螺杆泵工作原理和工况诊断方法.doc

本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：螺杆泵工作原理及工况诊断方法 学生姓名：谷 旭学 号：08021166专业班级：石油工程2008级4班指导教师：隋义勇 2012年 5月31 日1中国石油大学（华东）本科毕业论文螺杆泵工作原理及工况诊断方法 谷旭 指导老师：隋义勇 摘要螺杆泵又叫渐进式容积泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。它具有结构简单、流量均匀、扰动小、携带能力强等优点。在石油资源地位日益重要的今天，如何提高效率降低成本成为我们追求的主要目标，而螺杆泵的发明与使用为我们提供了一种新的有效地原油举升方式，尤其是在含砂稠油或聚驱井中成效尤为明显。本文主要就螺杆泵采油系统的组成原理及工况诊断方面研究。系统的分析螺杆泵采油系统的工况及诊断方法，并提出需要改进的未完善之处。 目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 国内外研究现状21.2.1 国外应用现状21.2.2 国内的应用现状21.2.3 发展趋势31.3 课题的主要内容4第二章 螺杆泵基本结构及工作原理52.1 螺杆泵的组成结构和工作原理52.1.1 螺杆泵的组成系统52.1.2 螺杆泵的工作原理52.2 螺杆泵采油系统的组成62.3 电潜螺杆泵采油系统82.3.1 结构组成及工作原理82.3.2 电潜螺杆泵采油系统技术特点9第三章 螺杆泵工况分析及故障诊断113.1 常见的螺杆泵故障类型113.2 螺杆泵工况诊断方法153.2.1 憋压诊断法153.2.2 电流诊断法163.3 螺杆泵井光杆受力诊断法机理分析17第四章 实例分析234.1 螺杆泵举升聚驱粘稠油液234.2 螺杆泵举升三元复合液234.3 螺杆泵举升稠油254.4 螺杆泵用于含砂稠油举升254.5 本章小结26第五章 结论与建议27参考文献28致 谢301第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研究的背景在当今社会，石油毫无疑问是一种非常重要的生产及生活消耗资源，越是发达的国家就越依赖石油，这也使石油成为了战略储备资源，而开采石油的能力无疑是起到决定性作用的因素。尤其石油的形成至少需要200万年时间，属于一次性资源。如何对有限的石油资源进行合理的长期开采已经成为我们必须面对的主要问题。20世纪30年代中期法国的moineau发明了单螺杆泵水力机械原理以来，单螺杆泵在石油工业领域得到了广泛的应用。20世纪60年代末前苏联开发应用了潜油电泵采油系统用于井下原油的举升。地面驱动螺杆泵采油起源于20世纪80年代初期，法国、加拿大、美国和德国相继开发并形成了排量为2-300，扬程为500-2000m的系列产品，并得到广泛应用。我国自20世纪80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2-240、扬程为500-1800m的系列产品，并已在国内各大油田逐步推广应用。螺杆泵是依靠泵体与螺杆所形成的啮合空间容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。螺杆泵的工作原理与齿轮泵相类似，只是在结构上用螺杆取代了齿轮。螺杆泵的优点有很多，其中最主要的是：(1)螺杆泵的流量均匀，当压力改变时，流量变化很小(2)螺杆泵有良好的自吸特性(3)螺杆泵对杂质和磨损的耐受能力很强(4)运送液体的种类和粘度范围宽广(5)压力和流量范围宽阔。压力约在8.4-340，流量可达100。这几个优点决定了螺杆泵适于提升高含砂，高粘度，高含气原油，而且具有高效低能耗的优点。综合以上几点不难看出，螺杆泵在各大油田中都有很大的应用价值，因为它不仅适于开采高含砂原油。高粘度原油以及高含气原油，其在普通油藏和水驱油藏后期的高含水开采阶段也有良好适用性。近几年来，螺杆泵采油在全世界范围内得到了广泛的推广与应用，螺杆泵也有了很大程度上的发展，种类也越来越多种多样，在油田开采中，正逐步发挥着巨大作用。随着螺杆泵采油系统应用规模的不断扩大，越来越多的故障问题也逐渐暴露在我们面前，其中最主要的几种故障是：抽油管断脱，油管漏失，油管结蜡，螺杆泵漏失，转子磨损，定子橡胶溶胀，卡泵等。