部分进行大胆创新，不拘泥于常规的设计思维模式。 1 4 2 技术路线 在掌握井底动力钻具和双螺杆泵的工作机理与结构设计基础之上，进行井下液力马 达和井下双螺杆泵的组合设计，依据井下工作环境进行中间传动联接设计，初步完成整 个水力驱动双螺杆泵的概念设计。分析水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的工作原理 和流体流动过程，进行采油生产系统的参数设计和动力匹配，可以得到泵和马达的工作 和结构设计参数，同时利用v b 语言进行程序编制实现采油生产系统的动力匹配自动化。 在动力匹配之后，得到采油生产系统井下机组结构设计的详细设计资料，从而据此得以 完善井下机组的结构设计。在此之后，即可对井下机组装置的井下安装方式和起下井工 艺进行设计，从而完成整个采油生产系统的采油工艺流程分析。 5 第一章绪论 1 5 本文研究的创新性和可行性 ( 1 ) 创新性。双螺杆泵应用油气开发的设计理念提出至今十年有余，关于此种类 型泵的设计研发也只是出于初步研究探索和现场试验认证，国外未见实际推广应用的相 关报道，国内更是研究甚少。同时，国外的研发工作也大多集中于井下潜油电机驱动和 地面动力驱动两种驱动模式，而本文所提出的液力驱动形式也是甚少提及。液力驱动型 井下双螺杆泵的设计开发无疑开辟了现代石油工业采油装备开发的新天地。因其自身独 特的采油特性，相信随着相关配套技术的突破和完善，它的应用必将得以实现。 ( 2 ) 可行性。首先，单螺杆泵应用于油田开发工作已非常成熟，理论研究业已成 型，产品体系业已完善；双螺杆油气多相混输泵也在进行设计研究阶段。其次，由中国 石油大学( 华东) 机电工程学院主导的石油大学( 华东) 型液动式单螺杆泵在8 0 年代 即已得到现场应用，设计经验可供参考。而且，现有井底动力钻具的设计可以为我们进 行井下涡轮马达的设计工作提供重要技术支持。而且，本实验室多年来一直致力于螺杆 式水力机械的设计研发工作，设计经验丰富，对流体机械工作理论的研究比较深入。以 上的诸多有利条件都为本研究的顺利完成做了重要铺垫，并为此种泵的研制成功提供了 重要保障和理论指导。 1 6 本文的研究成果 ( 1 ) 完成水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的参数设计和动力匹配计算，并开 发一套完整的动力匹配计算软件，为今后水力驱动井下双螺杆泵的参数设计和结构选型 提供设计依据； ( 2 ) 完成水力驱动井下双螺杆泵井下机组的结构设计研究以及重要零部件的设计 计算和强度校核，实现机组的模块化结构设计以期达到根据实际井况可以方便调节模块 组合的目的； ( 3 ) 完成了水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统的采油工艺研究，针对不同的井 下安装方式制定详细作业流程，并拟定出具体工作原理。 ( 4 ) 申请发明专利一项，发表学术论文一篇。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章工作流体的流动分析 水力驱动井下双螺杆泵采油生产系统作为一种新型的井下石油开采系统，其新颖性 在于：此系统有别于传统的有杆驱动和电潜驱动，而是利用了井下液力能量转换驱动的 全新模式。整个采油生产系统工作过程中，首先是动力液下输到达液马达处，能量转换 后进入马达出口；其次是地层液在地层压力作用下由地层渗流到井底，并沿井筒到达双 螺杆泵入口；最后泵开始工作，地层产出液在泵的作用下由泵入口向上增压至泵出口处， 在与乏动力液交汇后一起被举升到地面。整个井下流体流动过程可以大致分为四个子流 动过程：油层一井底、井底一双螺杆泵入口、双螺杆泵出口一地面、井口一液马达入口。 此四个子流动过程分析亦即：油流入井动态分析、井筒多相流动分析和单相流动分析。 流动分析作为举升系统设计的工作基础，本文在后面的匹配计算过程中为了协调地面动 力机组、井下动力转换机组和井下工作机组三者的能量传递关系，必须要涉及到工作流 体的流动分析。因此，本章着重介绍了各个流动过程的流动分析计算方法。 2 1 油流入井动态分析【2 8 1 地层产出液因井底流动压力与饱和压力的关系j 分为了油气两相流和油气水三相流 两种情况。