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大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 螺杆泵采油系统优化延长检泵周期技术研究 摘要 通过对近年来螺杆泵应用情况分析，目前影响螺杆泵检泵周期的主要原因是杆柱问题 和泵问题。在杆柱问题中，杆断问题最严重，而在泵问题中，泵漏失占的比例最大，主要 是定子橡胶损坏和转子断脱。因此，为了延长螺杆泵检泵周期、扩大应用规模，开展螺杆 泵采油系统优化技术研究，以保证螺杆泵采油系统的优良工作性能和高效运行。 本文利用动力学和流体力学原理，分析杆柱受力、振动、转速和抗扭等状态，建立了 螺杆泵采油系统优化设计模型和杆柱扶正器优化设计模型，确定了杆柱扶正器合理布置方 式，使螺杆泵系统能够保持长期高效运行，有效防止杆管偏磨。通过对定子橡胶与不同举 升介质的适应性研究，使定子橡胶更具有针对性和目的性，研究确定了螺杆泵定子橡胶的 检测和评定方法，以及合理过盈量的选择原则。通过对螺杆泵定子结构及参数的优化设计， 开发了等壁厚定子螺杆泵，解决了常规螺杆泵定子受力、散热和溶胀不均匀等技术不足： 在现场应用中充分表现出了泵效高、系统效率高的特点，显示了良好的工作性能。螺杆泵 采油配套技术是保证油井正常生产、提高油井运转时率和检泵周期、实现有效举升的不可 缺少的辅助技术措旌，本文在螺杆泵采油系统优化设计的理论基础上，对防偏磨等配套技 术进行了试验研究。 通过螺杆泵采油系统优化延长检泵周期技术研究，有效解决了目前螺杆泵井杆柱断脱 和泵损坏等问题，达到了螺杆泵系统运行效率高和检泵周期长的目标。 关键词：螺杼泵采油；系统优化：定子橡胶；等壁厚定子；检泵周期 t h er e s e a r c ho no p t i m i z i n ga n d p r o l o n g i n gt h ec h e c k i n g p e r i o do ft h ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p s y s t e mf o ro i lp r o d u c t i o n a b s t r a c t m o u g ht h ea n a l y s i so np c pa p p l y i n gc i r c u m s t a n c ei nr e c e n ty e a r s ，w eh a v eg o tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h em a i nc a u l st h a ta f f e c tt h ec h e c k i n gp e r i o do fp c pa r ct h ep r o b l e m so fr o d s t r i n ga n dp r o b l e m so fp u m p a m o n gt h ep r o b l e m so fr o ds t r i n g ，b r o k e ni st h e 。m o s ts e v e r e s t p r o b l e m ，a n da m o n gt h ep r o b l e m so f p u m p ，l e a k a g et h a tm a i n l yd u et ot h e d a m a g e o f t h es t a t o r r u b b e ra n db r o k e no ft h er o t o rt a k e st h el a r g e s tp r o p o r t i o n s oi tm a k 船ab i g 釜毒面n c et o d e v e l o pt h er e s e a r c ho nt h eo p t i m i z i n gt e c h n i q u e so fp c ps y s t e m 甜为白。j 心参r o l o n gt h e c h e c k i n gp e r i o d , e n l a r g ea p p l y i n gs c a l e ，e n s u l e x c e l l e n tw o r k i n gp e r f o r m a n c ea n de f f e c t i v e r u n n i n go f p c p t h i st e x tm a k e su s eo f t h ed y n a m i c sa n dt h eh y d r o d y n a m i c sp r i n c i p l e s , a n a l y z e st h es t a t e s o fu n d e rs t r e s s ，l i b r a t i n g ，r o t a t es p e e da n dh o l d i n gt o r q u eo nt h er o ds t r i n g ，e t c p c ps y s t e m o p t i