（机械工程专业论文）水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计研究.pdf

摘要 随着全球经济的迅猛发展，资源的需求量日益增大，被誉为三大能源之一的 石油资源更是需求紧张，寻求经济有效的开发石油资源的方式已成为当前油田开 发的主题。而注水驱油的多次采油模式可以有效的保持油层压力、补充地层能量， 可以使采收率提高1 0 2 5 ，已成为当今油田的主要开发方式。其中，分层注 水技术实现了油层内细分开采，并在中低渗透层挖潜、稳油控水方面具有显著优 势，成为注水开发油田的重要措施。 本论文提出了一种新型分层注水技术，即水力驱动式单螺杆泵分层注水技 术，该技术是将水力驱动单螺杆泵装置应用到分层注水中，通过能量的合理转换， 达到配注的目的，降低了能量损失，具有高效节能的特点。 首先，介绍了水力驱动式单螺杆泵分层注水系统的设计方案、工作原理、结 构组成以及主要装置的结构和作用；利用节点系统分析方法对系统进行了节点分 析，并根据已知数据及能量守恒原理进行了井下机组的匹配计算，总结出一套匹 配计算的流程和方法；提出了三种不同的匹配方案并做了对比分析。然后，根据 其中一种匹配方案的计算数据，进行了井下机组的结构设计，包括单螺杆马达总 成、软轴、空心轴、止推轴承组、扶正轴承、单螺杆泵等，并运用s o l i d w o r k s 软件对井下机组进行了三维建模，采用a u t o c a d 软件绘制了相应构件的二维图 纸；校核了软轴的静强度和疲劳强度、花键的强度，计算了止推轴承组的寿命， 并基于有限元分析软件a n s y s 分析了空心轴的静强度、疲劳强度。最后，根据 井下机组的匹配流程，利用v i s u a lb a s i c 语言编制了水力驱动式单螺杆泵分层注 水系统井下机组设计及匹配软件。本论文的研究内容为以后该系统的应用提供了 一定的理论基础。 关键词：水力驱动，单螺杆泵，分层注水，匹配，设计，软件 d e s i g na n dr e s e a r c ho ns e p a r a t el a y e r w a t e ri n je c t i o ns y s t e mw i t h h y d r a u l i cd r i v e ns i n g l es c r e wp u m p w u h a i y a n ( 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 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a le c o n o m y , t h ed e m a n df o re n e r g yr e s o u r c e si s i n e r e a s i n g ，a n dt h ed e m a n df o ro i lr e s o u r c e sk n o w n a so n eo ft h et h r e em o s ti m p o r t a n te n e r g y r e s o u r c e si se v e nt e n s i o n t os e e kt h ec o s t - e f f e c t i v ee x p l o i t a t i o no fo i lr e s o u r c e sh a sb e c o m e t h et h e m eo ft h ec u r r e n to i lf i e l dd e v e l o p m e n t t h em u l t i p l ep r o d u c t i o nm o d e lo fw a t e r i n j e c t i o no i ld i s p l a c e m e n tc a r le f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h er e s e r v o i rp r e s s u r e ，c o m p l e m e n tt h e f o r m a t i o ne n e r g y , i n c r e a s et h er e c o v e r yb y10 - 2 5 ，a n dh a sb e c o m et h em a i nd e v e l o p m e n t m o d eo fo i lf i e l d s t h et e c h n o l o g yo fs e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o nc a nr e a l i z et h es u b d i v i s i o n e x p l o i t a t i o no fo i lr e s e r v o i r , a n dh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si ns t a b i l i z i n go i l ，c o n t r o l l i n gw a t e r a n dt h ep o