造成螺杆泵采油系统出故障的原因有很多种，同一种故障也有可能是由不同的原因造成的，我们为了预防和发现这些潜在的威胁，必须按照常规的检修周期对设备进行检修，这不仅会消耗大量资金，而且若是不能及时发现，让泵带病运行，必然会加大设备的磨损，严重时甚至会造成停泵，使油田蒙受经济损失。为了避免这种不必要的损失，我们必须找出有效地方法在不影响生产的前提下，对螺杆泵的工作状况做出判断，从而提高螺杆泵的工作可靠性，找出科学管理螺杆泵的方法。所以，研究螺杆泵的工况诊断方法可以使螺杆泵的工作安全性得到提升，为螺杆泵的科学管理方法提供参考，对提高油田经济效益和市场竞争能力有着重大的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外应用现状加拿大约40%的重油井使用螺杆泵采油，其中一石油公司采用PCM/IFP联合公司生产的Rodemip地面驱动螺杆泵采油系统，井下部分连续运转了两年，地面部分5年。扬程2000m，排量240，驱动功率小，节约电耗60%-75%，投资与维护保养费用均较低。俄罗斯的螺杆泵主要应用在巴什基里亚，古比雪夫和西伯利亚等油矿，油井最长的检泵周期为二年九个月。在姆哈诺夫斯克油田，气油比高达400m3/m3，油井最长的检泵周期为477天；在粘度为1400mPa.s的油井条件下，油井最长的检泵周期达340天，中、小排量螺杆泵的泵效达到70%。印尼的Melibur油田（原油粘度8.3mPa.s），从1990年开始用螺杆泵代替电潜泵采油35口，泵挂深度4000ft（1220m），最大排量2000bpd（318）。结果表明，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70%，维护费减少了35%，缓解了油田电力供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，应用大排量螺杆泵80 口井，日产量160000桶（25600 ），泵挂深度1200m。1.2.2 国内的应用现状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还存在着一定差距。目前，大庆油田、华北二连油田和大港油田在水驱常规井上采用螺杆泵采油已达到一定规模。两油田均在低产井上使用了变频调速技术，管柱锚定均采用支撑卡瓦。二连油田将生产参数远程无线监控系统应用于螺杆泵井的日常管理，在井口安装温度、压力和电流传感器，利用RPC单井配电柜远程无线传输给中控室，进行连续监控，并可以遥控启停、自动录取数据和量油。通过变频配电柜连续录取电流，能够及时发现单井的电流波动，也可以推断出扭矩的波动，及时对单井进行事故处理。其中，大港油田在中北部高含水出砂开发区推广应用53口井，其中替代小泵生产11口井；替代大直径管式泵生产32口井；替代电泵生产7口井；长停井恢复3口井，取得了增产增效、提高生产时率、减少投资、节能降耗的效果。螺杆泵采油技术在稠油井中也得到了很好的应用，吉林油田、辽河油田、冀东油田和华北油田均在重油井上采用螺杆泵冷采，经过几年的矿场实践都取得了较好的效果，使螺杆泵成为重油井开采的主要举升手段。吉林套保油田在用91口井主要采用进口螺杆泵（加拿大）冷采，平均泵挂350米，平均泵效31，进口螺杆泵平均使用天数为298天，国产泵使用寿命为97天，进口螺杆泵最长使用时间930天（仍在使用）。1.2.3 发展趋势嘎嘎螺杆泵采油系统的发展趋势主要有以下5各方面：1.电动潜油螺杆泵：为满足稠油井、斜井及水平井举升的需要，应开发应用电动潜油螺杆泵。辽河油田研制成功了井下电潜螺杆泵，其系统与美国BAKER-HUGHES公司的基本相似，由地面控制系统、井下电缆、螺杆泵、保护器、减速器和电机等组成。电潜螺杆泵在辽河曙光油田和海外河滩海油田应用4口井5井次，收到良好的采油效果。2.探索新型螺杆泵：主要包括以下几种泵：金属定子螺杆泵、等壁厚定子螺杆泵、合成材料螺杆泵、插入式螺杆泵和多吸入口螺杆泵。3.螺杆泵杆柱卸扭技术：螺杆泵停机后，尽管驱动装置可以卡住光杆防止反转，但杆柱储存的弹性能量，以及油套管液位高差造成的螺杆泵马达效应，会造成起杆柱或拆卸井口过程高速旋转，乃至甩弯光杆，形成安全隐患，需要研发相应的停机时杆柱卸扭技术。