随着油气开采的进行，井底流动压力发生变化，产出液饱和状态亦发生变化， 为此，选择适用于油气水三相流的p e t r o b r a s 方法进行油流入井动态分析。 ( 1 ) 采液指数 得出测试点悃) 、g f ) 、饱和压力见及油层压力b 。 若( 蝌) 岛，则以= 坐l 。p r p w f 【t 喇、 若p 盯( 枷) p b ，因 吼f ，+ ( q o 。, - q b ) i1 0 - 2 ( 她) 一0 8 ( 她) 2i l 见见 j g 咖= 以( n 一( 枷) ) 其中 吼= 以( 岛一死) 7 第二章工作流体的流动分析 则有 z = 吼懈= 吼+ 告 吼一2 吼一+ 兀( p ，一号尹t a n z n n n l v ! ：望旦坚上n1 ，v ，1 一，、n 一1 上 q 1 一q n 、，0 9 9 9 q 。一9 6 扣而再李赢( 1 一无) ( 所一岛+ 嚣彳) + 丘( b 一所) ) 彳：i 一0 2 ( 丝盟) 一0 8 ( 丝哟2 ( 2 ) 井底流压 若o 吼 q b ，有 肋2 万一暑 若9 6 g f g o 一，有 - - ( 1 一无) ( o f ，) + 兀( ) 用组合伊r 曲线计算： p w ( o a ) = o - 1 2 5 p b - l + 8 1 - 8 0 ( q - q b ) 又 则： 肋c 删2 万一宝 p ，矿= 兀c 万一等) + 0 1 2 5 0 - f ) p , 一+ 8 1 - 8 0 ( q - q b ) 若g 。一 q ， g f 一，则综合腓曲线的斜率可近似为常数。由于 盟l ：业 m t g r 划o h j 、 8 式中 p ，：一p w f g ，：j l p rq o m 强 彳、b 、c 的取值看图2 - 1 所示。 倾斜角p abc o1o 20 8 1 5 0 9 9 9 8o 2 2 1 00 7 7 8 3 3 00 9 9 6 90 1 2 5 40 8 6 8 2 4 50 9 9 4 60 0 2 2 10 6 6 3 0 6 00 9 9 2 60 0 5 4 91 0 3 9 5 7 50 9 9 1 50 1 0 0 2 0 8 2 9 8 50 9 9 1 5o 11 2 01 0 9 4 2 8 5 5 6o 9 9 1 4o 11 4 11 0 9 6 4 9 00 9 8 8 50 2 0 5 51 1 8 1 8 2 2 井筒多相流动分析 图2 - 1 彳、b 、c 数值 f i 9 2 - 1n u m e r i c a lv a l u e so f a ba n dc 2 2 1 定向井井眼轨道设计计算【2 9 】 定向井应用日益广泛，定向井的井眼轨道设计是定向井设计的基础。此处，我们采 用常规二维定向井轨道设计进行设计计算。 ( 1 ) 定向井的井眼剖面选择 定向井井身剖面型式有三段式、多靶三段式、五段式和双增式。此处仅对三段式和 五段式两种型式进行计算。三段式和五段式剖面型式的构成如图2 2 。 9 第二章工作流体的流动分析 剖面型式构成井段 三段式直井段、增斜段、稳斜段 五段式直井段、增斜段、稳斜段、降斜段、目标段 图2 - 2 剖面型式构成 f i 9 2 - 2c o m p o s i t i o n so fp r o f i l et y p e s 图2 - 3 三段式井身剖面 f i 9 2 3b o d ys e c t i o no f 3 - s e c t i o n a lw e l l s 1 0 图2 - 4 五段式井身剖面 f i 9 2 - 4b o d ys e c t i o no f5 - s e c t i o n a lw e l l s ( 2 ) 计算参数给定 1 ) 条件给定：井身剖面计算需先知某些参数，从而继续设计参数的推导。给定条 件参看表2 】所示。 其中 表2 - 1 给定条件 t a b l e 2 1g i v e nc o n d i t i o n s 轨道类型给定的条件关键参数 三段式 d t 、s t 、d 咖、k ：、吨 五段式 d t 、s t 、d 唧、k ：、a t 、曲嗍、k nq 旷 口设计垂深，m ；s 水平位移，m ； k 造斜段的造斜率，( 0 ) 3 0 m ： 第二章工作流体的流动分析 k 降斜段的造斜率，( 。) 