m i z e dd e s i g nm o d e la n dt h ec 蹦t r a l i z e ro p t i m i z e dd e s i g nm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d , b e s i d e st h a tw eh a v ec o n f i r m e ds o l dc o l l o c a t i o no ft h ec e n t r a l i z e r , w h i c hm a k e sp c ps y s t e m k e e pl o n g - r a n g e dr a n m ge f f e c t i v e l ya n da v o i de c c e n t r i c 懈o fr o ds t r i n ga n do i l t u b e t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ea d a p t a b i l i t yo fs t a t o rr u b b e rt od i f f e r e n tr a i s i n gm e d i u m s ，w eh a v e i m p r o v e dt h ep e r t i n e n c ea n dp u r p o s e f u l n e s so ft h e s t a t o rr u b b e r t h e nw ee s t a b l i s h e dt h e c h e c k i n gm e t h o d , e v a l u a t i n gm e t h o d ，a n dt h es e l e c t i o np r i n c i p l eo f p r o p e ri n t e r f e r e n c e t h r o u g h t h eo p t i m i z i n gd e s i g no ft h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro fs t a t o r , w eh a v ed e v e l o p e dt h es a m e w a l l t h i c k n e s sr o t a r ys c r e wp u m p t h e nw eh a v es o l v e ds o m et e c h n i c a lp r o b l e m so fg e n e r a l p u m ps u c ha sa s y m m e t r yo fu n d e rs t r e s s ，h e a te m i s s i o n , a n ds w e l l i n g i th a sp u tu ph i g hp u m p e f f i c i e n c ya n dh i g hs y s t e me f f e c t i v e n e s ss u f f i c i e n t l y ，s h o w ng o o dw o r k i n gp e r f o r m a n c e p c po i l e x t r a c t i o no u d i tt e c h n i q u ei st h ei n d i s p e n s a b l ea s s i s t a n tt e c h n i c a lm e a s u r e si ng u a r a n t y i n g r e g u l a rp r o d u c i n g ，i m p r o v i n gr u n n i n gt i m er a t eo f t h eo i lw e l l ，p r o l o n g i n gt h ec h e c k i n gp e r i o do f t h ep u m p ，r e a l i z i n ge f f e c t i v el i f t b a s i n go nt h et h e o r yo fp c ps y s t e mo p t i m i z i n gd e s i g n ，t h i s t e x th a sd o n ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h eo u t f i tt e c h n i q u e ss u c h 越p r e v e n t i n ge c c e n 血i cw e a r t h r o u g ht h er e s e a r c ho no p t i m i z i n ga n dp r o l o n g i n gt h ec h e c k i n gp e r i o do fp c ps y s t e m ，w e h a v es o l v e ds o m ep r o b l e m ss u c ha