t e n t i a lt a p p i n go fm i d d l e l o wp e r m e a b i l i t yl a y e r s s ot h et e c h n o l o g yo fs e p a r a t e l a y e rw a t e ri n j e c t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n te x p l o i t a t i o nm e a s u r eo fw a t e ri n j e c t i o n o i l f i e l d an e w t e c h n o l o g ya b o u ts e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c hi s n a m e dh y d r a u l i c - d r i v e ns i n g l es c r e wp u m pw a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g y a p p l i e st h eh y d r a u l i c - d r i v e ns i n g l es c r e wp u m pd e v i c et ot h es e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o n s y s t e m ，a n dr e d u c e st h ee n e r g y l o s sb yr a t i o n a lc o n v e r s i o no fe n e r g ya tt h es a m et i m em e e t i n g t h e r e q u i r e m e n t s o fw a t e r i n j e c t i o n s oi th a s e n e r g y - s a v i n g a n d h i g he f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c s f i r s t , i ti si n t r o d u c e dt h a tt h ed e s i g ns c h e m e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e c o m p o s i t i o no ft h es e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m 、析mh y d r a u l i c - d r i v e ns i n g l es c r e w p u m p i ti sa l s oi n t r o d u c e dt h a tt h es t r u c t u r ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o no ft h em a i nd e v i c e si n t h i ss y s t e m t h e n ，t h es e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e db yt h em e t h o do f n o d a ls y s t e ma n a l y s i s a n dt h em a t c h i n gc a l c u l a t i o no fd o w n h o l eu n i ti sd o n eb a s e do nt h e e n e r g yp r i n c i p l ea n dk n o w nd a t a a f t e rt h a t ，as e to f m a t c hc a l c u l a t i o np r o c e s s e sa n dm e t h o d s i ss u m m a r i z e da n dt h r e ed i f f e r e n tm a t c hp l a n sa r ep r o p o s e da n dt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i si s d o n et o o t h es t r u c t u r e so fd o w n h o l eu n i ta l ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dd a t ao fo n e m a t c hp l a n , i n c l u d i n gs i n g l es c r e wm o t o ra s s e m b l y , s o f ts h a f t ，h o l l o ws h a f t ，a n t i - t h r u s t b e a r i n gg r o u p ，s t