4.螺杆泵智能化控制技术：在螺杆泵无线工况测试诊断技术的基础上，研发螺杆泵井过载保护和无液流保护智能化控制技术，以及转速在线调整、供排关系智能监测的螺杆泵智能化控制技术，确保井下泵在水力高效区、合理工况下运行。5.螺杆泵定子橡胶适应性研究：针对各油田不同区块原油物性的特点，研制和优选螺杆泵定子橡胶，使其与原油物性相匹配，使螺杆泵应用有针对性和目的性，延长螺杆泵定子橡胶的使用期限，提高螺杆泵整体检泵周期。1.3 课题的主要内容分析螺杆泵的工作原理以及螺杆泵采油系统的组成。了解螺杆泵采油系统的故障类型以及引起故障的原因。研究螺杆泵工况检测方法的工作原理以及应用方法，并根据现场实际测试对其工作特性及优缺点进行比较和分析。3 第二章 螺杆泵基本结构及工作原理第二章 螺杆泵基本结构及工作原理螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类。地面驱动技术发展比较成熟，现在各大油田也大多采用地面驱动螺杆泵采油系统，随着油田的不断开发，螺杆泵的优势也来越明显，体积小，结构简单，质量轻，操作容易，耐磨损，效率高，这种种优势使螺杆泵成为现阶段各油田采油的主要举升方法之一。最主要的原因是螺杆泵适用粘度范围广，能够开采高含砂及高含气的油藏，并且对注水开发后期的油藏也有着良好的适用性，这正符合现阶段各油田现状，能够有效地降低成本，提高采收率。2.1 螺杆泵的组成结构和工作原理自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，螺杆泵已经成为常用的人工举升方法。2.1.1 螺杆泵的组成系统 采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，井下单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。 图2-1 单螺杆泵结构图2.1.2 螺杆泵的工作原理单螺杆泵是由定子和转子组成的。转子是通过精加工，表面镀铬的高强度螺杆；定子就是泵筒，是由一种坚固，耐油，抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久地粘接在钢壳体内而成。除单螺杆泵外，螺杆泵还有多螺杆泵，主要用于输送油品。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入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。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入，通过油管举升到井口。工作时，由地面动力带动抽油杆柱旋转，连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口，再通过地面管线输送至计量站。这种采油方式最为简便，实际使用时井下也不需要安装泄油装置，因为螺杆泵转子一旦脱离泵筒，油套管之间便相互连通，于是起到了泄油的作用。同时，这种装置的使用费用也较低，是浅井较理想的采油方法。2.2 螺杆泵采油系统的组成 (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、电压等，有过载、欠载自动保护功能，确保生产井正常生产。电控箱主要功能是： 1.它具有对电机作过载、断相、过压、漏电、堵转及三相电流严重不平衡自动的保护功能。 2.电控箱设计结构合理，前门设有安全门锁，箱门处用反边折扣，具有防风沙、防雨、防盗的特点。 3.箱门的电压表、电流表、可直观的反映电网电压及螺杆泵的工作情况。 4.集成化的电脑综合保护器，具有功能全、稳定性好，响应动作快的特点。 5.有的电控箱还可以连续记录工作运行电流，为螺杆泵泵况分析提供依据。 （2）地面驱动部分地面部分包括:驱动头和控制柜，井下部分包括：井下泵、抽油杆、油管、配套工具（如锚定工具、扶正器）等。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；从变速形式上分，有无级调速和有级调速。驱动装置安装于井口之上，支座下法兰与井口套管法兰或专用井口法兰螺栓连接，支座侧面出油口与井口地面输油管线联结，连接抽油杆柱的光杆穿过驱动装置通过方卡座在驱动装置输出轴上，电动机通过电线与相匹配的电控箱相连。