（机械工程专业论文）金属定子螺杆泵的研制.pdf

摘要 金履定子螺杆泵的研制 摘要 本文通过对井下螺杆泵抽油系统概述，分析了国内外螺杆泵的应用现状及发展方向，螺杆泵 采油设备的工作特性及井下条件对螺杆泵性能的影响，以拓宽螺杆泵采油设备的种类入手以降 低劳动强度、减少作业维护费用、降低能耗和减少一次性投资为目的，提出了地面驱动金属定子 螺杆泵采油设备，转子采用金属杆挂胶的解决方案。 室内试验表明：金属定子与橡胶转子螺杆泵作为一种新型的抽油设备，其原理可行；定、转 子加工工艺可行。且泵的易损部件由不动的定子转移到可动的转子上，且与抽油杆连接，在更换 时只需起下抽油杆即可实现，达到节能降耗的目的。 本文所研究的金属定子螺杆泵采油设备。是在传统螺杆泵的基础上，经过多年研究后的创新， 定、转子的如工也是一项新的尝试，基本方案的设计及结构参数的设计都是创新点这些是本文 的一大显著特点 。 该理论研究和工艺方法为今后螺杆泵的加工及使用提供了新理论、新方法拓展了螺杆泵的 推广应用 关键词：采油设备；螺杆泵；金属定子；结构参数；容积效率 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 t h ed e v e o p m e n to f s c r e wp u m pw i t hm e t a ls o t t o r 。 a b s t r a c t v i at h em m m l a r i 五n go nt h e 删p 唧s y s t e m ，t h i st e x th a s 缸l a l 弘捌t h ea p p l i c a t i o ns t a t u si n q u oa n d t h ed e v e l o p m e n td i l t 斌i o ni n s i d ea n do u t s i d ec o u i 衄t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo n e x t r a c t i o ne q u i p m e n ta n dt h ea f f e c to ft h ed o w n - h o l ec o n d i t i o nt ow f e wp u m p p 曲n i 哆山i b t m e m hs t a r t sw i t ht h eb e i n gb r o a d e n e dk i n d so f t h eo i ie x w a c t i o ne c u i p m e n to fo 口1 e wp u m p ，a n d p l a y sd o w n w o r ki n t e - n s i t y , c u t sd o w no p e r a t i n gm a i n t e n a n c ee g p e l l s a n dr e c h l c e se n e r g yw a s t ea n d o n e - o f f i n v e s t m e n ta sag o a l - a n dp u t sf o r w a r dt h es o l v i n gs c h e m eo f t h es 口唧p u m p8 y s t e l l lw i t ht h e m e t a ls t o r a n d t h er o t o r w h i c h h a s as t i c k e d r u b b e r o u t s i d e n 删p o l e 一 t h ee x p e r i m e n t a t i o ni nl a bh a sm a d ec l e a rt h a t ：t h e p r i n c i p l eo ft h i sk i n do f9 白钾p u m pi s f e m a b l e ak i n do f n e wo np u m p i n ge q u i p m e n t ；a n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n i co f ) 血es t a w ra n dt h er o t o r a r ef e s s t 【b l et o o t h ee a s yd a m a g ep a z to f t h ep u m ph a st r a n s f e r r e df r o mt h em o t i o n l e s ss t a t o rt ot h e m o t i l er o t o rw h i c hi sc o n n e c t e dt ot h ep u m p i n gr o dt ob ee a s y r e p l a c e d , t og a i ne n e r g yc o n s f l v a t i o l l a n d l o w e r c o s t t h es c n wp u m pe q u i p m e n tw i t ht h em e t a ls t a t o rw h i c hi sr e s e a r c h e di nt h et e x ti sb a s e do nt h e t r a d i t i o n a ls c