a b i l i z i n gb e a r i n g , s i n g l e8 虻r e wp u m pa n ds oo n t h et h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l so fd o w n h o l eu n i ta r ec o n s t r u c t e db ys o l i d w o r k ss o f h t c a r ea n dt h et w o - d i m e n s i o n a l d r a w i n g sb ya u t o c a ds o f t w a r e t h en e x ts t e pi st oc h e c kt h es t a t i cs t r e n g t ha n df a t i g u e s t r e n g t ho ft h es o f ts h a f t ，c h e c kt h es t r e n g t ho ft h es p l i n e ，c a l c u l a t et h el i f eo ft h ea n t i - t h r u s t b e a r i n gg r o u p ，c h e c kt h es t r e n g t ho ft h eh o l l o ws h a f tu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r eb a s e d0 1 1t h ef i n i t ed e m e n tp r i n c i p l e a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h em a t c h i n gp r o c e s so f t h eu n i t ，t h em a t c h i n gs o f t w a r ei sp r o g r a m m e d , w h i c hi sa b o u tt h em a t c h i n gc a l c u l a t i o no ft h e s e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e c t i o nw i t hh y d r a u l i c - d r i v e ns i n g l es c r e wp u m p t h e r e s e a r c ho ft h i s p a p e rp r o v i d e ss o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d s ：h y d r a u l i cd r i v e n , s i n g l es c r e wp u m p ，s e p a r a t el a y e rw a t e ri i l j e c t i o n ， m a t c h i n g , d e s i g n , s o f t w a r e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着全球经济的迅猛发展，资源的需求量日益增大，被誉为三大能源之一的石油资 源更是需求紧张。因此，寻求经济有效的开发石油资源的方式已成为当前油田开发的主 题。油田开发的关键在于保持油井旺盛生产能力，即保持油田地层压力不变。其中，注 水驱油的多次采油模式可以有效的保持油层压力、补充地层能量，可以使采收率提高 1 0 2 5 ，加之注聚的三次采油工艺，可以使采收率提高5 0 6 0 【m 】。因此，注水采 油已成为当今油田的主要开发方式。为了提高注水效率，缓解油层层间矛盾，油田注水 从早期的笼统注水逐步发展为分层注水、细分层注水和精细注水【3 1 。分层注水是指根据 各油层的性质和特点( 如地层压力、渗透率、原油性质等) 将整个油层划分成2 8 个层 段，在同一口井内，同一井口注水压力下，对多个油层同时进行的定量注水。分层注水 技术实现了油层内细分开采，并在中低渗透层挖潜、稳油控水方面具有显著优势，成为 注水开发油田的重要措施【4 - 5 1 。 现有的分层注水工艺一般是通过分层注水管柱来实现的。根据注水管柱的不同，分 层注水工艺可分为：同心式注水管柱注水、偏心式注水管柱注水、空心分层注水管柱注 水和同心集成分层注水管柱注水 】。注水管柱工艺繁琐，配有多个配水器，封隔器， 配水堵塞器等，并且注入液一般是通过水嘴进入注水层，水嘴不仅会造成部分能量的浪 费，还时常发生堵塞现象，并且对高分子聚合物有很大的剪切作用，严重影响注聚合物 驱油效果。注水方式一般采用由地面注水泵站统一配注，但受管网压力、管输距离、注 水设备等条件的制约，这种方式已无法满足所有的注水井的注水要求。针对这些不足， 本论文提出了一种新型分层注水技术：水力驱动式单螺杆泵分层注水技术。该技术是将 水力驱动单螺杆泵装置应用到分层注水中，代替了原来的注水管柱，工艺原理简单，并 在满足注水要求前提下，通过能量的合理转换降低了能量损失，具有高效节能的特点。 