st h eb r o k e no fr o ds t r i n g ，t h ed a m a g eo fp u m pa n dh a v em e t t h ea i mo f h i g hr o t a r ys c r e wp u m po p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dl o n gc h e c k i n gp e r i o d k e y w o r d s ：p c pf o ro i lp r o d u c t i o n ；s y s t e mo p t i m i z a t i o n ；s t a t o rr o b b e r ；s a m ew a l l - t h i c k n e s s s t a t o r ；c h e c k i n gp e r i o do f p u m p 2 大庆石油学院工器硬士研究生学位论文 第一章前言 螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，具有投资少、设备结构简单、操作方便、 节能效果明显以及适应性强等诸多优点，因而在当今世界各国油田生产中占有举足轻重的 地位。特别是油田开发中后期，将成为油田主要的人工举升开采方式。但螺杆泵采油技术 在国内外尚处于发展阶段，在现场应用中还存在着许多不适应，其使用寿命与柱塞泵和电 潜泵采油技术相比仍有一定差距，因而进一步提高地面驱动螺杆泵采油系统的工作性能， 充分发挥其独特的优势是当前国内外研究的重点。 1 1 采油螺杆泵发展概述 地面驱动螺杆泵采油起源于八十年代初期，法国、加拿大、美国和德国等相继开发成 功后，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 4 2 j 。 8 0 年代中期，我国各大油田相继开始应用螺杆泵采油技术，目前已有十几家螺杆泵制造厂 家，形成了十几个系列，其配套工艺技术也基本完善。 前苏联对低压头螺杆泵的工作特性进行了理论和实验研究，在建立了容积损失、机械 损失的理论和经验计算模型的基础上，试验分析了螺杆泵结构参数对其工作性能的影响。 研究表明螺杆泵的转子直径、定予导程、偏心距以及定转子间的过盈存在一定的联系，只 有各结构参数维持一定值的条件下即存在合理值，单螺杆泵才能保证高效率和长期的工 作，并给出了主要结构参数的最优比值选择范围i l - - 0 3 。e a 硒矗璜且m 还专门对定转子问的间 隙及过盈对泵特性的影响进行了试验研究。研究认为定转子间的过盈对单螺杆泵的工作性 能有很大的影响，增加过盈量可减少容积损失，但也会加大机械损失m 。这些理论和试验 数据只是适用于低压头螺杆泵，而对于采油用的高压头螺杆泵尚需进行有关的试验和理论 研究工作。 华东石油大学水力机械课题组和大庆采油工艺研究所对采油螺杆泵的工作特性进行 了初步试验研究。试验研究了举舞介质温度、粘度对螺杆泵工作特性的影响，试验表明举 升介质温度、粘度是影响螺杆泵容积效率的主要因素之一【l ”。m a j i d d 等学者对螺杆泵 抽汲含砂流体的耐磨性进行了研究，研究认为对螺杆泵的结构参数和工作参数进行优化能 够有效降低泵的磨损延长螺杆泵的使用寿命t 1 3 - 1 5 1 。大庆石油学院姜民政等进行了单螺杆泵 吸入口压力对泵特性影响的试验研究，认为泵吸入口真空度较小时，泵特性参数变化不大， 而吸入口真空较大时，泵的工作状况急剧恶化i l6 j 。 采油螺杆泵的工作寿命很大程度上取决于定子衬套耐油橡胶的性能，橡胶定子受多种 因素的影响，直接影响螺杆泵的工作特性【1 7 1 钔。国外主要研制和应用丁腈橡胶、超高丙烯 腈含量橡胶和氢化丁腈橡胶三种。普遍采用的是加工工艺稳定可靠的丁腈橡胶及其改性胶 1 1 9 - 2 0 1 。 胜利油田扬玉生等人提出了为改善衬套型线精度提高密封性能的定子型线简易修正 第一章前言 法拉”“。大庆油田韩修廷提出为保证定子橡胶衬套的型线，建议在设计定子模芯时，应根 据橡胶配方的不同，考虑橡胶在硫化过程中的收缩给予修i f t 2 4 t 5 1 。 对定子橡胶的变形规律，特别是与举升介质的适应性尚无人进行深入研究。 综上所述，在采油螺杆泵工作特性研究中，还有以下不足： ( 1 ) 没有系统研究采油螺杆泵结构参数、工作参数和工况环境对其过盈量的影响，实验 研究工作开展得比较少； ( 2 ) 对螺杆泵定子衬套的变形规律及其对泵特性的影响没有进行研究； ( 3 ) 从改进结构设计、改善力学特性角度来提高螺杆泵工作特性方面没有进行研究与实 践。 螺杆泵采油配套技术是保证油井正常生产、提高油井运转时率和检泵周期、实现有效 举升的不可缺少的辅助技术措施。随着螺杆泵采油技术应用领域的逐渐扩大，其配套技术 的研究也得到深入开展田】。 前苏联和法国的学者对螺杆泵井杆柱的负载扭矩进行了理论研究，并给出了相应的计 算模板【3 4 。辽河油田隋少波等人也对螺杆泵采油抽油杆柱的负载特性进行了理论分析，建 立了杆柱负载计算数学模型和杆柱强度设计理论。分析表明杆柱的负载扭矩不仅与介质粘 度有关，而且与杆柱的转速和秆柱、管柱的结构尺寸有关 3 5 - - 3 7 1 。