r e wp u m p a n di sa n n o v a t i o na f t e ri th a sb e e nr e s e a r c h e dm a n yy e a r sl a t e r i ti san w a t t e m p to nt h em a c h i n e ds t a t o ra n dr o t o ra n dt h ed e s i g no ft h eb a s e h e m ea n dt h es m t c t u r a l p a r a m e t e ra g ea l lt h ei n n o v a t i o n t h e r e f o r e ，t h a ta r eag r e a tc h a r a c t e r i s t i ci nt h et e x t t h er e s e a r c ho r lt h e o r ya n dt e c h n i q u ep r o v i d en e wt h e o wa n dw a yf o rt h en m h i n i l a ga n du s eo f t h es c t c wp u m pl a t e r , a n ds p r e a do u tt h ep o p u l a r i z a t i o no f t h es a p u m p k e yw o r d s ： o i lp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ；s c r e wp u m p ；m e t a ls t a t o r ；删p a r a m e t e r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的 学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：p 门u 1 段导师签名：私办善4 日期：川f q8 期：嗍j i i 创新点摘要 创新点摘要 1 金属定子螺杆泵是将泵的易损部件由定子改到转子上，实现定、转子 的互换； 2 利用室内水力特性检测，确定了金属定子与橡胶层转子的配合参数 结构参数，为进入现场试验打下了基础。 i v 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 前言 1 9 3 2 年，法国人r e n e 昕o i n e a u 发明了螺杆泵。之后，螺杆泵这种水力机械在 世界范围内得到了广泛的应用、发展和完善。螺杆泵用于原油开采是最近二十几年 的事情，并且随着合成橡胶技术和粘接技术的发展而迅速发展起来。螺杆泵作为一 种机械采油设各，它具有其它抽油设备所不能鸶代的优越性。如它适用于稠油、含 砂、高含气井的开采，它体积小、安装方便、无污染、能耗低等特点，是一种新型 的采油举升设备。 近年来，螺杆泵采油技术发展很快，国内外都在螺杆泵加工设备的开发、结构 参数设计、制造、特性和性能方面作了大量的摸索、实验、研究工作，对它的认识 越来越深入，积累了较丰富的加工经验，形成了适应各种排量和举升扬程的系列螺 杆泵。相应地作为采油举升设备，在地面驱动装置的防渗漏、调参、过流过载保护、 杆柱扶正、油管锚定、油管扶正等配套工艺方面不断得到完善。在近几年，螺杆泵 的应用规模逐年扩大，应用水平也不断提高。 本文在分析了解螺杆泵原理、螺杆泵种类、基本特征、运动规律的基础上，以 螺杆泵实验室为手段，进行了大量的室内模拟实验，在对实验数据全面分析的基础 上，总结归纳了螺杆泵的工作特性，举升介质对螺杆泵特性的影响，结构参数误差 对工作特性的影响。在此基础上，设计了金属定子螺杆泵采油举升设备，包括根据 螺杆泵工作特性曲线，对定、转子间合理配合，合理的结构参数的确定。为金属定 子螺杆泵的进一步研究打下了良好的基础。 第1 章绪论 1 1 采油螺杆泵发展概述 第1 章绪论 2 0 世纪3 0 年代中期法国的m o i n e a u 发明了单螺杆泵水力机械以来，单螺杆泵 在石油工业领域得到了广泛的应用。2 0 世纪6 0 年代末前苏联开发应用了潜油螺杆泵 采油系统用于井下原油的举升，并形成了排量为1 0 2 0 0 m 3 d 、扬程为6 0 0 1 2 0 0 m 的 系列产品。 地面驱动螺杆泵采油起源于2 0 世纪8 0 年代初期，法国、加拿大、美国和德国 等国家相继开发并形成了排量为2 - 3 0 0 m 3 d ，扬程为5 0 0 - 2 0 0 0 m 的系列产品，并得到 广泛应用。我国自2 0 世纪8 0 年代中后期开始研发地面驱动螺杆泵采油系统以来， 已形成排量为2 - 2 4 0 m 3 d 、扬程为5 0 0 1 8 0 0 m 的系列产品，并已在国内各大油田逐步 推广应用。大庆油田自1 9 8 6 年到1 9 9 2 年开展了g l b l 2 0 - 2 7 型螺杆泵的研制，初期 由于螺杆泵定子质量不过关及其配套工艺技术不完善，导致现场试验井抽油杆断脱、 油管脱落及泵定子脱胶现象时有发生，螺杆泵使用寿命较短。1 9 9 3 年至1 9 9 8 年针对 大庆油田三次加密井采油和排液的需要，先后完成了g l b 4 0 4 2 和g l b 7 5 4 0 型螺杆 泵机组的研制；针对聚合物驱油井举升的需要完成了g l b 5 0 0 1 4 和g l b 8 0 0 1 4 型螺 杆泵机组的研制。