水力驱动单螺杆泵装置是一种将单螺杆马达和单螺杆泵结合起来的潜油泵装置。目 前，该种泵作为抽油泵广泛应用于各大油田，其突出特点是结构简单，液压传动、无杆 抽油等。本论文将该泵用于分层注水，其基本工作原理是：以地面注水管网的水作为动 力液，动力液由油管输入到注水井井下部分，在配水器处分成了两部分。一部分动力液 l 第一章绪论 进入马达，驱动马达的螺杆转动，同时将液体能转化为机械能，带动下部的单螺杆泵工 作；另一部分动力液经配水器进入钢管与定子外壳之间的环形空间，经环形通道进入单 螺杆泵，经泵增压后注入到下部高压注水层中。进入马达的动力液，经马达工作后压力 减小，注入到上部低压注水层中。马达与泵之间有交叉流道、传动轴、万向联轴节、动 密封等，两注水层间有封隔器，从而保证分层注水同时进行，互不干扰。该技术方案具 有以下优点：结构简单，液压驱动，可以合理、充分地利用能量，达到节能的目的，配 注合理，易满足配注要求。 1 2 研究意义及国内外研究现状 1 2 1 研究意义 分层注水，其原理是指将所射开的各油层按地层压力、渗透率、原油性质等相近和 层与层相邻的原则，将整个油藏划分成几个注水层段，这些层段一般与采油井的开采层 段相对应，再通过一定的工艺措施，同时分别对各层段进行定量注水，以达到补充地层 能量、保持地层压力及提高产油量的目的【明。分层注水的方式解决了油层间的矛盾，使 高、中、低渗透性的地层都能实现有效注水，保持了各地层的压力，提高了整体采收率， 保证了油田长期稳产、高产的生产目标。因此，分层注水现已成为油田稳产增产的重要 措施之一。目前，我国大部分油田的开发已进入特高含水期阶段【9 1 ，更迫切需求科研人 员对分层注水技术进行改进创新，从而保证良好的注水效果，提高采收率。 本论文提出了一种新型的技术方案：将水力驱动式单螺杆泵装置应用到一个层间差 异较大的两层注水工艺中，从而实现有效分注。相比现有分层注水技术，该新型技术方 案具以下优势： ( 1 ) 液压驱动，结构简单，安装方便，具有一定经济性，节省投资。 ( 2 ) 依靠能量转移完成不同地层注水，改进了原来只依靠水嘴节流损失实现有效 注水的技术，实现了注水能量的合理、充分的利用，达到了节能的目的。 ( 3 ) 作为增压注水泵使用，具有较大的增压幅度，易满足注水压力要求。 ( 4 ) 流道连续，在注聚合物时，能够减少对聚合物的剪切所造成的长链破坏【1 0 1 ， 提高了注聚合物驱油的合格率。 ( 5 ) 螺杆马达与螺杆泵间只需动密封就可实现分层注水，达到配注要求，可靠性 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 e - 商。 ( 6 ) 无杆泵工艺技术，有效地避免了常规有杆泵系统中，因管杆偏磨严重造成的 油杆断脱、油管损伤、磨屑卡泵等问题【l l 】。 ( 7 ) 泵内只需单个阀件且无复杂流道，流量无脉动，流速稳定，排量均匀，水力 损失小，因此泵效高，故障率低。 1 2 2 国内外研究现状 ( 1 ) 单螺杆式水力机械国内外发展现状 单螺杆式水力机械是6 0 年代中期发展起来的一种新型的石油钻采水力机械。按用 途的不同，单螺杆式水利机械又分为单螺杆泵和单螺杆钻具( 即螺杆马达) 。1 9 3 0 年， 法国工程师r e n e m o i n e a u 开始研究容积式水力机械装置，并发明了单螺杆水力机械原 理，随后在其发明基础上派生出了螺杆泵，以及这种类型的钻具、压缩机等。1 9 3 2 年， r e n e m o i n e a u 与b i e n a i m e 合作创立p c m 公司，批量生产这种类型的单螺杆泵。1 9 5 5 年，美国s m i t ht o o l 公司开始研制单螺杆钻具，1 9 6 4 年，该公司小批量生产名为d y n ad r i u 的单螺杆钻具。前苏联在1 9 6 6 年组织科研人员开始研制多头单螺杆钻具；1 9 7 9 年，开 始研制多头单螺杆泵。对于单螺杆式水力机械的研究与应用，我国起步较晚。1 9 8 4 年， 辽河油田首先开始对井口驱动式单螺杆泵的研究，随后投入矿场试验。1 9 8 6 年，大庆油 田从加拿大g r i f f i n 公司引进螺杆泵，从此国内厂家开始了对井下采油螺杆泵的研制【1 2 】。 螺杆泵采油系统与其它采油系统相比具有明显的优势，美国一家公司曾对螺杆泵采 油系统、电动潜油离心泵采油系统、有杆抽油系统这三种采油装备系统进行对比试验， 得出在相同采油条件下，螺杆泵采油系统的效率明显比另外两种采油装备系统的效率高 1 0 左右，而在示装备投资方面，螺杆泵采油系统却低2 0 - - 3 0 以上【1 2 】。因此，螺杆 泵在稠油井、稀油井以及复杂工况井中得到广泛应用1 3 】。随着应用的广泛，井况的不同， 科研人员加大了对单螺杆泵的研究开发，各种适应特殊工况的螺杆泵出现【1 4 1 。法国 m a p e 公司生产的螺杆泵可以在含砂量高达6 0 的井况中使用，并且系统效率可达到 5 0 以上。加拿大p c m i f p 联合公司生产的r o d e m i p 地面驱动螺杆泵，排量大可达 2 4 0 m 3 d ，扬程高达2 0 0 0 m 。俄罗斯将螺杆泵应用到汽油比高达4 0 0 m 3 m 3 的姆哈诺夫 斯克油田，且泵效达到7 0 以上。