当螺杆泵采油系统投入生产时，启动电控箱开关，电动机的动力通过皮带轮一级减速系统、齿轮二级减速系统传递到驱动装置输出轴上，输出轴通过方卡带动抽油杆柱、井下泵以合适转速旋转，并传递动力扭矩，抽吸井液。输出轴的转速改变采用有级调参方式，转速级差30-60r/min。螺杆泵地面驱动装置主要有七大功能：第一，为井下螺杆泵提供动力和合适的转速；第二，承受杆柱的轴向载荷；第三，为油井产出液进入地面输油管线提供通道；第四，防止产出液渗漏到井场的密封功能；第五，防止停机过程中杆柱的高速反转功能；第六，安全防护功能；第七，测试、防盗等其它辅助功能。其中驱动装置的密封功能和防反转功能是该产品使用过程中暴露出问题最多的部分，影响产品的长期可靠高效运行，制约螺杆泵采油技术的发展。 图2-2 地面驱动螺杆泵采油系统图 （3）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.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。地面驱动部分由电机和减速装置组成，主要作用是为井下螺杆泵提供旋转动力。驱动电机提供机械能，由传动部分将机械能经方卡子传递给光杆。再由抽油杆传递给井下螺杆泵，通过转子旋转举升井液，最后转化为也体能。2.3 电潜螺杆泵采油系统电动潜油螺杆泵的最大特点是不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井，斜井和水平井采油作业。较早开展这种泵的研究工作的是前苏联和法国。近年来，美国等发达国家也开始重视电动潜油螺杆泵的开发，并在多砂，高粘深井，定向井，水平井中应用，取得了很好的效果。在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高5倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原经济上无开发价值的油井有了良好的效益。电动潜油螺杆泵由螺杆泵，柔性轴，装有轴承的密封短节，齿轮减速器和潜油电动机等组成。2.3.1 结构组成及工作原理电动潜油螺杆泵机组安装示意图见图2-1。电动潜油螺杆泵采油系统由地面部分，井下部分和中间连接部分组成。其中，地面部分包括变压器，控制柜，地面接线盒和井口装置；井下部分包括4级潜油电动机，螺杆泵，电动机保护器，引接电缆和动力电缆；中间连接部分包括扶正器，减速器，双方向节，吸入口，单流阀，和泄油阀。电动机内的电机油和减速器及其保护器内的齿轮油相互隔离，两种不同的润滑油满足不同的润滑要求。电动机下端及泵的上端各有一个扶正器，以减少螺杆泵行星运动产生的振动对机组其他部件造成的影响。 图2-3 ESPCP井下机组示意图工作原理是：利用井下动力电缆将电力传送至井下4级潜油电动机，潜油电动机通过减速器和双方向节带动螺杆泵在低速下转动，井液经过螺杆泵增压后，通过油管举升到地面。井下潜油螺杆泵由转子和定子组成。转子和定子相啮合形成一个个连续的密封胶室，当转子在定子内转动时，空腔从泵的入口端向出口端移动，空腔内的液体也随之从泵的吸入端送到排出端，通过油管输送到地面，从而起到泵送作用。2.3.2 电潜螺杆泵采油系统技术特点 电潜螺杆泵采油系统除在出砂，稠油井上具有优势外，与有杆泵相比还具有如下优点。 1. 节能，油越稠节能降耗越显著； 2. 不发生气锁，还具有破乳作用； 3. 抽汲连续平稳，不对油层产生压力机动； 4. 无抽油杆，消除了因杆管磨损带来的损失，可用更小尺寸油管； 5. 可用于斜井，定向井及水平井； 6. 地面占用空间小，井口无泄漏，无噪音管理简单； 7. 提高泵下深和排量； 8. 泵下机组的发热起到泵下加热作用。 选用电潜螺杆泵可以有效解决底层因油稠，出砂而导致的泵砂卡，检泵频繁，抽油杆断脱，卡杆等问题，具有比其他机采方式更加优越的特性和更广的适用范围，是稠油冷采一项切实可行的举升工艺。与抽油机开采方式相比，电潜螺杆泵采油系统可减少作业费用，降低生产成本，而且，电潜螺杆泵采油系统功率因数远高于抽油机系统的功率因数，具有节能降耗，效率高的特点。采用电潜螺杆泵采油系统，抽汲连续平稳，对油层不产生激动。可有效防止地层砂蠕动。并可减少形成水窜流通道，降低含水。