2 0 0 0 年至2 0 0 2 年针对三元复合驱油井举升和电泵井转型的需求完 成了g l b l 2 0 0 1 4 型螺杆泵机组的研制；针对长期困扰螺杆泵采油技术推广应用的清 防蜡和测压问题，完成了k g l b l 2 0 2 7 和k g l b 5 0 0 1 4 型空心转子螺杆泵机组的研制， 目前空心转子已形成系列化，排量、扬程和使用寿命均达到了同型号常规螺杆泵的 应用水平，已成为常规螺杆泵的替代产品。 1 2 螺杆泵采油系统的组成及其特点 地面驱动井下单螺杆泵采油系统 ( 简称螺杆泵采油系统) 由四部 分组成( 如图卜2 1 ) 。电控部分： 包括电控箱和电缆；地面驱动部分： 包括减速箱和驱动电机、井口动密 封、支撑架、方卡等；井下泵部分： 包括螺杆泵定子和转子；配套工具 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 部分：包括专用井口、特殊光杆、抽 油杆扶正器、油管扶正器、抽油杆防倒转装置、油管防脱装置、防蜡器、防抽空装 置、筛管等呻1 。 1 2 1 电控部分 电控箱是螺杆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录 螺杆泵井正常生产时的电流、累计运行时间等，有过载、欠载自动保护功能，确保 生产井正常生产。 i 2 2 地面驱动部分 1 地面驱动装置工作原理 地面驱动装置是螺杆泵采油系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子， 使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械装置。从传动形式上分，有液压传动和 机械传动i 从变速形式上分，有无级调速和分级调速。机械传动的驱动装置工作原 理示意图( 如图i - 2 2 ) 。 2 地面驱动装置种类及优缺点 螺杆泵驱动装置的种类一般分为两类：机械驱动装置和液压驱动装置。 机械驱动装置传动部分是由电动机和减速器等组 成，其优点是设备简单，价格低廉，容易管理并且节能， 能实现有级调速且比较方便。其缺点是不能实现无级调 速。 液压驱动装置是由原动机，液压电机和液压传动部 分组成。其优点是可实现低转速启动，用于高粘度和高 含砂原油开采；转速可任意调节；因设有液压防反转装 置，减缓了抽油杆倒转速度。其缺点是在寒冷季节地面 液压件和管线保温工作较难，且价格相对较高，不容易。一方卡子1 - 2 - ，2 燃三i 黧； 卜量程t l 卜电动机：e - - d , 皮带靶 管理。 减速箱的主要作用是传递动力并实现一 级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿轮传 递到输出轴，输出轴联接光杆，由光杆通过抽 油杆将动力传递到井下螺杆泵转子。减速箱除 了具有传递动力的作用外，还将抽油杆的轴向 负荷传递到采油树上。- 电机是螺杆泵井的动力源，它将电能转 化为机械能。一般用防爆型三相异步电机。 井口动密封的作用是防止井液流出，起一枷0 1 = 窖絮枷h 。 第1 章绪论 密封井口的目的( 如图1 - 2 - 3 ) 。 方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。 1 2 3 井下泵部分 螺杆泵包括定子和转子。定子是由丁腈橡胶浇铸在钢体外套内形成的。衬套的 内表面是双螺旋曲面( 或多螺旋曲面) ，定子与金属转子配合。转子在定子内转动， 实现抽吸功能。转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。每一截面都是圆 的单螺杆。 1 2 4 配套工具部分 1 专用井口：简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增强了井口强度，减小 了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换盘根时密封井口的作用。 2 特殊光杆：强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封。 3 抽油杆扶正器：避免或减缓杆柱与管柱的磨损，使抽油杆在油管内居中，减缓抽 油杆的疲劳。 4 油管扶正器：减小管柱振动。 5 抽油杆防倒转装置：防止抽油杆倒扣。 6 油管防脱装置：锚定泵和油管，防止油管脱落。 7 防蜡器：延缓原油中胶质在油管内壁沉积速度。 8 防抽空装置：地层供液不足会造成螺杆泵损坏，安装井口流量式或压力式抽空保 护装置可有效地避免此现象的发生。 9 筛管：过滤油层流体。 螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，投资少、设备结构简单、操作方便、 节能效果明显以及适应性强等以能有效降低采油成本提高采油效益等诸如抽油机柱 塞泵、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点而倍受国内外油田重视， 并有望成为油田主要的机采方式之一。 1 3 国内外应用现状 近几年来，螺杆泵采油技术在国外石油开发中起到了重要作用，螺杆泵不仅在 稠油和含砂井中得到应用，而且在稀油井、大排量井和排水采气中广泛使用。螺杆 泵正在朝着规范化、系列化方向发展。 