印尼将螺杆泵应用于原油粘度为8 3 m p a s 的油田， 与之前的使用电潜泵采油相比，在达到相同产量的需求下，所耗电量减少了7 0 ，维护 3 第一章绪论 费用减少了3 5 ，很大程度上节约了能源和资本。加拿大在含砂量高达2 0 ( 体积比) 的油井中应用螺杆泵，泵的寿命达到6 个月。美国西德克萨斯洲将螺杆泵举升成功应用 到4 2 。a p i 的油井中。阿根廷成功将螺杆泵试用于井温高达1 2 7 c 的油井中。利比亚成 功应用螺杆泵于芳烃含量为1 1 ( 6 5 ) 的油井。 国内，螺杆泵采油在水驱常规井上的应用已逐步形成一定规模。螺杆泵系列型号从 g l b 4 0 4 2 到g l b l 2 0 0 1 4 ，排量范围2 - - 2 4 0 m 3 d ，扬程5 0 0 一1 8 0 0 m ，检泵周期大大 延长。螺杆泵在重油井上的应用也取得了良好的使用效果，国内胜利油田、吉林油田、 辽河油田、冀东油田和华北油田均己应用螺杆泵采油系统。 螺杆钻具方面，近2 0 年来螺杆钻具广泛应用于定向井、水平井、分支水平井中， 成为了油田钻井修井作业中不可缺少的工具之一。美国a n a d r i l l 公司生产的螺杆钻具， 其外径从7 3 m m - - 2 8 7 5 m m 可选，技术先进，平均使用寿命可达到2 0 0 h 以上。美国d y n a 公司生产的螺杆钻具n a v id r i l l ，使用寿命最长可达到2 5 0 - 3 0 0 h ，其推力轴承寿命可达 到2 0 0 h ，万向轴寿命超过4 0 0 h 以上，径向轴承寿命超过2 8 0 h ，转子与定子寿命为4 0 0 - - 7 0 0 h 。美国e a s t m a nc b _ r i s t e n s e n 公司研发出n o r t r a k 导向钻井系统，该系统将螺杆钻 具的应用推向了新的高度。我国对螺杆钻具的研制和应用，在8 0 年代中后期形成一定 规模，对常规螺杆钻具的生产也逐步规格化、系列化，寿命一般在1 0 0 - - 2 0 0 h ，外径 6 0 m m - - 2 4 4 m m 可选，基本满足国内钻井修井要求。 近年来，随着新材料、新工艺技术的不断出现，单螺杆式水力机械技术迅猛发展。 针对各种专项问题和特殊需求，出现了多种新型单螺杆式水力机械。加拿大c a n k 公 司率先研发出金属定子螺杆泵，该螺杆泵的创新之处为其定子是由金属材质制作，一般 选用高铬钢，为了保证具有较高的单级压差，并在定子表面覆盖一定厚度的尿烷或氟化 橡胶【1 5 】。美国g p e x 公司在此基础上，针对螺杆泵的定子材料研发出耐磨性高于钢铁 的新型合成材料，并在定子的表面覆盖一层聚氨酯，使泵工作时磨损部件变成了螺杆， 而不是定子衬套，从而加强了力学性能【1 6 】。加拿大w e a t h e r f o r d 公司和美国休斯敦 n a t i o n a l o i l w d l 公司在常规螺杆泵结构基础上进行了全新的设计，提出了等壁厚螺杆 衬套副概念，且用合金钢或青铜替代了定子的橡胶基体，仅在定子的金属表面保留一层 薄的橡胶。该技术明显地提高了螺杆一衬套的工作寿命，并具有一定的灵活性，应用前 景可观。近年来我国也加大对等壁厚形式的单螺杆水力机械的研究。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 螺杆钻具方面也出现了多种创新形式，有低速大扭矩螺杆钻具，该种钻具是通过采 用多级马达，或多头螺杆来实现，能很好的配合牙轮钻头和p d c 钻头，提高了机械钻 速，同时有效地延长了钻头的使用寿命。中空转子形式的马达，该马达转子的额定排量 要比实心转子马达的额定排量高出2 0 以上。长寿命抗高温耐腐蚀螺杆钻具，该钻具可 以在井温达1 5 0 c 的混柴油卤水钻井液中工作。另外，还有专为空气钻井设计的空气螺 杆钻具1 7 1 ，专门用于地质勘探钻井取芯的取芯用螺杆钻具，导向钻井系统专用螺杆钻具， 开环闭环系统专用的定向螺杆钻具等。 ( 2 ) 分层注水国内外研究现状 注水开发油田最早是由前苏联提出的，二十世纪三十年代开始实施。由于这种开发 模式能在能源开发的同时补充地层能量，保证了油井的生产能力，可使采收率提高 1 0 - - 2 5 ，得到众多国家的青睐。我国和俄罗斯9 5 的油田采用注水开发油田模式，非 洲乍得和苏丹等国一开始就搞注水开发模式，另处还有不少公司在美国、加拿大买断枯 竭油田，通过注水进行再开发，单井产量可达到3 1 0 t d ，获得了可观的经济效益。 一般采用的注水方式是由注水泵站通过注水管网统一进行配注，但随着注水开发的 深入细化，这种方式逐渐暴露出不足。受到现有管网设计压力、管输距离、注水设备等 条件的制约，对一些注水井满足不了其注水层的流量及压力的要求，特别是对低渗透油 层及边远地区的注水井。为解决油田注水中所存在的上述问题，人们开始尝试研究增压 注水泵，即将来自注水站的水通过增压注水泵再次增压后注入油层中，这种增压注水技 术最早由美国提出，二十世纪七八十年代开始在我国各大油田推广。现有增压注水泵根 据泵的工作原理，主要分为离心式和往复式【1 8 】。离心式增压注水泵具有流量大、泵体小、 寿命长的特点，但泵效低、耗能大、增压小；往复式增压注水泵具有泵效高、增压大的 特点，但复杂的结构又决定了其寿命低、额定流量小。针对这些不足多种新型泵出现， 有倒置式电潜泵、液压驱动式往复泵、磁传动水平泵掣1 9 】。 