目前电潜螺杆泵连续运行时间最长为6个月，设备故障均出在机械传动部分，而这部分的设计制造尚有很大的潜力，所以，电潜螺杆泵在寿命，可靠性等技术指标上将会有显著提高。 10 第三章 螺杆泵工况分析及故障诊断 第三章 螺杆泵工况分析及故障诊断3.1 螺杆泵工况诊断方法工况诊断分析方法的类型是丰富多样，其中主要包括憋压诊断法、电流诊断法和光杆受力诊断法三种。本文中主要分析的诊断方法是光杆受力诊断法，下面简单介绍一下其余两种。3.1.1 憋压诊断法憋压法诊断技术是利用憋压曲线来对螺杆泵采油系统的各种工况进行定性解释的。螺杆泵井采油系统的憋压分析是以关井后油压与时间的关系曲线为主要依据的定性分析方法。常用的3种憋压手段包括: 开机憋压(常规憋压):是指油井在正常生产时，通过关闭生产闸门来提高油压的憋压方法。 关机憋压(高压憋压): 是指油井在停止生产时，通过关闭生产闸门来提高油压的憋压方法。关机憋压通常是在油井经历了开机憋压处理，油压已经达到一定值后进行的后续憋压处理, 是一种在相对高压下进行憋压的方法。 停机憋压:是指在将正常生产的螺杆泵停转的同时关闭生产闸门进行憋压的方法。现场试验时，首先需要在螺杆泵运行状态下,关闭回压闸门,测取一条压力与时间的关系曲线；然后，在停机状态下,用相同方式再测取一条压力与时间的关系曲线。最后，比较测得的两条憋压曲线的变化趋势，分析两条曲线中各种压力的变化规律中反映出来的各种螺杆泵井采油系统的工作状况信息。憋压诊断法可以有效的分析出系统的四种常见工况: 正常工况、杆柱断脱、油管漏失、泵漏失。憋压法工况分析的主要优势在于其对所分析油井的各方面基础数据没有具体的要求，整个工况分析过程方便、快捷、简单、可靠，从而大大提高了工作效率。但其分析范围较窄，只能对油井工况作一些简单的分类处理，精细的工况诊断还是的依靠其他诊断技术。3.1.2 电流诊断法电流诊断法是通过观测电动机的电流值随着时间的变化情况来分析螺杆泵井采油系统的工况。其中电流指标的类型根据其值的范围主要分为：接近电动机空载电流、接近电动机正常电流、明显高于电机正常运转电流、周期性波动电流四大类。然后，可以根据这些电流指标来判断驱动电动机的负载情况，进而了解井口设备所承受的井下部件重量的情况。但是仅仅用电流数据时无法准确判断出系统的工况的。因此，电流法不能只关注于驱动电机的电流变化，它还需要和油井的排量、油压、动液面等因素相结合，来共同判断现实情况下螺杆泵采油系统的工作状况。具体应用情况如表5-1所示。 表3-1 电流法诊断情况汇总表工作电流工作特性故障形式接近电动机空载电流无排量，油套管不连通抽油杆柱断脱，定子脱胶油管和套管连通，无排量或者排量较小油管断脱或油管严重漏失接近电动机正常电流排量较小，液面较浅油管漏失；定子严重磨损或漏失排量较小，液面较深供液不足，含气量大周期性波动电流脉动性产液转子不连续转动，过盈量偏大明显高于电机正常运转电流排量降低，油压显著增高输油管线堵塞投产初期排量正常定子橡胶膨胀，过盈量增大排量正常抽油杆柱与油管内壁摩擦排量较小，油压正常严重结蜡3.2 螺杆泵井光杆受力诊断法机理分析3.2.1 光杆受力分析螺杆泵井工况诊断的任务是研究螺杆泵井下设备（井下泵、油管、抽油杆、配套工具等）在举升介质过程中的工作特性的变化规律。因此，研究对象包括：被举升的流体、井下泵、抽油杆、油管及配套工具。为了简化诊断模型，根据油田实际情况，对螺杆泵井举升系统模型作如下假设：1.油井为垂直或倾斜方向，无弯曲形变；2.油管内流体为气液两相流；3.油管均为两端锚定，无轴向形变；4.抽油杆轴线与井筒轴线重合，抽油杆与油管无直接接触。螺杆泵井工作时，杆柱的载荷主要来自两个方面：扭矩和轴向力。扭矩主要由三个部分组成，如图3-2，定转子过盈产生的初始扭矩、井下泵举升井筒流体产生的有功扭矩和杆液摩擦扭矩。光杆扭矩： （3-6）式中 泵初始扭矩，； 泵举升液体的有功扭矩，； 杆液摩擦扭矩，。泵初始扭矩： （3-7） 泵初始扭矩可由室内试验获得，也可根据公式计算。泵举升液体有功扭矩： （3-8）式中 D螺杆泵的转子直径，m； T螺杆泵的定子导程，m； 螺杆泵进出口压差，MPa。杆液的摩擦扭矩： （3-9）式中 井液的粘度，； N抽油杆转速，r/mim； 油管的内径，m； 抽油杆外径，m； L抽油杆长度，m。 图3-1 光杆的扭矩和轴向力 轴向力来自四个方面：抽油杆自重、抽油杆在采出液中的浮力、采出液向上流动时对抽油杆向上的摩擦力、液体压力作用在转子上的轴向力。