目前螺杆泵采油技术的应用范围如下： 1 ) 扬程可达到3 0 0 0 ： 2 ) 排量可达到1 0 0 0 m 3 d ； 3 ) 覆盖大多数的油品( 稀油、稠油、含砂、高气油比、高含水等) ； 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 4 ) 井温可达到1 4 0 ； 5 ) 直井、定向井、水平井及多分支井等多种复杂结构井。 螺杆泵作为一种机械采油设备，它具有其它抽油设备所不能替代的优越性，国 内在制造、应用等方面都取得了长足的进步，井下泵已基本形成系列化。但是，与 国外石油公司相比，我国在螺杆泵的整体技术发展和应用等方面仍存在着一定差距。 螺杆泵已达到的应用范围如下： 1 ) 扬程可达至0 1 8 0 0 m ； 2 ) 排量可达至i 2 4 0 m s d ； 3 ) 油品性质：稠油、含砂、高含水、聚合物驱采油井等； 4 ) 井温可达到1 2 0 ； 。 5 ) 直井； 6 ) 斜度不大于3 0 度的斜井。 1 4 金属定子螺杆泵的提出和创新点 目前，国内外螺杆泵定子都采用丁腈橡胶做为定子衬套，转子是在合金钢外表 面镀一层硬铬镀层。螺杆泵在工作时，由于定子橡胶溶胀性、温胀性、易老化性等 导致定子易损坏，是泵的易损部件，寿命为一年半左右；当定子损坏后，由于定子 与油管相连，在更换定子时，要同时起杆柱和管柱，很不方便且作业费用高，同时， 定子在更换后不能重复利用，造成很大程度上的浪费。 为此，研制开发金属定子、橡胶层转子单螺杆泵，目的是把泵的易损部件由定 子改为转子，这样，当转子橡胶磨损后，只需起下抽油杆即能更换，同时定子可多 次利用，并且转子在除去橡胶层后，可以在重新加工橡胶层后再利用。这样既节省 了作业费用，也降低了投资成本。在油田开采后期具有重要意义。虽然国内外的生 产厂家也都曾经研制过金属定子，但由于受加工工艺、金属材质的限制，目前未见 有现场应用的报道。 本课题通过对螺杆泵结构参数的确定和定、转子加工工艺的确定和多次室内试 验研究分析结果表明：金属定子与橡胶层转子螺杆泵配合方式在理论分析和加工工 艺上可行，且理论上能够降低投资成本，达到节能降耗的目的。 1 5 本章小结 本章论述了螺杆泵采油系统的组成、特点及国内外螺杆泵的发展趋势，并创造性 第l 章绪论 地提出了研究金属定子螺杆泵的目的及意义。 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 螺杆泵采油按驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵。本文重点论 述地面驱动井下单螺杆泵( 简称螺杆泵) 。 螺杆泵已经成为一种新型的、实用有效的机械采油设备。随着配套工艺技术的日 益完善，螺杆泵采油技术的发展有着广阔的前景。 2 1 螺杆泵基础理论 2 1 1 螺杆泵工作原理和基本结构 采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应 用。螺杆泵的转子、定子副( 也叫螺杆衬套副) 是利用摆线的多等效动点效应， 在空间形成封闭腔室。并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使 其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作 用。 地面驱动井下单螺杆泵的转子转动是通过地面驱动装置驱动光杆转动，通过中间 抽油杆将旋转运动和动力传递到井下转子，使 其转动。转子的任一截面都是半径为r 的圆。 每一截面中心相对整个转子的中心位移一个 偏心距e ，转子的螺距为t ，螺杆表面是正弦 曲线a b e d 绕它的轴线转动，并沿着轴线移动 形成的。( 如图2 - 1 - 1 ) 。 定子是以丁腈橡胶为衬套浇铸在钢体外套 内形成的，树套内表面是双线螺旋面，其导程 为转子螺距的2 倍。每一断面内轮廓是由两个 半径为r ( 等于转子截面圆的半径) 的半圆和两 个直线段组成的。直线段长度等于两个半圆的中 心距。因为螺杆圆断面的中心相对它的轴线有一 个偏心距e ，而螺杆本身的轴线又相对衬套的轴 线又有同一个偏心距值e ，这样，两个半圆的中 心距就等于4 e ( 如图2 1 2 ) 。衬套的内螺旋面就 i ! 一 一 始姑 由上述的断面轮廓绕它的轴线转动并沿该轴线移动所形成的。衬套的内螺旋面和螺 杆螺旋面的旋向相同，且内螺旋的导程t 为螺杆螺距t 的二倍，即t = 2 t 。入口面积 7 罐 望f 蛰籽眦磐酣 嗲 牛 目每。每叩 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 和出口面积及腔室中任一横截面积的 总和始终是相等的，液体在泵内没有局 部压缩，从而确保连续、均衡、平稳地 输送液体。 当转子在定子衬套中位置不同时， 它们的接触点是不同的( 如图2 一卜3 ) 。 液体完全被封闭( 这种液体被封闭的情 形称为液封闭) 时，液体封闭的两端的 线即为密封线，密封线随着转子的旋转 芩蚕0 0 9 0 1 8 0 2 7 0 瑚 田2 一i 杆豪密封腔室 而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭数 越多，泵的排出压力就越高。转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的 接触为半圆弧线，而在其他位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的， 这些接触点就构成了空间密封线，在定予衬套的一个导程t 内形成一个封闭腔室， 这样。沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。 当转子转动时，转子_ 定子副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加，在它与吸 入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。随着转子的转动，这个腔室开 始封闭，并沿轴向排出端移动。封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的 封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭 腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。 螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室基础上工作的。转子 运动时( 作行星运动) ，密封空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送 液体。由于转子是金属的，定子是由弹性材料制成的，所以两者组成的密封腔很容 易在入口管路中获得高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保 持自吸能力 可见，螺杆泵是种容积式泵，它运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流 扰动小，排量均匀。由于钢体转子在定子橡胶衬套内表面运动带有滚动和滑动的性 质，使油液中砂粒不易沉积，同时转子定子间容积均匀变化而产生的抽吸、推 挤作用使油气混输效果良好，所以，螺杆泵在开采高粘度、高含砂和含气量较大的 原油时，同其它采油方式相比具有独特的优点。 2 1 2 螺杆泵基本特征 1 螺杆泵定、转子型线方程 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 转子型线嘲1 图2 - 1 4 给出了确定转子表 面型线方程式的简图。利用两个 坐标系统：动坐标xz o 。y 。和转子任 一截面z 的中心o 。相连，方向维 持一定；定坐标x o y 和转子本身 的中心0 相连，o z 为转子的中心 线，转子任意截面都是半径为r 圈2 - l _ 4 转子表面型线 的圆，从转子截面中心o 。到转子中心0 的距离为偏心距e 。 转子工作表面上任一点m 在定坐标中的位置x ，y ，z ，可用角。和巾的函数来 表示； j = j i + = r s i n 8 + es i n 妒 y = y l + y o i = r c o s 0 + e c o s ( 2 1 1 ) t ， 2 2 钿2 磊妒 式中o m 点相对动坐标x l o 。y 的转角； 由动坐标xz o 。y 相对定坐标x o y 的转角； t 转子螺距，m m 。 式( 2 - 1 1 ) 是转子曲面的参数方程式，e 和由为参变量，消去参变量0 和巾， 就可得到下面的转子曲面方程式 ( 石一层s i n 三马2 + ( y e c o s 三马z ：r 2 ( 2 1 2 ) 为求得转子的轴面曲线，也即绘图时所用的平面曲线，令式( 2 一卜2 ) 中的x = 0 并简化得： ，y = r j l 一噜s i n 争2 + e c o s 芋 协h ， 式( 2 1 3 ) 为转子和y o z 平面的交线方程式。如果以此曲线绕转子中心线o z 作螺距为t 的螺旋运动，就可形成转子的表面，所以式( 2 一卜3 ) 表示的曲线就是转 子的型线，即转子的型线方程式。 定子型线脚 图卜2 5 绘出了定子村套的断面轮廓。利用两个坐标系统，动坐标x t o y 和衬套 断面中心。相连，它的o y 轴和o x 。轴分别与衬套长圆形断面的长轴和短轴相重合， 随着衬套断面沿着z 轴( z 轴在图上未给出) 旋转而转动；定坐标x o y 也和衬套断面中 9 侉 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 心相连，方向维持不变。 由图2 - 1 - 5 可见，衬套断面对o y 轴和o x 轴都是对称的，所以，为了求得衬套 的型线方程式，只要建立曲线 b c d 的曲面方程式即可。又因为 曲线b c d 是由圆弧段b c 和直线 段印两部分组成，所以为了建 立曲线b c d 的曲面方程式，实际 上只要求出圆弧段b c 和直线段 c d 两部分的曲面方程式即可。 如图l - 2 5 所示，在曲线b c d 上有一点n ，它的轨道从b 点到 d 点，在定坐标x o y 中，n 点位 田2 - 1 - 5定子材套缎 置所对应的由角从0 变化到2 ，而在圆弧段b c 上，n 点轨迹所对应的巾角为0 dd a r c t g 昙，而在直线段c d 上n 点轨迹所对应的巾角为口懈砉等设衬套断面顺 z 凸 z 凸z 时针转动一个巾角，即动坐标o y 轴和定坐标o y 轴的交角为由，此断面相当于距初 始位置为z 处的衬套断面。 下面分别求出圆弧段b c 和直线段c d 所形成的衬套曲面方程式。 