分层注水工艺方面，我国相继开发了相应的注水工艺来满足不同油气层特性。胜利 油田埕岛油田于1 9 9 8 年开始使用大通径金属毡分层防砂二次完井分层注水工艺注水胜 利油田采油院在该项技术基础上，开发了液控式分层注水工艺技术，该院研制的液控式 同心双管分层注水管柱，很好地解决了注水井井斜角大、水平位移大的问题【2 0 】【2 i 】。针对 现在普遍应用的偏心细分注水工艺管柱存在的问题，胜利油田孤岛采油厂研制出一种由 5 第一章绪论 定压开启恒流量偏心配水器、自验封封隔器、撞击筒及单流阀等组成的新型偏心细分注 水管柱【2 2 1 。 根据分层注水工艺及单螺杆式水力机械发展现状，本文提出将水力驱动单螺杆泵应 用于分层注水的技术方案。水力驱动单螺杆泵，实际上是相当于采用了螺杆钻具的马达 总成部分和地驱单螺杆泵的井下泵部分，将两者柔和在一起重新进行设计的一种新泵。 现已广泛应用于油田采油方面，尤其是抽汲高粘度、高含气量和高含砂量的原油具有明 显优势。国内，中国石油大学( 华东) 单螺杆式水力机械科研组所研发出了的石油大学 ( 华东) 型液动式单螺杆泵装置，在油田得到广泛应用。但将该种泵应用到分层注水方 面还未有人提出，因此对此课题的研究对分层注水工艺的发展具有重要报导的意义。 1 3 研究内容及需解决的关键问题 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 水力驱动单螺杆泵分层注水系统总体方案设计 包括系统的的总体结构设计、结构组成、工作原理。 ( 2 ) 系统井下机组的匹配设计计算及不同匹配方案的讨论 根据给定的原始数据进行井下机组的匹配设计计算；讨论不同的匹配方案并分析各 自特点。 ( 3 ) 水力驱动单螺杆泵井下机组的结构设计及校核计算 针对一种匹配方案进行井下机组的结构设计及计算，主要包括井下单螺杆马达模 块、单螺杆泵模块、中间传动装置模块；对关键零部件进行强度校核计算，包括联轴装 置、止推轴承、花键、空心轴等。 ( 4 ) 水力驱动单螺杆泵分层注水系统井下机组匹配软件开发 1 3 2 需解决的关键问题 ( 1 ) 水力驱动单螺杆泵分层注水系统的结构设计： ( 2 ) 水力驱动单螺杆泵井下机组的匹配计算； ( 3 ) 水力驱动单螺杆泵分层注水系统井下机组匹配软件的开发； 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 研究方法及技术路线 1 4 1 研究方法 本课题拟采用理论分析、结构设计以及校核计算相结合的方法。首先根据螺杆一衬 套副的设计理论，结合已知条件设计出可以协调工作的螺杆马达、螺杆泵机组，再设计 出空心传动轴以及止推轴承组，然后计算传动扭矩，选择或设计合适的联轴器，最后计 算轴承组寿命，校核空心传动轴和联轴器的强度。 1 4 2 技术路线 首先掌握单螺杆马达( 泵) 的工作原理，分析结构参数，重点是马达( 泵) 的截面 型线方程，推导特性参数，提出设计方案。根据实际工况和能量守恒原理，对分层注水 系统井下机组进行动力匹配计算，确定马达理论输出扭矩大于实际输出扭矩即所配马达 能带动起泵，匹配成功。然后对整个井下机组结构进行设计，包括空心传动轴、止推轴 承组等；并根据马达头数的不同，设计讨论不同的匹配方案。对设计出整个机组结构进 行校核计算，包括空心传动轴、联轴器的强度校核，止推轴承组的寿命计算等。最后， 开发相应的匹配计算软件：水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计及参数匹配软件。 1 5 创新性和可行性 ( 1 ) 创新性： 单螺杆式水力机械自六十年代起就得到了广泛的开发与应用，水力驱动单螺杆泵的 研究与应用也得到了广泛推广，但关于将该种泵用于分层注水方面的研究与应用甚少， 仍处于初步阶段。因此，本课题具有较强的创新性。并且该种泵用于分层注水系统具有 其独特的优势，对其的研究与开发无疑拓宽和完善了分层注水领域。 ( 2 ) 可行性： 首先单螺杆泵的研发与应用技术已十分成熟，由中国石油大学( 华东) 研发的石油 大学( 华东) 型液动式单螺杆泵早在8 0 年代己得到现场应用，其设计理念完整，具有 宝贵的参考价值。其次，单螺杆马达作为单螺杆泵的逆用，彼此之间可借鉴的地方很多。 并且，本实验室长期从事石油流体机械的研究和设计，在此领域具有较强的实力，并曾 多次设计实验单、双螺杆泵。综上述有利条件，都为本课题的顺利完成提供了理论和实 7 第一章绪论 践的指导。 1 6 课题的研究成果 ( 1 ) 完成了水力驱动单螺杆泵分层注水系统的整体设计，提出了新的分层注水技 术理念。 ( 2 ) 完成了水力驱动单螺杆泵井下动力机组的参数设计及匹配计算，并讨论了多 种匹配方案；开发了相应的匹配计算软件。 ( 3 ) 完成了水力驱动单螺杆泵井下机组及重要零部件的结构设计和强度校核。 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第二章水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计 水力驱动单螺杆泵分层注水系统不同于传统的注水系统，它将井下单螺杆马达与井 下单螺杆泵有效地结合在一起，完成高压动力液驱动单螺杆马达、马达将动力液降压同 时液体能转化为机械能、机械能驱动下部单螺杆泵、单螺杆泵将动力液增压等一系列过 程。