光杆的轴向力： （3-10）式中 抽油杆自重，N； 液体压力作用在转子上的轴向力，N； 抽油杆浮力，N； 采出液流动时对抽油杆的轴向摩擦力，N。 抽油杆柱的自身重量： （3-11）式中 杆柱顶部载荷，N； 第一段每米抽油杆重量，； 第一段抽油杆柱的长度，m； L抽油杆的长度，m。 液体压力作用在转子上的轴向力： （3-12）式中 液体压力作用在转子上的轴向力，N； e螺杆泵的偏心距，m； R螺杆泵的转子半径，m； 螺杆泵进出口压差，Pa。 流体向上流动对抽油杆向上的摩擦力： （3-13）式中 杆柱摩擦载荷，N； 第i段流体的平均粘度，； v第i段流体的平均流速，。 抽油杆在井液中的浮力： （3-14）式中 抽油杆所受的浮力； 第i段每米抽油杆同体积的井液的重量，。当举升系统出现异常时，扭矩和轴向力的幅值和曲线会发生不同程度的变化。根据这一特点，可以对螺杆泵井的工况类型进行确认和分析。鉴于光杆扭矩和轴向力在螺杆泵井系统诊断中的重要作用，研制了螺杆泵井专用测试仪，已经在现场进行应用。该仪器可实现扭矩和轴向力的实时安全测试，并能在恶劣气候条件下使用，为螺杆泵井诊断提供了测试手段。3.2.2 螺杆泵特性曲线 螺杆泵特性曲线是利用生产数据计算螺杆泵的工作特性参数绘制而成的。利用得到的实际的螺杆泵特性曲线，与螺杆泵的水特性曲线或理论特性曲线进行比较来判断螺杆泵井采油系统的工作状况。同时，还可以根据油井产量及螺杆泵的工况点在特性曲线图上的位置，来判断螺杆泵井采油系统与油层匹配的情况。螺杆泵特性曲线主要包括：排量特性曲线、负载特性曲线、效率曲线三个方面。（1）排量特性曲线螺杆泵的排量特性具有一定的“硬特性”和“软特性”。所谓硬特性就是在一定工作压力范围内，泵的排量效率很高且泵的容积效率保持不变。而当工作压力超过了定子橡胶的“击穿”压力时，容积效率逐渐下降。当容积效率低于50%60%时，下降速度明显加快。容积效率随压力的增加而下降的特性就是软特性，如图3-2所示。 100 硬特性区 60 软 特性 0 区 0 图3-2 螺杆泵排量特性的硬特性和软特性“击穿”压力和最大工作压力的大小取决于泵的结构参数，工作参数和工况环境。而对于排量特性曲线，只要确定和，就可以确定螺杆泵的排量特性。螺杆泵的单级承压能力可表示为结构参数，工作参数及工况环境等影响因素的函数，对模拟试验的数据进行分析，不同规格的螺杆泵可用以下公式模拟 （3-15）螺杆泵排量特性曲线可用以下公式模拟 （） （） （3-16）当时，可确定，即 （3-17）式中，Z为泵的级数；n为转子转速，r/min；为介质动力粘度，；为定转子间初始过盈量，mm；t为工况温度，；k、a为与泵的结构参数有关的常数，取值见表3-2；为与定子橡胶物性有关的常数，对于橡胶其值为0.05。 表3-2 k、a、的取值泵型GLB120GLB500GLB800k0.130.120.11a2.50.40.30.82.64.2 （2）负载特性曲线螺杆泵的负载特性表现出与工作压力具有很好的线性关系。液压力作用下的转子扭矩不受工作参数、工况环境的影响，而定转子间的摩擦扭矩对定转子间的过盈、工作转速较为敏感。由试验数据整理分析，转子负担扭矩可用如下经验公式模拟 （3-18）式中， 为转子负载扭矩，； e为转子偏心距，mm； D为转子截面直径，mm； T为转子导程，mm； 为工作压力，MPa； 为结构参数，取值见表3-2。（3）效率曲线螺杆泵的效率曲线定义为有功功率与转子输入功率的比值： （3-19）螺杆泵特性曲线的主要应用是计算出螺杆泵的工作参数，然后绘制其在典型的螺杆泵性能曲线图中的工作点，确定该点在螺杆泵特性曲线中的位置。一般的，将整个螺杆泵特性曲线分为最佳工作区域、一般工作区域和恶劣工作区域三个大的区域。在泵效最高点附近（一般取最高效率点的80%）处划两条竖线,两条竖线中间的区域为最佳工作区域、最佳工作区左边的是一般工作区域，最佳工作区右边的是恶劣工作区域。在整个生产过程中, 螺杆泵的工作点应保持在的最佳工作区域内。典型的螺杆泵性能曲线及其分区如图3-3所示。 图3-3 典型螺杆泵性能曲线 当螺杆泵井采油系统正常工作时，光杆轴向力和光杆扭矩在稳定时，为平稳直线，且处于正常工况界限以内；而当其出现各种故障情况时，光杆轴向力和光杆扭矩对应的曲线则会出现不同程度的波动，所处范围也将不在正常范围之内。