a 圆弧段b c 所形成的衬套曲面方程式 b c 上任一点n 在定坐标中的位置x ，y ，z ，可用下式参数方程来表示，即： 工= 2 e s i n + r c o s ( o 一) y = e c o s + r s i n ( o 一妒) r 弘石妒 删毗去 式( 2 - 1 - 4 ) 是圆弧段b c 形成的衬套曲面的参数方程， 参变量，就可得到圆弧段b c 所形成的衬套曲面方程式 ( x - 2 肺等) 2 + o 垅c o s 争2 划 l o ( 2 1 - 4 ) 其0 、巾为参变量，消去 ( 2 - 1 - 5 ) 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 _ ) ，= r 、! l 一。百2 e 叫了2 “z j 2 + 2 e c 0 8 了2 7 z ( 2 1 - 6 ) 此时 o 由嗍丢 b 直线段c o 所形成的衬套曲面方程式 直线段o d 上任一点n ，在定坐标中的位置x ，、y ，、z ，可用下式参数方 程桌表示 膏= o n c o 舻卅= 击c o 妒卅 y ：o n 。s i n ( e 。一妒) ：笔。s i i l 妒。一妒) ( 2 1 7 ) c o s u r z = 西= z 2 石 此时 口r a g 旦由2 式中0 0 n 线和动坐标x 。o y 。的横轴o x 。的交角。 消去式( 卜2 7 ) 中的参变量o7 和由可得到直线段c d 所形成的衬套曲面方程式。 冉胞孚一胄c o s 等一只咖芋智等= o ( 2 十8 ) 令x = o ，可得出直线段c d 所形成的轴面曲线方程 产壶，嘶嘉娜三 协l _ 9 ， 综合式( 卜2 - 6 ) 和式( 1 - 2 - 9 ) ，就可给出b c d 所形成的衬套轴面曲线方程式， 即衬套的型线方程式。 州肛2 孓e 万2 应2 脚c o s 了2 y z 2 胚嘴去 y 。= 去，毗蠢娜三 蛐了 r z = 一口 2 万 2 螺杆泵的排量计算 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 螺杆泵的理论排量由下式确定 q = 4 e d t n = 5 7 6 1 0 。e d t n 式中卜螺杆泵的理论排量，m d ； e 一转子的偏心距，衄； d 一转子截圆直径，咖，d = 2 r ： t 一定子导程，唧，t = 2 t ； n 一转子的转速， r m i n 。 螺杆泵的实际排量q7 为 q = q 仉 式中才，螺杆泵的容积效率，。 由式( 2 1 - 1 1 ) ，( 2 1 - 1 2 ) 可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的 结构参数e 、d 、t 和工作参数n 有关系。对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析 表明，在e 、d 、t 三者间存在一定的联系，就是在这三个参数维持一定比值的条件 下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作。 3 螺杆泵定、转子间的过盈及泵级数 采油用螺杆泵单级举升高度一般不超过7 0 m ，即单级最大工作压差不超过 0 6 9 e 。a ，目前，普遍采用的螺杆泵单级工作压差设计为0 5 l e a 左右。单级工作压 差除了与结构参数、工作参数及定子橡胶的机械物性等有关外， 主要是靠定、转子 问的过盈来实现的。过盈量越大单级工作压差越大，转子摩擦扭矩也越大；过盈越 小，单级工作压差越小，满足不了油井举升的需要。所以螺杆泵定、转子间的过 盈存在合理值。过盈量的确定必须在掌握定子橡胶物性，特别是橡胶的热胀、溶胀 性能的基础上，方能确定。经验数据表明，一般定、转子的初始过盈6o 的取值满足 下列范围比较合理，即 6 。= ( 0 0 0 5 一o 0 1 ) d ( m m ) 泵级数z 则根据油田实际需要的举升高度p 。及单级举升高度p 一来决定，叩 z ：竺坚 必 泵级数z 决定了螺杆泵定、转子的长度，即 定子长度 l = z t 转子长度 1 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 l = l 。+ ( 0 2 m 0 3 m ) 2 1 3 螺杆泵的运动学问题 1 转子的自转和公转幽1 为了分析螺杆泵转子在定子衬套中的运动，以螺杆本身的轴线为圆心，以转子 任一截面圆心0 和0 ：的距离e 为半径作一个圆，并称之为转子的动中心圆。转子的 动中心圆实际上是所有转子截面中心在平面上的投影。再以衬套的中心0 为圆心， 以2 e 为半径，作一个圆称之为定子的定中心圆。如图1 - 2 - 6 图示。转子在定子衬套 中的运动可看作转子的动中心圆( 滚圆) 在衬套的定中心圆( 导圆) 内作纯滚动。 当动中心圆逆时针转动时( 自转) ，其圆心o ：绕定中心圆圆心o 作顺时针方向 的圆周运动( 公转) 。所以，自转和公转的方向相反，下面用图卜2 6 来分析自转角 速度。和公转角速度。问的关系。 以0 2 作为原点，取动坐标x 0 2 y ，它的方向保持不变，即0 2 x 永远平行于 o x ，而原点o ：绕衬套中心o 作圆周运动。转子的自 转是指转子相对动坐标系x 7 o ：y7 的相对转动，它 的自转角速度。是和传动轴角速度相同的。 设动中心圆和定中心圆的滚动接触点o 上的 绝对速度为u 。( 动中心圆上) ，应等于相对速度1 ， 和牵连速度u 。的向量和，即 。= 4 - 田2 - l 再于田且再与公开 式中e ：m e 。它是由转子自转或相对动坐标系转 动而产生的；= m 。