由于受到井眼及管柱径向尺寸限制和井下恶劣工作环境影响，因此对该系统设计时 要考虑到井下装置的止推设计、密封设计等，并采取针对性的方案措施以期达到良好的 工作状态。 2 1 系统结构组成及工作原理 水力驱动单螺杆泵分层注水系统的设计重点是对井下机组的设计，井下机组主要包 括单螺杆马达模块、中间传动装置模块、单螺杆泵模块及辅助装置；整体结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 井下机组结构简图 f i 9 2 - 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd o w n h o l eu n i t 9 第二二章水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计 马达模块将注入的动力液的液体能转化为机械能带动下部泵工作，同时将工作后的 动力液注入低压注水层。中间传动装置模块主要包括上、下部联轴装置，中空传动轴及 止推轴承组；上、下部联轴装置可采用软轴或万向联轴器，用来传递螺杆与主轴间的转 速与转矩；空心轴上的轴向力止推方式可采用集中止推式或分散止推式。泵模块将注入 的动力液进行增压后注入高压注水层。辅助装置包括定量配水器、封隔器、单向阀等； 定量配水器完成对注入流量的定量分配；封隔器、动密封等将注入流量进行有效隔离， 保证分层注水的同时配注，互不干扰；在管柱最下端配有单向阀，可用来进行反循环洗 井。 工作流程：来自地面注水管网或动力泵的动力液，由油管输入到井下机组部分，经 配水器定量分配后，分成两部分。一部分动力液进入马达，驱动马达的螺杆转动，同时 液体能转化为机械能，带动下部的单螺杆泵工作；另一部分动力液由环形流道进入单螺 杆泵。进入马达的动力液，经马达工作后液体压力降低，注入到上部低压注水层：进入 泵的动力液，经泵增压后注入到下部高压注水层；这样就完成了不同注水层的配注。 2 2 系统方案设计 本论文根据3 4 头螺杆马达带动单头螺杆泵的匹配方案，对注水系统的井下机组进 行了结构设计，如图2 2 所示。 注入液经地面动力泵加压后，通过油管到达井下机组，经配水器定量分配后分成两 部分：一部分动力液进入腔室b ，流入单螺杆马达；另一部分动力液经流道a ，交叉流 道体中的流道f ，进入腔室i ，流入单螺杆泵。流入马达的动力液推动马达的螺杆转动， 同时通过上部软轴、空心主轴带动下部螺杆泵工作。经单螺杆马达工作过的乏动力液， 进入腔室c ，从开在空心轴上的小孔d 处进入空心轴中的流道e ，再经开在空心轴上的 小孔h 、交叉流道体i - _ d , 孔g 注入到低压注水层。流入泵的动力液经过泵增压后，经过 单向阀及管柱注入到高压注水层。马达与泵之间设计机械动密封，将马达流量与泵流量 进行有效隔离；两注水层间配有封隔器，将分别注入高、低压注水层的注入流量进行有 效隔离。至此，该系统完成了两层注水层的同时配注。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 井下机组结构图 t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fd o w n h o l eu n i t 第二章水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计 2 3 单螺杆泵主要结构介绍 单螺杆泵的主要组成部分是转子和定子，如图2 3 所示。转予是一根钢制螺杆，表 面镀有耐磨性材料，定子是硫化在金属外壳内壁上的橡胶衬套，两者配合构成螺杆衬 套副。 图2 - 3 单螺杆泵 1 转子2 定子3 金属外壳 f i 9 2 - 3 t h es i n g l es c r e wp u m p 1 - r o t o r2 - s t a t o r3 - m e t a lh o u s i n g 单头螺杆泵的螺杆是单线螺旋面，衬套是双线螺旋面，两者旋向相同即同为左旋或 右蒯2 3 1 。螺杆端面是一个半径为r 的圆，圆心为o ，螺杆本身轴向线为o z 。螺杆是 端面圆圆心o ，以圆心o 。为中心、偏心距e 为半径，绕轴线o 。z 转动，同时以螺距t 前移 而形成的，如图2 4 所示。衬套的端面其内表面是一个长圆形，由两个半径为尺的半圆 弧和两个长度为4 p 的直线段组成，该长圆形绕衬套自身轴线o z 一边旋转一边以导程丁 ( t ：2 t ) 向前移动从而形成衬套的双线内螺旋面【2 4 】【2 5 】，如图2 5 所示。 图2 - 4 单螺杆泵 图2 - 5 单螺杆泵定子 f i 9 2 - 5 t h es t a t o ro fs i n g l es c r e wp u m p 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 4 单螺杆马达主要结构介绍 本论文所设计的单螺杆马达模块包括转子、定子、防脱帽、防脱接头、防脱杆等， 如图2 - 6 所示。一般，单螺杆马达的转子头数为，定子头数为n + i ，根据马达转子 头数值的不同，单螺杆马达分为单头单螺杆马达和多头单螺杆马达。 