西安交通大学张军博士等 对杆柱转速对负载特性的影响进行研究，得到杆柱的转速过高不仅会使抽油杆柱旋转所受 粘性摩阻增大，而且会使环空管内油液流动的摩阻变大。建议在满足排量、泵效等条件下 尽量不要使杆柱的转速过高的结论同。大庆油田的韩修庭、卢怀宝等人对杆柱的稳定性、 弯曲变形规律进行了分析，探讨了杆柱安置扶正器的分布规律【3 卜3 5 l 。 d j w f l t s e 等人开展了应用连续抽油杆降低负载扭矩和操作成本的试验【3 7 4 ”。大庆油 田采油工艺研究所针对螺杆泵采油井杆柱的负载特性开展了杆柱断脱机理及专用防脱抽 油杆的研制工作，开发的专用防脱抽油杆可以有效解决螺杆泵井杆柱断脱问题f 铲”j 。 虽然目前对杆柱的负载特性以及动态特性进行了较深入的理论研究，但因缺乏深入的 室内及现场试验研究，加之井况的复杂性、多变性，所以理论结果与实际状况相差较大， 现场应用中杆柱故障仍时有发生。 1 2 论文研究的目的和意义 大庆油田自1 9 8 6 年引进首台螺杆泵以来，经历了引进、消化吸收、自主开发三个阶 段，经过研究与试验表明，螺杆泵采油技术是能够实现经济有效举升的机采方式。到目前 为止，大庆油田公司在用螺杆泵已经超过2 0 0 0 口井，成为继抽油机和潜油电泵之后的主 要人工举升方式之一。但螺杆泵采油井仍经常出现杆柱、管柱断脱、定转子抱死、转子不 连续运转、定子衬套橡胶过早失效等故障，致使螺杆泵的使用寿命、螺杆泵井的运转时率 和检泵周期较短，没有充分发挥螺杆泵采油技术优势，严重影响了该项技术的推广应用。 其主要原因是目前对螺杆泵系统优化理论与试验研究不够深入，没有行之有效的改善螺杆 泵工作特性的方法，加之配套技术的不成熟不完善所致。 因此为了提高螺轩泵整体应用水平，扩大螺杆泵采油技术的应用规模，提高运转时率， 大庆石油学院工程硬士研究生学位论文 开展螺杆泵系统优化延长检泵周期技术研究，在理论研究和分析的基础上，对泵体结构及 杆柱进行优化设计，对定子橡胶进行适应性研究，增强撤胶与不同举升介质的配伍性能， 实现螺杆泵个性化设计，使螺杆泵举升技术更具针对性和目的性。本课题的研究将改善螺 杆泵工作性能，提高螺杆泵的适应性，进一步延长检泵周期，更好发挥螺杆泵举升低成本、 低能耗的优势，为大庆油田机采井实现高效举升降低采油成本提高采油效益具有积极的现 实意义。 1 3 本论文研究内容及技术创新点 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 开展杆柱优化设计试验研究。利用动力学和流体力学原理，分析杆柱受力、振动、 转速和抗扭等状态，建立螺杆泵系统优化设计模型和杆柱扶正器优化设计模型，确定杆柱 扶正器合理布置方式，使螺杆泵系统保持长期高效运行，有效防止杆管偏磨。 ( 2 ) 开展螺杆泵定子橡胶的适应性技术研究。针对大庆长垣水驱和聚驱驱替方式，研究 确定螺杆泵定子橡胶的检测和评定方法，给出螺杆泵评价标准和水聚两种驱替条件下的配 泵方法，以及合理过盈值的选择原则。 ( 3 ) 开展等壁厚螺杆泵研制试验。试验研究橡胶均匀厚度的螺杆泵定子结构参数，并进 行现场试验。 ( 4 ) 试验防偏磨、延长检泵周期的配套技术。 1 3 2 本论文的研究内容及技术创新点 ( 1 ) 确定了螺杆泵系统优化方法，通过举升参数优化设计，解决杆管泵的合理匹配等问 题，有效地延长了螺杆泵检泵周期。 ( 2 ) 成功开发了等壁厚定子螺杆泵，解决了常规螺杆泵定予散热、溶胀不均匀等技术问 题。 ( 3 ) 确定了定子橡胶检测标准，研究了影响螺杆泵定子橡胶使用性能的主要因素及规 律，为配泵及定予橡胶配方的优选提供了理论依据。 在研究过程中，申报国家发明专利l 项，国家实用新型专利2 项。 z l0 1 2 2 2 6 3 8 6等壁厚橡胶螺杆泵定子 2 0 0 5 2 0 0 2 1 7 8 5 7 采油等壁厚定子螺杆泵 2 0 0 3 1 0 1 0 7 6 6 2 0等壁厚螺杆泵定子的加工方法 第章螺杆泵采油系统优化设计方法研究 第二章螺杆泵采油系统优化设计方法研究 螺杆泵井系统优化设计的任务主要有两个方面，一是优化确定油井的供液能力，即确 定合理流压条件下的产量，这部分内容在大庆采油工程研究院师国臣的博士论文中已进行 了详细的研究和论述，不在本文的研究范围之内。二是井下螺杆泵优化设计，即在满足由 油井供液能力所确定的产量的前提下确定下泵深度、选择泵型、进行杆柱优化设计和计算 工作参数，使效率最高、能耗最小。 2 1 井下优化设计方法研究 2 1 1 井下螺杆泵优化设计 ( 1 ) 泵入口处压力模型 在对套管中流体的流动形态划分基础上，选用适应性较强、精度较高的奥可适韦斯基 ( o r k i s z e w 嚣k i ) 垂直管多相流压降模型，通过对液体从井底流经泵入口处套管网内多相压 降计算，确定泵入口的压力计算公式为： 她=上竿瓣(2-z6366 ) 翘2 一j 菇而谣产触 ) 7 7 9 2 2 x 1 0 7 名a 则，井底至泵入口处的压降可表示为： 上 印= 一啦 ( 2 - 2 ) 式中卜计算区段所划分的单元数； p r 一第f 个单元内压力降，m p a ； 广一第i 个单元的高度，m ； p 广- 一第f 个单元内多相流体平均密度，k g 甜； 珩一第i 