3 0 m ；a t 目标段井斜角，( 。) ； 以。目标段长度，m ；稳斜段井斜角，( 。) ； 蛾，稳斜段长度，m 。 由k 、k ，继而得出曲率半径恐、r ：r = 1 7 1 9 k 。 2 ) 关键参数 针对不同的剖面型式，关键参数推导方式有所差别。 三段式剖面型式计算如下 q = 口一 s e = s t 疋= 疋 峨，= ( 皿2 + 足2 - 2 r , - 疋) 0 5 a b = 2 a r c t a n ( d 一蛾，) ( 2 恐一疋) 】 五段式剖面型式计算如下 皿= d ，一+ 毛s i n a , = s + r ( 1 一c o s a , ) 足= 疋+ r 吨，= ( 砬2 + 最2 - 2 r 。s , ) n 5 a b = 2 a r c t a n ( d , 一蛾。) ( 2 疋一疋) 】 ( 3 ) 剖面设计及结果显示 由上面给定的己知参数和计算得出的相关参数，由此得出剖面分段的段长、垂增、 平增三个量。计算如下： 直井段：给定 增斜段： a d z = 足s i n a b 1 2 a d = 民( s i n a , 一s i n a , ) 蝇= 民( c o s c o s a 6 ) 蛾，- r ( 一q 沙1 8 0 目标段：目标段已知的参数是见。 蛾= 蛾。c o s a t a s = 缸ks m a , 代入相关参数并计算完成后，可以将计算结果显示于表中，用来进行观察剖面结构 和定向井井身剖面设计程序的编制。下面以五段式设计结果为例，如表2 2 所示。 表2 - 2 五段式剖面型式计算 t a b l e 2 - 2c a l c u l a t e dr e s u l t so f5 - s e c t i o n a lp r o f i l et y p e 垂直 井段增斜段稳斜段降斜段 目标段 段 井斜 角 o o q b a t 卜 垂增 d a d wa d a d m m 垂深 d 却+ 丝+ 避+ 蛾+ 妲+ 蛾+ 鸲+ 妲+ 蛾+ 峨+ a d m m 平增 o a s a s w签na s m 第二章工作流体的流动分析 平移 o丛 丛：+ s 。丛：七怂w + 黛n缝：+ s w + s n + 厶s m m 段长 蛾：曲。峨，蛾。 m 井深 d 唧七d 憾d 唧+ d m ：+ 峨+ 蛾。 d b p + 曲犯 m 七幽撇+ 峨，+ 峨研+ 蛾，+ a d m 。 2 2 2 流体的物性参数【3 1 】 ( 1 ) 溶解油气比足( 溶解气系数) 6 8 9 5 k p a 表压下，相对密度( 天然气) 公式： 名= r g 1 + 5 9 1 2 x 1 0 - s ( 半) ( 1 8 5 t + 3 2 ) l g ( 0 0 0 1 2 6 5 p ) 其中：名叫8 9 5 k p a 表压下，相对密度( 天然气) ； 名一定压力、温度时的相对密度( 天然气) ； 乞标准状态相对密度( 原油) ； f 温度，o c ； p 压力( 绝对) ，k p a 。 有r , = 0 1 7 8 1 g r g , ( o 1 4 5 0 p ) ge x p c 3 】) c 1 、c 2 、c 3 见图5 。 系数乞0 8 7 6 2 0 8 7 6 2 q 0 0 3 6 20 0 1 7 8 吒 1 0 9 3 71 1 8 7 吒 2 5 7 2 42 3 9 3 1 图2 - 5 c l 、c 2 、c 3 取值 f i 9 2 5n u m e r i c a l v a l u e so fc l c 2a n dc 3 1 4 ( 3 ) 水的体积压缩系数瓦 吃： 天然气仅略溶于水。通常多相流的计算对于气在水中的溶解未予考虑。此时，可视 水的体积恒定，令玩= 1 。 ( 4 ) 天然气的压缩系数z g 若 3 5 m p a ，z g 计算如下： 纠+ ( 0 姗6 一丁1 0 4 6 7 一半脚彤5 3 一下0 6 1 2 3 + 半 已知c