e ，它是由坐标原点o z 公转而产生的，如图2 - 1 6 所示， u ，和u 。的方向相反。所以，从绝对值的关系来看u 。= u e - d 征，因为转子动中心 圆沿衬套定中心圆作纯滚动，其接触点的速度vo l = 0 ，所以德到= 。，即转子自 转的角速度。与公转的角速度。大小相等，方向相反。转子动中心圆的自转是地 面光杆通过抽抽杆来带动的，所以转子的自转和公转角速度均为 m ：竺( r a d s ) 3 0 2 转子在定子衬套中的运动规律。” 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 转子在定子衬套中运动时，由于转动的抽油杆限制了转子的轴向位移，因此转子 在定子衬套的运动只是一个平面运动。如图 2 - i - t a 所示，图中绘出z = 0 平面上的衬套断面 ( z 轴由纸面指向上) 。将转子装进衬套后，转 子本身轴线0 2 z 离衬套中心线0 2 的距离为e ， 该断面上转子截面的圆心位于o 。，以o ：为圆 心，以o i o ：= e 为半径作圆，称为转子的动中心 圆；以0 为圆心，o o 。= 2 e 为半径作圆，称为衬 套的定中心圆在图2 - i - 7 b 中绘出同一转子一 一定子副的任意断面z 。 画痧 显然，在该断面中衬套的长圆形形状不变，只是长轴咖比z = 0 断面转了一个 角度由，由和z 的大小有关，因为z = ( t 2n ) 由，所以，巾= 2 z z 。因为是转子的 同一个位置( 转子没有转动) ，所以转子的中心线o ：和动中心圆不变，但是在断面z 中，转子的断面圆心不在o ，而是沿动中心圆从o 转过一个角度由因为z = ( t 2 丌) 由，所以有 以：丝：2 丝：动 一t z 这就是说，从z = 0 断面到z 断面，转子的转角由。等于衬套转角巾的两倍。在图 卜2 7 b 中，过o ：点作y o 。n = 由。和动中心圆交于点o ，o 7 点就是z 断面中转子的 断面圆心，有了圆心，就可以作出转子的断面圆。 下面来证明，o - 7 点一定在伽直线上，即在衬套长轴上，在动中心圆内，o ，o ，7 弧长为 o l o l = e 巾i 设o 。点为衬套长轴o m 与动中心圆的交点， 则在动中心圆内0 1 0 ”弧长为 0 1 0 l ”= 2 e 巾 比较o m o 。与o i o ”的弧长，因为巾= 2 由，则 o x o i ，2 0 i u i o ” 这样说明o 。和o 。一定重合，而且位于 衬套长轴上，因此在任意断面z 中，转子的截 面圆心是位于衬套长轴上，同时是动中心圆和 衬套长轴的交点。 y 么 一、，彳 鹩 烂夕一i 田2 - i - 8 运动规律简囝 下面来证明，当转子工作时，任意断面z 中转子断面圆心是沿衬套的长轴方向 大庆石油学院工程碗士专业学位论文 作直线往复运动 如图2 - 1 8 ，设0 - 7 点的速度为u ，其沿x ，y 轴分量为”x ，”v ，依据前文 所述的运动合成得 l u ，= e 一e ( j c o s 2 8 = e c o ( 1 一c o s 2 8 ) = e 1 2 , ，s i n 2 8 b = 研 考= 孚卅 由比可见，0 7 点的速度方向与衬套长轴叫相一致，而且0 又在长轴上，故 转子任意z 截面的圆心在衬套断面的长轴方向运动。 。= 再历= e 拓鬲历万面面 = 2 e a ，s i n g = 2 e c o s i n ( o 谢) 由此，转子在衬套中运动特点可以总结为以下两点： 在转子定子副的任意断面上，转子截面中心位于衬套断面的长轴上； 随着转子的转动，该断面上的转子截面中心沿衬套断面的长轴方向作直线 往复运动。 2 1 4 螺杆泵的力学问题 1 转子的理论扭矩 转子定子副将机械能转换为液体能， 2 ，村= a p g 其中q = 4 e d t 则 肘= 等p 若不考虑损失，则由能量转换关系得 式中m 转子的理论扭矩( 有功扭矩) ； q 螺杆泵的单转排量； a p 螺杆泵吸入端与排出端的液压差。 此外，转子与定子之间还存在着摩擦扭矩( 无功扭矩) ，摩擦扭矩的大小主要与 螺杆泵自身的结构参数、定子橡胶的机械物理性能( 主要是硬度) ，定、转子间的过 盈量及热溶胀性能等因素有关。摩擦扭矩的大小一般是通过室内试验检测得到的经 验数据。 2 转子轴向力 由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体有压差存在，所以转子定子副中的液 第2 章螺杆泵采油的工作原理及种类 体将对螺杆泵的定子、转子旌加力的作用，设转子螺旋面上某点处所受的正压力为 d f ，则其轴向分量d f a 与其周向分量d f o 的关系为 d e , 2 玄。d e , 式中p 受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离； t 转子螺距。 t = 2 t d f 对转子轴线的力矩为 a r m = d e , p 2 寺啦 对上式两边在整个转子定子副面上进行积分得 i z d m = m j 去矾= 去 即有 e ；挈肘：8 e d a p 式中f 广带子螺旋面上所受的轴向力。 另外，转子端面也受液体压差的作用，所以端面轴向力f 为 c = 洋一- - 等) a p ( 2 - 1 - 1 5 ) 式中d 转子截圆直径； d 抽油杆直径。 由此转子所受的总轴向力为 e = e + 只_ ( 8 e 1 ) + 譬一争a p ( 2 - 1 - 1 6 ) 2 2 常规转子螺杆泵 。 