个单元内多相流体的平均摩擦损失梯度，m p a m ； 职，一计算管柱内第f 个单元内多相流体的质量流量，k g s ： q g 广_ 第f 个单元内自由气流量，m 3 s ： p 广_ 一第i 个单元内的平均压力，m p 8 ； 4 p 一计算管柱的过流面积，m 2 ， a p = x d 2 4 ， 其中d 套管直径，m ； 则泵入口压力为： p i n = p w f t e a a p ( 2 - 3 ) ( 2 ) 泵出1 ：3 处压力模型 大庆石油学院工程预士研究生学位论文 根据奥可适韦斯基( o 嘣s z e w c s k j ) 垂直管多相流压降模型，过流面积为： 4 = 三( 霹一) 从井口至泵出口的总压力降为： = 锄( 2 - 4 ) 因此，泵出口压力为： = 一( 2 - 5 ) 式中尸i 油管内第i 个单元内的压力降，m p a ： 氏h _ 甜口压力，m p a ： ( 3 ) 液体在油管中的沿程阻力损失 只= 瓦1 f 9 2 q 西p d 确r h x l 0 - 9 ( 2 - 6 )，r ( d ：一癣) 2 ( 露一霹) 则螺杆泵的泵载荷为： 蝇= r 旷+ b ( 2 7 ) 螺杆泵的泵压头为： 点k = p bx 1 0 6 ( p g )( 2 8 ) 式中且由原油粘温曲线、地温梯度回归的油井粘度、油井深度函数； 油井产量q 。时，举升液体所需的压头，m ： p 一井液平均密度，k g m 3 ： ( 4 ) 螺杆泵泵型确定 根据不同泵型的特性曲线，确定泵的容积效率，并计算出泵的理论排量。参考泵效和 系统效率指标，确定泵排量； 口：l 一1 0 6( 2 9 ) 1 4 4 0 慨 式中母一每转理论排量( 泵型号) m l r ： q r 一产液，o ，d ： 卜碟速，d m i n ； ”，泵的容积效率， ( 5 ) 泵挂深度确定 根据泵进出口压力，即可确定泵挂深度。 ( 6 ) 合理沉没度确定 以系统效率最高或经济效益最好为目标，在满足油井产量的条件下，优选目标值。 螺杆泵转速确定： 在满足产量的前提下，以系统效率最高为原则。 第二章螺杆泵采油系统优化设计方法研究 疗2 1 4 4 0 x 鱼4 e d t t l , x 1 0 9 式中卜- 泵容积效率，o 卜- 泵偏心距，衄； d 卜螺杆泵转子直径，r a m ； 弘鼹杆泵定子导程，m m ； ( 8 ) 螺杆泵理论捧量： g = 4 e d s 式中p 理论捧量，m l r ； 卜滴心距，c l l ； 玉增子直径，c m ； j 一定子导程，c m 。 ( 9 ) 螺杆泵额定压力 p 2 p l + 见+ 刃 其中plffi(l-h)srd r 0 0 0 p 2 = - p c ， p 3 = 1 3 3 io 。丽彘 式中p l 泵举升液体时产生的压力， v p a ； l 泵挂深度，m ； _ i 卜动液面深度，m ： 阳井口出油管线对井口的回压，m p a ； q 一产液量，m 3 ，d ： 尸卜一产液在井下油管内流动时的沿程阻力损失， v i p a 。 2 1 3 井下杆柱优化设计 ( 1 ) 杆柱的轴向载荷 r = f l + 足+ 局+ 只 杆柱自重： f ：鲨二篓也 4 泵进出口压差引起的轴向载荷： e = 2 + 1 6 e r ) 刖o 1 0 6 泵内衬套间的摩擦载荷： f 3 = 7 5 0 k ( 2 - 1 0 ) f 2 - 1 1 ) f 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) f 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 大庆石油学院工程硬士研究生学位论文 杆柱在液体中的浮力： 只：( d 7 - - d d r , ( 2 - 1 7 ) 式中函。如一分别为杆柱的外径和内径，m ； y r _ 干柱密度，n m 3 ： 杆柱长度，m ： 卜泵转子截圆半径，m ； 扣弓暴偏心距，m ； 扣螺杆泵衬套的螺距数； 乒过盈值，m m ； 】i r 采出液密度，n m 3 。 ( 2 ) 杆柱扭矩 = m + m 2 + m 3 + 地 ( 2 i s ) 泵举升液体所需扭矩，即驱动扭矩 m l = 9 5 9 5鲁=955吉黑翰=1105警(2-19)243 6押行 一 九 克服杆与井液摩擦扭矩 炉筹+ 锷22 + 锷 ， 克服泵内摩擦阻力所需扭矩，主要由初始过盈所产生的扭矩和高温高压造成热胀和溶 胀生产的扭矩 肠3 = 9 1 3 8 一万o “+ 4 6 5 ( 2 - 2 1 ) 克服杆与管及扶正器间的摩擦扭矩( 半干摩擦) ：目前无法从理论上进行计算，需要 通过试验测定，一般从经验上以每安装1 个扶正器增加扭矩i n m 计算。 式中，r 一杆转速，r m i n ； 卜泵输出功率，w ； 卜产液，m 3 d ： p 一泵进出口压差，m p a ； 肛- 抽油杆根数； 如、函分别为杆接箍和扶正器的外径，m ； 毋一油管内径，m ： l r _ 一油管内井液平均粘度，m p a s 。 ( 3 ) 杆柱弯矩 m 。= 等警口 ( 2 - 2 2 ) 式中 毛由离心惯性力引起的的弯矩，n m ； 第二章蠕杆泵采油系统优化设计方法研究 相邻扶正器问杆柱的长度，m ； 口一与挠曲线变形方程有关的系数，r n 。 ( 4 ) 杆柱应力设计 由于杆柱同时受拉、扭转载荷和弯矩的作用，横截面上各点产生剪应力和拉伸正应力， 且为塑性材料，其中实心杆的抗扭截面模量为w u = x d 3 1 6 ，空心杆的抗扭截面模量为 w r = 极1 3 1 6 ( 1 ) ，分析表明采用第四强度理论计算比较符合实际，即 r ：= 盯= 、+ 3 r 2 ( 2 2 3 ) 杆柱设计强度条件为： 疗= 6 瓦兰 h i( 2 2 4 ) 式中即杆柱正应力，m p a ； ：旦1 0 4 f ：丝l o 。6 嵋 月秆柱内外径之比，无因次； 根据抽油杆强度设计理论，把抽油杆的实际应力控制在许用应力( 即疲劳极限除以安 全系数) 以下，来保证抽油杆的疲劳寿命大于1 0 7 ，故仃盈正l 】。 ( 5 ) 杆柱扶正器优化设计 根据杆柱旋曲或共振来确定扶正器位置。螺杆泵杆柱在较高转速下运动，由于各种原 因使细长的抽油杆柱不可能保持垂直状态，而会产生一微小的侧向位移，一方面侧向位移 在转速作用下将产生离心力，另一方面由于杆柱的弹性作用将产生恢复力，来减小侧向位 移发生，当离心力大于恢复力时，杆柱的侧向位移会逐步加大，导致杆管碰撞摩擦。假设 扶正器之间的杆柱以扶正器为中心轴线做旋转运动，则任一微小位移y ，将产生离心力和 恢复力分别为： fo=m(s)(2-25) r=砂(2-26) 则，杆柱自身固有频率为： p = ，肼) “( 2 - 2 7 ) 式中竹扶正器间杆柱的重量，k g ： n 广啪油杆旋转角速度，l a d $ ； 卜嵌正器间杆柱在轴向力作用下的横向弯曲刚度，n m m 2 ： r 一杆柱初始偏心距，m 。 根据杆柱发生碰撞摩擦的临界状态，令r = f i ， 则有： y = j 耐( p 2 - 2 ) ( 2 - 2 8 ) 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 2 2 运行参数对系统影响理论分析 2 2 1 抽油杆转速对系统的影响 分析表明，在地面驱动的螺杆泵采油系统中，螺杆泵转速与环形管道形状、流体粘度 有直接的关系，根据粘性流体力学的理论，抽油杆在井液中以匀加速和匀速旋转时所受摩 擦力矩如公式( 2 - 2 0 ) 。 显然，在杆管直径及井液粘度不变的情况下，抽油杆柱旋转所受流体摩擦阻力矩与转 速角速度成正比，螺杆泵旋转速度越高，抽油杆柱所受到的摩擦阻力矩就越大。 我们在喇6 - 2 4 2 8 井进行了现场试验，测试在不同转速下扭矩和轴向力变化( 见图2 - 1 ) ， 结果表明，当转速低于1 6 0r r a i n 时转速与扭矩和轴向力基本呈线性关系，当转速超过1 6 0 r m i n 时扭矩和轴向力大幅度上升。 + j 瞍lt 翻 划 。 两亿j ， 一枷= ： 。玎* 鞠碍：， - _ 一一 一- l 硒5 一 ，* 舶1 1 _ 筠丌t 巧。霸3 ( m s 竺：= 二二二二彳 。 2 0i o8 08 0l o ol 如1 4 01 l 们2 0 0 转教 图2 1 扭矩和轴向力随转数变化的关系曲线 f i g 2 1 1 1 艟r e l a t i o n s h i pb e t w e e n r e v o l u t i o na n dt o r s i o n a lm o m e n t 2 2 2 杆柱直径对系统的影响 根据上述理论，螺杆泵井正常运行时，抽油杆旋转受到井液的摩擦阻力矩与抽油杆直 径的平方成正比，在油管直径不变的情况下，抽油杆旋转受到井液的摩擦阻力矩与抽油杆 直径的平方成正比，增大抽油杆直径将会使流体摩擦阻力矩急剧增大。计算结果表明，在 0 7 6 m m 油管内，抽油杆直径由0 2 8 m m 增加到0 3 8 m m ，杆旋转扭矩比原来约增加1 1 2 倍。 可见，在满足强度的情况下尽可能采用较小直径抽油杆将会使流体摩擦阻力矩大幅度降 低。 2 2 3 举升液体对系统的影响 众所周知，液体在油管内被举升过程中，受流态变化影响，其流动摩擦系数不同。在 9 帆呲啪哪咐啪o 9 e t b s 3 2 l 长e警晕墩晕 第二章曩杆泵采油系统优化设计方法研究 螺杆泵采油系统中，转速对液体流态变化起主要作用。 试验表明，在低转速情况下，环空管流内流动液体近似于层流状态，其摩擦阻力系数 k f f i c 6 4 r e 1 ，在较高转速情况下，环空管流内流动液体表现为紊流状态，其摩擦阻力系数 1 - - c 6 4 r e - o 】5 。显然螺杆泵转速越高，液体的流动所受摩阻越大。 进一步研究表明，流体在旋转的抽油杆与油管之间的环形空间流动，随着转速的不同， 流体运行表现为层流、涡流和紊流等状态，因此。环空管内的流动阻力不仅与轴向雷诺数 有关，而且与旋转效应有关，根据流体力学理论，流动阻力系数公式为： d 五= 0 2 7 r e - 1 1 4 f l + o 5 9 ( ；兰苎) 2 r 腭( 2 - 2 9 ) 式中如轴向雷诺数，r e f f i p u ( d c d , ) p ： 圹螺杆泵转速，r m i n ： r e 矿瑚转雷诺数，r e = i x s g p ) ； r - 】不空间隙，m ： t r _ 液体轴向流速，其计算公式为：“= 话云e 霹d t = n 雨 e 、d 、卜吩别是螺杆泵的偏心距、断面直径和导程，m ； 显然，在螺杆泵采油系统中，随着转速增大。