据此即可对螺杆泵井采油系统的工况类型进行有效的分析研究。根据长期试验和现场生产经验统计，将螺杆泵井采油系统正常工作压差设定在最大扬程值的30%处的压力与容积效率为65%处的压力点之间，并据此推算出正常工况对用的光杆轴向力和光杆扭矩的范围分别在之间和之间，其中、为对应的光杆轴向力和扭矩，而F为对应的光杆轴向力和扭矩。并根据螺杆泵系统在螺杆泵特性曲线中所处的区间，将其划分为：正常、杆断、结蜡或定子溶胀、参数偏大、参数偏小五个部分。如图3-4所示。 下图为螺杆泵井的光杆扭矩和轴向力分析： M 0.65 为最大扬程 为容积效率为65%时的压力 为最大扬程的30%时的压力 为最大扬程下的扭矩 为泵工作压力为时的扭矩 为泵工作压力为时的扭矩 为初始扭矩3.3 常见的螺杆泵故障类型根据多年的生产事件，对螺杆泵井常见的工况类型进行了整理划分，工况类型总体分为正常和故障两种，而又因为其发生的部位不同，从而可以将故障分为以下七种：(1)螺杆泵定子溶胀在螺杆泵应用实践中发现，同样的举升高度条件下，螺杆泵现场应用的容积效率比室内检测的容积效率低。经研究发现，造成这种情况的主要原因是螺杆泵下井后在高温，高压油气条件下定子橡胶溶胀使空腔变小。我们可以通过对定子橡胶溶胀值实验，计算，找出其影响规律，制定相应的技术对策以提高泵的容积效率，更好的发挥螺杆泵高效节能优势，为油田生产服务。螺杆泵容积效率是实际空腔体积与设计空腔体积之比的百分数。在油井高温，高压条件下，原油或其中的某些化学物质通常会渗透到螺杆泵定子橡胶内部，使橡胶膨胀，体积增大，增大部分占据了空腔体积，使实际储存油液的空腔体积变小，导致容积效率降低。如图3-4所示。 图3-4 单螺杆泵定子横截面图橡胶溶胀面积及溶胀率的计算公式为： （3-1） （3-2）式中 S橡胶溶胀面积； W橡胶溶胀率； E定子偏心距； T定子导程； r转子半径； R定子外壳内径； 溶胀厚度。 根据螺杆泵的基本原理，定子在一个导程T内与转子形成一个完整的腔室，体积为： （3-3） 橡胶溶胀体积为： （3-4） 则泵的容积效率损失为： （3-5）例如对于GLB120-7螺杆泵，E=5mm；r=19mm；R=38mm。通过室内实验得出橡胶溶胀率为3%-5%，即可以计算出橡胶溶胀厚度=1.63-2.72mm；因溶胀而造成泵的容积效率损失为15.93%-26.55%。(2)油管漏失2007年，葡北采油工业区检泵共计40井次，其中由于油管漏失而检泵为9井次，占检泵比例的22.5%，与抽油杆断脱并列检泵原因之首。根据对生产造成的影响大小，可分为：1.轻微漏失,油管漏失量很小，单位变化不大，一般可以继续生产；2.一般漏失,油管漏失量泵的排量，反应在生产上为井口取样困难，单量减产；3.严重漏失，油管漏失量泵的排量，反映在生产上为井口取样及单量不出；广义坐标有限元分析的一般步骤。一般情况下，先是发现一口井产液量减少或不出，然后经一步步的诊断分析排除，最后确定是否油管漏失故障。造成油管漏失的原因主要有以下几条：1.油管钢材质量：由油管的加工制造过程，适用时间，保养管理等决定；2.井下作业施工质量：作业队伍的施工水平，责任心等；3.抽油杆偏磨：油井完钻质量水平，抽油杆防偏磨措施工艺水平；4.化学腐蚀：在含水井中，由于地层水矿化度高，腐蚀性强，往往在油管连接部位最易造成腐蚀损坏。由于油管漏失后往往造成油井停产，过多的检泵使得作业成本负担加大，因此在生产中，根据造成油管漏失的各方面因素，采取必要的措施加以预防。而一旦发现油管漏失，必须检泵排除故障恢复油井的产能。(3)供液不足故障表现为油压逐渐降低，排量逐渐降低，电流逐渐降低，井口整压，油压上升缓慢，停机观察，油压不降；供液严重不足时，井口不出液，出油口只往外排气，井口整压，油压不升，待液面恢复后，可抽出一定的液量，之后井口又不出液。对供液不足若发现不及时，将发生泵空抽，泵空抽时间过长将导致杆脱，杆断或定子失效，后果非常严重。(4)产能过剩当油井产能过剩时，表现为油井的动液面很高，甚至有些到达井口，地层压力高，渗入井内的液体量大，泵排量小，具体表现为泵效较高，个别甚至大于100%，地面驱动部分电流明显偏低。(5)泵漏失泵漏失故障表现为：泵效逐渐下降，动液面上升，电流逐渐下降，扭矩值低于正常范围，轴向力低于正常范围，但仍大于杆柱在采出液中的重量，油套压在一定程度上连通。