螺杆泵的种类很多，并且发展迅速，自2 0 世纪8 0 年代中后期开始研发地面驱 动螺杆泵采油系统以来，常规螺杆泵已形成排量为2 - 2 4 0 m 3 d 、扬程为5 0 0 - 1 8 0 0 m 的 系列产品，并己在国内各大油田逐步推广应用。大庆油田自1 9 8 6 年到1 9 9 2 年开展 1 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 了g l b l 2 0 2 7 型螺杆泵的研制，初期由于螺杆泵定子质量不过关及其配套工艺技术 不完善，导致现场试验井抽油杆断脱、油管脱落及泵定子脱胶现象时有发生，螺杆 泵使用寿命较短。1 9 9 3 年至1 9 9 8 年针对大庆油田三次加密井采油和排液的需要，先 后完成了g l b 4 0 - 4 2 和g l b 7 5 - 4 0 型螺杆泵机组的研制；针对聚合物驱油井举升的需 要完成了g l b 5 0 0 - 1 4 和g l b 8 0 0 - 1 4 型螺杆泵机组的研制。2 0 0 0 年至2 0 0 2 年针对三 元复合驱油井举升和电泵井转型的需求完成了g l b l 2 0 0 1 4 型螺杆泵机组的研制。但 在洗井工艺上，常规螺杆泵的热洗液是从油管和套管之间的环空注入，经泵下端筛 管进入泵的吸入口，再经螺杆泵进入油管进行洗井清蜡，这种洗井方式存在三方面 的不足： 其一，由于泵的排量小，热洗时间长，影响抽油的时间； 其二，洗井热水循环慢，到达泵的热洗液温度变低，清蜡效果差； 其三，热洗时井底憋压高，容易损伤地层，油井恢复时间长，同时易引起抽油 杆脱扣。 目前另一种洗井方式是用吊车将转子提出定子，熟洗液经定子内腔直接进入油 管，洗井效果好，但费用高，热洗工艺复杂，劳动强度大。为此研制了一种能提供 一种简便易行热洗工艺的螺杆泵一空心转子螺杆泵。 2 3 空心转子螺杆泵 2 3 1 空心转子的结构设计及加工 从提供液体流过转子的内通道来看，空心转子可分两种结构，即直通式空心转 子( 如图2 - 3 - 1 ) 和等壁厚空心转子( 如图2 3 2 ) ，二者各有优缺点。 圈2 - 3 一l 直通式空心转子示意图 圈2 - 3 2 等壁厚空心转子示意图 1 直通式垫断 优点：这种工艺制成的空心转子，尺寸精度很高，转子型线误差很小，与定子 1 7 第2 章蠕杆泵采油的工作原理及种类 配合较好，螺杆泵整体性能稳定。 不足：直通式空心转子内通径受螺杆泵结构参数限制，易在壁薄处形成受力薄 弱点；内孔径较小，液流阻力大，热洗时压力高。 2 等壁厚空心转子 等壁厚空心转子采用等壁厚管材( 壁厚6 8 咖) ，用压力机推送等壁厚管材通过 挤压模具，形成等壁厚空心转子，再经后续加工形成最终产品。 优点：这种工艺制成的等壁厚空心转子，可加工成任何偏心、直径的转子，适 应范围广，可形成系列产品，空心转子壁厚均匀，受力好，中心通孔直径大( 达由 2 8 m ) ，液流阻力小。同时加工工艺简单，生产效率高，成本低。 不足：等壁厚空心转子尺寸精度控制和螺杆泵定子配制较困难。 2 3 2 空心转子结构参数设计 螺杆泵参数设计和匹配上，应遵循以下三点准则： 一是采用小的偏心距( e ) ，可以减小钢性转子对定子橡胶的惯性冲击，延长定 子寿命，同时减小工作扭矩； 二是采用大导程( t ) 和大的转子直径( d ) ，可以增加螺杆泵排量，生产上适应 低转速、大排量需要，延长螺杆泵使用寿命； 三是参考石油大学万邦列教授推导的相关公式。 在参数设计上借鉴了成熟的实心转子螺杆泵参数。以目前应用中较成熟的 g l b l 2 0 - 2 7 和g l b 5 0 0 1 4 螺杆泵参数为基础，设计了两种空心转子螺杆泵，k g l b l 2 0 2 7 和k g l i 5 0 0 - 1 4 ，具体参数见表2 3 一l 。 表2 - 3 - 1空心转子螺杆泵参数表 1 强度校核公式推导 为了保证空心转子安全稳定地工作，要求其最大剪应力必须小于材料的许用扭 转剪应力 t 】 最大剪应力公式为： t 。= 外， m2 f 【】 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 2 3 一1 ) 式中：to 一空心转子承受最大剪应力，m p a ； t 。空心转子承受最大扭矩，n m ： w t 抗扭截面模量， m 3 。 t 一：1 c 9 5 4 9 粤q 儿 式中：k 电机过载特性，k = 1 2 0 ； n 电机功率，k w ； n 螺杆泵最佳转速，n = l s 0 r m i n ； r l 广电机效率，i i 。- - 9 0 ： r l 广机械转动效率， f i2 = 8 傩 w r - 0 2 d 3 0 一a ) 式中：d _ 空心转子外径， d 一空心转子内径，m ； a 一内外径之比，a = d 0 。 根据上面三个公式，可推导出下面公式： d ：f1 - 窒竺【_ l d( 2 寸2 ) l0 2 d t 。j 空心转子刚度校核 扭转构件除满足强度条件外，还需满足刚度方面的要求，否则将不能正常地进 行工作。 空心转子应满足的刚度条件为： e 。= 导x 孚邓】 2 寸3 式中：o 。一单位长度的扭转角，度； g 一材料的剪切弹性模量， g = 7 9 3 8 1 0 飞l p a ； i ，一横截面对圆心的极惯性矩， m ； ( o ) 一许用扭转角，度m 。 根据上面公式，可推导出下面公式： i ，= 虽一d ) ( 2