轴向雷诺数和旋转雷诺数增大，不仅会 使抽油杆旋转摩阻增大。也会使液流上升流动阻力增大，从而使杆柱与油管发生碰撞接触 的几率增大。 2 2 4 杆柱振动对系统的影响 根据螺杆泵的工作原理，由于转子在定子腔内绕偏心作行星回转运动，在螺杆绕轴线 转动时就会产生周期性的激振力，由于结构限制，无法对它进行结构平衡，且其转动惯量 很大，故泵在运转时振动很大，转动惯量和离心力越大，产生的振动越大。设转子的质量 为州，偏心距为e ，转速为n ，则产生的离心力近似为： f = mg 2 = me ( z n t 3 0 ) 2 ( 2 - 3 0 ) 它在水平方向和垂直方向的分量分别为f c o s m t 和f s i n m t 。显然，这是两个随时间变化 的简谐力，在这两个力的作用下引起整个泵系统的振动，特别是大中排量的螺杆泵偏心距 较大，从而其离心力也大。 因此，在较高转速下，杆柱振动也是造成杆管磨损的因素之一。 2 2 5 杆扶正器对系统的影晌 一是布置方式，二是扶正器安装形式，三是扶正器形状，四是扶正器材质。下面仅就 扶正器的布置方式对系统影响进行分析。根据分析，杆柱旋转生产的离心力对杆柱的弯矩 为： 大庆石油学院工程硬士研究生学位论文 m = 【二互缸一瑚七暑如a ( 址一瑚 ( 2 3 1 ) 由此可以计算出杆柱变形的最大挠度： = 笋心 则，两扶正器的间距工为： 址据鬻 式中) 杆柱横截面上任一点到中心轴距离，e m ； r 蚩放位置，c m ； 间距，c m ； 卜惯性矩，c m 4 ： 卜杆的弹性模量，n c i 1 ； ，r 一转速，d r a i n ； ) 钿舣_ 破形的最大挠度，c i l l ； p 广一底端轴向拉力，n ； 尺旋转半径，取螺杆泵的偏心矩，m 。 由( 4 1 ) 式可看出，螺杆泵工作时，离心惯性力所引起的弯矩不仅与转速疗的平方成正 比，也与两扶正器的间距的平方成正比。因此，杆柱扶正器间距对弯矩影响较大，不 安装扶正器或扶正器布置不合理时，离心惯性力引起的弯矩也就随之增加，必然导致杆柱 弯曲，增加了磨损的几率。 2 3 运行参数对系统影响试验分析 2 3 1 井下杆柱测试仪研制 为了分析螺杆泵井下杆柱受力状况，开展了井下杆柱扭矩测试仪的研制。主要由微处 理系统、接收模块、a d c 模块电路、供电系统、存储器、传感器及连接头等组成。其原理 是扭矩传感器和拉力传感器将扭矩和拉力信号转化为电信号，经前置放大后送入单片机的 a d c 模块转换成数字信号进行处理，存入存储器中，等待作业时起出测试仪器，通过r s 2 3 2 串口将数据传递到微机中，对数据进一步处理和分析。该仪器的特点一是安装简单，结构 合理，可直接与抽油杆相连，二是数据存储处理方便，测量数据直接存入存储器中，三是 量程大，姐矩测量范围在0 3 0 0 0 n m ，轴向力o 1 0 t 。 2 3 2 杆柱受力试验方案 ( 1 ) 在6 气3 0 1 井开展螺杆泵井杆柱受力试验，下入g l b l 2 0 0 螺杆泵，泵挂7 0 0 m ，井 下m 2 8 m m 杆柱。 第二章螺杆泵采油系统优化设计方法研究 ( 2 ) g l b l 2 0 0 型螺杆泵杆柱在不下扶正器情况下，在杆柱的中部和泵上两个位置安装井 下扭矩测试仪，地面光杆处安装测试仪。 ( 3 ) 试验所需测试数据按五个转速( 3 0r m i n 、6 0r r a i n 、9 0r r a i n 、1 2 0r m i n 、1 5 0r r a i n ) 、 沉没度( 1 5 0 m 、2 5 0 m 、3 5 0 n l 、4 5 0 m ) 四个点共2 0 种组合测试数据。 ( 4 ) 每种参数组合在运行平稳后测试4 5 个数据点。 ( 5 ) 井下扭矩测试仪器按设定下井当天的早8 ：o o 起动，测试时间为5 分种，测试间隔 2 5 分钟，一天可记录4 8 个数据点，即一种组合记录4 8 个数据点。 ( 6 ) 在并下记录测试数据的同时，要保证地面光杆、控制箱同时测试轴向力、扭矩和电 参。 2 3 3 试验结果分析 2 0 0 6 年4 月6 气3 0 1 井检泵，取出螺杆泵杆柱测试仪器进行数据回放。与光杆禊4 试数 据进行对比可以看出： ( 1 ) 螺杆泵光杆和杆中部扭矩随转数增大而增大( 见图2 2 ) ，当转数小于1 l o t r a i n 时， 扭矩基本保持稳定：当转数在1 1 0 1 5 0 r m i n 时，光杆扭矩和杆中部扭矩上升幅度较大； 当转数大于1 5 0 r r a i n 时，光杆扭矩上升幅度较大，而杆中部扭矩上升幅度较小，基本保持 稳定。 