引起泵漏失的主要原因是：泵长期工作，定子与转子磨损导致泵漏失，影响泵漏失的因素归根结底是由于泵的密封性故障，其主要体现在质合金腐蚀，碳化硅腐蚀，石墨环腐蚀，O型密封圈的腐蚀，金属环腐蚀，热损失效和摩擦失效。施工作业时，必须严格检查泵和管住的丝扣有无损伤。在抽油杆上安装扶正器，减少在生产过程中抽油杆与油管的摩擦。(6)抽油杆断脱抽油杆断脱造成的井下作业工作量在油田开发后期占相当大的比重，作业成本逐年上升，严重影响企业的经济效益。加大技术投入和强化过程管理，减少抽油杆断脱，已成为提高井下作业质量的必由之路。抽油杆柱由于长期受交变载荷和油、气、水以及腐蚀介质的共同作用，再加之定向井的偏磨，使其成为机械采油中可靠性最低的设备，很容易发生断脱。导致抽油杆柱断脱的原因是多方面的，影响因素也错综复杂，主要应从以下三个方面进行剖析。（1） 疲劳破坏1.抽油杆工作条件。抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷的作用，上部光杆承受的载荷包括：抽油杆柱的载荷，液柱载荷，抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷，抽油杆柱在运动中受的摩擦阻力，抽油管柱和油管柱的弹性引起的振动载荷，由液击引起的冲击载荷，由井斜变化、螺纹不同心、悬绳器摆动等因素造成的扭力等七种力。而抽油杆柱承受的载荷随深度有所变化，如抽油杆柱载荷越往下越小，加上下部抽油杆柱所承受的上顶力的作用，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力，迫使抽油杆弯曲，增大了扭力和摩擦力，使得下部抽油杆工作条件更加恶劣。因此，抽油杆柱承受的不是简单的不对称循环载荷，而实际上中和点以下的抽油杆承受的是不对称拉压循环载荷，加上抽油杆柱本身未加工面积达85%以上，不可避免地会有疲劳源存在，从而产生疲劳断裂。2.抽油杆强度分析。现代抽油杆强度计算都采用了无限寿命疲劳设计，即把抽油杆的许用应力控制在疲劳极限以下，以保证抽油杆工作循环次数大于次，一般应用最大拉应力与许用应力比较来校核强度。（二）抽油杆机械磨损1.直井下冲程抽油杆底部受压弯曲致使杆管偏磨。2.井斜引起的机械磨损。由于井斜，使油管产生弯曲，在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力F或综合重力W产生了一个水平分立。在水平分力的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦上冲程时，使抽油杆与油管内壁的一侧产生磨损，下冲程时，抽油杆弯曲与油管内壁的另一侧面产生磨损。（三）抽油杆腐蚀破坏 绝大多数油井，在开发中后期产出液都会含水，而产出水中又含有各种腐蚀介质，如、，腐蚀性微生物等，伴生气中也会有等腐蚀气体，由于存在这些腐蚀介质，加上抽油杆承受的是不对称循环载荷，所以腐蚀损坏便成为油杆断裂的又一主要原因。（7）油井结蜡螺杆泵抽汲的流体主要是油、气、水，其中原油是由各种碳氢化合物组成的多组分混合物溶液，各种组分的碳氢化合物的相态随油井压力、温度的变化而变化。原油中碳原子数16到64的烷烃固态物质为石蜡，其熔点在4960之间。一般在油层条件下，原油中所含的蜡都处于溶解状态，但由于石蜡在油中的溶解度随温度的降低而降低，因此流体在举升过程中，随着温度的逐渐降低，石蜡不断析出，其结晶便长大聚集和沉积在管壁的一定位置上，即出现所谓的结蜡现象。原油中含蜡量越多，结蜡越严重。井口、地面管线的结蜡，导致井口回压增大，造成螺杆泵实际压头增大。 预防油井结蜡 ，是保证螺杆泵采油井长期正常运转的主要途径之一。因此螺杆泵采油井必须实施清防蜡解堵工艺技术。 24第4章 实例分析 第4章 实例分析 螺杆泵是一种新型的采油举升设备，具有其它抽油设备所不能替代的优越性。如适用于稠油、含砂、高含气井的开采，体积小、安装方便、无污染、能耗低，特别是稠油区块、聚合物驱、三元复合驱采出液举升方面，螺杆泵举升显示出了良好的适应性，有效地延长了稠油区块、聚合物驱、三元复合驱举升设备的检泵周期。4.1 螺杆泵举升聚驱粘稠油液大庆油田已投入工业化聚合物驱区块共14个，总井数2368口。由于采出井的逐渐见聚，原来的潜油电泵、抽油机表现出明显的不适应性。潜油电泵在聚驱的不适