图2 - 6 单螺杆马达总成 1 防脱帽2 防脱接头3 防脱杆4 金属外壳5 - 定子6 转子 f i 9 2 - 6 t h es i n g l es c r e wm o t o ru n i ta s s e m b l y 1 - a n t id r o p p i n gh a t2 - a n t id r o p p i n gj o i n t3 - a n t id r o p p i n gr o d4 - m e t a lh o u s i n g5 - s t a t o r6 - r o t o r 单头单螺杆马达是指螺杆头数为l ，衬套头数为2 ，即螺杆衬套副的运动比值为1 ：2 。 它的构造和单头单螺杆泵的螺杆衬套副的结构基本相同，且工作原理相似，不同之处 是，马达是泵的逆用，即泵是将机械能转变为液体能，而马达是将液体能转变为机械能。 因此，对单头单螺杆马达螺杆衬套副结构的介绍参照章节2 3 ，此处不再作详细赘述。 多头单螺杆马达是指螺杆头数n 2 的单螺杆马达，与单头单螺杆马达相比，多头 单螺杆马达具有低转速、大扭矩等特性【2 6 1 。但设计上要相对比较复杂，主要难题是其螺 杆衬套副的端面型线的参数设计。 ( 1 ) 螺杆衬套副工作原理 螺杆衬套副实质上是空间相啮合的共轭曲面，要实现正常工作，这对共轭曲面必 须满足三个条件：啮合条件，是指能满足二般齿形啮合运动的要求；密封条件， 是指螺杆和衬套曲面在空间上是共轭的，即可以形成多个密封腔来容纳工作液；推 移条件，是指螺杆的连续转动能使共轭密封腔连续沿轴下移，以保证工作液体循序轴向 前进，同时液体能和机械能发生相互转化2 7 】【2 8 1 。 ( 2 ) 螺杆衬套副端面线型分析 根据工程实际常用线型，本文选择短幅内摆线( 作定子) 等距线型作为多头单螺杆 马达的的螺杆衬套副型线【2 9 】。短幅摆线线型的骨线共轭副上没有曲率为零的点，选取 适当的等距值后其等距线的共轭副上无打扣现象，线型光滑，具有良好的啮合特性 3 0 j 【3 3 l 。 第二章水力驱动单螺杆泵分层注水系统设计 下面对转子和定子的型线方程进行推导。 定子骨线方程推导： 摆线是指一个半径为，的圆o 沿一个半径为r 的圆o 作相对纯滚动，则圆o 平面上 的任一点在圆o 平面上的轨迹，其中圆o 为导圆、圆o t 为滚圆。 按照无包心形成法，即导圆圆心不包含在滚圆之内或滚圆圆周上，滚圆o 上的动点 m 的运动轨迹便形成了短幅内摆线，如图2 7 所示。 j 八 ，一、 ，7 型烈。 f，一，7 、 。 e 7 蚴一 7 7 ，。| 心夕 图2 7 定子骨线 f i 9 2 - 7 t h eb o n ec u r v eo fs t a t o r 则传动比为江刀ic n + 1 ) 螺杆- 衬套副的定子骨线单位摆线方程为： j i i o o ) = r t e 声+ 膨一刖 ( 2 一1 ) 式中，刀转子的头数； 口复矢量j i o 的幅角，0 8 2 x ； k 变幅系数，0 k q l o q 0 9 q 0 8 q 0 7 q c l 5 q 仿 羹q 0 4 基 避0 0 3 q 吃 q 0 1 q 0 t q 0 1 q 0 0 1 q 0 a 护s x l 0 32 x i o 6 x 1 0 42 x 1 0 56 x 1 0 52 x 1 0 6 6 x 1 0 6 o a 0 3 4 x 1 0 44 x 1 0 5 8 x 1 0 5 4 x 1 0 68 x 1 0 6 雷诺数r e 图3 - 2 尼古拉兹图线 f i 9 3 - 2 t h ec u r v eo fn i g l a s 踟矿 1 5 跚o l 一 1 j 0 5 伽矿 雷黼 v a o s 剁1 j 护 图3 - 3 莫迪图线 f i g3 - 3 t h ec l l r v eo fm o d i 2 3 踟妒 稍驴 也m呕昕：兮 饼 皑吃 叫m 儿似 呲咖懈啷嘶啷 瞄 懈 幡耋| 啷耋| 嘣伽 第三章井下机组的匹配研究 由尼古拉兹图和莫迪图可以看出，根据阻力系数见与雷诺数r 、相对粗糙 度s 之间的关系将图线大致分成了五个区域【3 7 1 。 第1 区：层流区 雷诺数足 2 0 0 0 3 引，有的文献将此区域的临界雷诺数定为2 3 2 0 ，2 1 0 0 ， 2 3 0 0 f 5 9 - 4 q 。在层流区，沿程阻力系数见的表达式为： 名：一6 4 ( 3 3 ) r 第1 i 区：过渡区 2 0 0 0 r e 4 0 0 0 ，也有文献为2 0 0 0 r e 3 0 0 0 ( 4 1 啦】。在层流转变为紊流的 过渡区，流体的运动情况十分复杂，沿程阻力系数见与相对粗糙度占无关，只是 雷诺数足的函数，但关系不确切。 第1 i i 区：紊流光滑区 在这一区域出现“水力光滑 现象，即随着雷诺数咫的增大，不同相对粗 糙度s 所对应的实验点相继离开原来所在的那条直线，且粗糙度越小，离开的越 晚。沿程阻力系数彳仍只与雷诺数足有关，流体流动表现出“水力光滑 状态。 该区沿程阻力系数见的计算，采用布拉休斯公式： 拈等- - n ，。 - 4名= = =( 3 ) 。，f。 其中，4 0 0 0 r 1 0 5 。 第区：紊流过渡区 在这一区域，不同的相对粗糙度所对应的各实验点分别落在不同的曲线上， 这说明沿程阻力系数旯既