辅叛r i “ 图2 2不同转数条件下螺杆泵光杆和杆中部扭矩变化 f i g 2 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns c r e wp u m pp o l i s h e dr o d a n d t o r s i o n a lm o m e n to f c e n l r a lr o df o rd i f f e r e n tr e v o l u t i o n ( 2 ) 螺杆泵光杆和杆中部轴向力随转数增大而增大( 见图2 - 3 ) ，当转数小于1 l o t r a i n 时t 轴向7 丁基本保持稳定；当转数在1 1 0 1 5 0 r m i n 时，光杆扭矩和杆中部轴向力上升幅度较 大：当转数大于1 5 0 r m i n 时，光杆轴向力上升幅度较大，而杆中部扭矩上升幅度较小，基 本保持稳定。 大庆石油学院工程硬士研究生学位论文 辅t “i t 图2 3 不同转教条件下螺杆泵光杆乖杆中部轴向力变化图 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns c r e wp u m pp o l i s h e dr o da n d a x i a ls t r e n g t ho fc e n t r a lr o df o rd i f f e r e n tr e v o l u t i o n 2 4 杆管偏磨原因分析 根据喇嘛甸油田2 0 0 4 年螺杆泵偏磨情况统计表明，螺秆泵井抽油杆旋转产生的杆管 磨损现象与抽油机井抽油杆的往复运动产生的杆管磨损现象有一定的相似性，但其磨损机 理却不尽相同。 2 4 1 磨损位置 从磨损位置看，统计了磨损严重的4 8 口井，杆管磨损段主要集中在4 0 0 9 0 0 m 。偏磨 区域多发生在下部的主要原因是由于转子自身的偏心距产生离心惯性力所引起的弯矩，导 致杆柱弯曲发生偏磨( 见表2 - 1 ) 。 表2 - 1螺杆泵杆管磨损位置统计数据 t a b l e 2 1 t h e d a t a o f a b r a s i o n p o s i t i o n o f s c r e w 磨损段( m ) 0 4 0 04 0 0 9 0 0 _ 9 0 0 偏磨检泵并数( 口) 63 2l o 百分比( ) 1 2 56 8 2 81 9 龙 2 4 2 杆柱结构 从杆柱结构看，统计了与0 7 6 m m 油管配套的6 4 口螺杆泵井检泵情况，从应用的m 2 2 、 0 2 5 和毗8 实心杆、3 8 和西4 2 m m 空心杆中，空心杆因偏磨检泵井数所占比例和磨损率 明显高于实心杆。主要原因是由于空心杆内部是空心结构，杆外径大，体积大，所受的浮 力大，导致杆柱相对密度小，所受的重力小，同时管柱中液体向上运移过程中，对扶正器 和杆柱产生一个向上的举升力，降低了杆柱自身向下的轴向拉伸力，杆柱的“中心点”上移， 产生弯曲发生偏磨( 见表2 2 ) 。 第= 章螺杆象采油系统优化设计方法研究 表2 - 2 空心杆与实心杆磨损情况统计 t a b l e2 - 2t h ea b r a s i o ns t a ro f h o l l o ws u c k e rr o da n ds o l i dr o d 杆类型( n u n ) 中2 20 2 5中2 8 0 3 s ( 空1 0 4 2 ( 空) 偏磨检泵井数( 口) 371 03 21 2 总井数( 口) 3 i 7 9 8 47 3 4 7 偏磨检泵比例( ) 9 6 88 8 61 1 9 04 3 8 4 2 5 5 3 磨损率c q 4 6 91 0 9 41 5 6 25 0 o o 1 8 7 5 2 4 3 螺杆泵泵型 从泵型上看，统计6 0 口井，杆管磨损井主要集中在大中摊量螺杆泵中。主要原因是 由于大排量螺杆泵的转子均为双线设计，转子的离心惯性力f 是与转子头数的平方成正 比的大捧量螺杆泵在运转过程中转子的离心惯性力大，杆柱易产生弯曲，偏磨几率增加 ( 见表2 3 ) 。 表2 - 3 不同泵型螺杆泵杆管磨损情况统计 泵型 1 2 03 0 05 0 08 0 01 2 0 01 4 0 0 偏磨检泵井数( 口) 581 01 81 45 磨损率( ) 8 - 3 31 3 3 31 6 6 73 0 0 02 3 3 48 3 3 2 4 4 螺杆泵转速 从螺杆泵转速看，在泵型相同的条件下，高转速偏磨率明显高于低转速，转速大于1 8 0 r r a i n 井占6 9 2 3 ，这是由于离心惯性力与转速n 的平方成正比。转速对离心力影响大， 离心惯性力随转速的提高而增加，导致杆柱弯曲，增加了偏磨的几率( 见表2 - 4 ) 。 表2 - 4 不同转速条件下螺杆泵井磨损情况统计 转速( r r a i n ) s 1 0 0 1 0 0 - 1 4 01 4 0 1 8 0 _ 1 8 0 信磨检泵井教( 口) 31 71 9 9 总并数( 口) 1 3 98 87 l1 6 偏磨检泵比例 2 1 61 9 3 22 6 7 6 5 6 2 5 磨损率( ) 2 1 l 1 9 12 8 86 9 2 3 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 2 4 5 举升液体物性 从螺杆泵井举升液体物性分看，因杆管磨损而检泵的水驱螺杆泵井占水驱检螺杆泵并 的1 8 7 ，而因杆管磨损而检泵的聚驱螺杆泵井占聚驱检螺杆泵井的2 8 9 。显然，举升 液体粘度越高，杆管磨损越严重( 见表2 - 5 ) 。 表2 - 5 举升液体粘度对螺杆泵井杆管磨