螺杆泵工作原理及故障处理.ppt

螺杆泵的原理 故障分析及处理 一 螺杆泵工作原理 二 螺杆泵采油系统及配套技术 三 螺杆泵常见故障原因分析 四 螺杆泵应用及发展趋势 目录 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 什么是螺杆泵 一 螺杆泵基础知识 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 螺杆泵又有单头 或单线 螺杆泵和多头 或多线 螺杆泵之分 1 2结构2 3结构3 4结构4 5结构 一 螺杆泵基础知识 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 螺杆泵又有单头 或单线 螺杆泵和多头 或多线 螺杆泵之分 1 2结构2 3结构3 4结构4 5结构 井下单螺杆泵由哪几部分组成 1 下接头 2 限位销 3 定子 4 转子 5 上接头 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 螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体装置 定子内表面呈双螺旋曲面 与转子外表面相配合 沿着螺杆泵的全长 在转子外表面与定子橡胶衬套内表面间形成多个密封腔室 随着转子的转动 在吸入端转子与定子橡胶衬套内表面间会不断形成密封腔室 并向排出端推移 最后在排出端消失 油液在吸入端压差的作用下被吸入 并由吸入端推挤到排出端 压力不断升高 流量非常均匀 螺杆泵工作原理是什么 螺杆泵工作的过程本质上也就是密封腔室不断形成 推移和消失的过程 螺杆泵有哪些结构参数 e 转子偏心距 mm D 转子截圆直径 mm T 定子导程 mm 螺杆泵三个重要的结构参数 在螺杆泵参数设计过程中 这三个基本结构参数的合理选择及相互之间的合理配比显得尤为重要 它们直接影响着螺杆泵的工作特性和使用寿命 GLB500 14K为空心转子螺杆泵 每转排量500毫升 级数14 GLB120 27 2 3 为多头螺杆泵 转子与定子头数比为2 3 每转排量120毫升 级数27 例如 螺杆泵规格型号是如何规定的 空心转子用 K 实心省略 等壁厚定子用 D 金属定子用 J 转子与定子头数比 用阿拉伯数字表示 单头省略泵的总级数泵的几何排量 ml r单螺杆抽油泵 螺 和 泵 两字汉语拼音第一个字母泵的驱动方式 抽油杆地面驱动 用 杆 字汉语拼音第一个字母G表示 潜油电机井下驱动 用 潜 字汉语拼音第一个字母Q表示 LB 现场应用中 根据选用泵的型号可计算出理论排量 公式如下 式中 Q 螺杆泵理论排量 m3 d q 螺杆泵每转排量 ml r n 转子转速 r min 螺杆泵理论排量如何计算 理论排量公式如下 螺杆泵综合了柱塞泵和离心泵的优点 即在不同的压力条件下流量改变很小 而且流量非常均匀 无阀 对气的适应性好 不会产生 气锁 现象 柱塞泵 和 气蚀 现象 离心泵 结构方面的特点 运动件很少 只有转子一个运动件 流道短而且简单 过流面积大 油流扰动小 因此携带能力强 对砂 蜡的适应性好 能够在高粘原油中以较高的效率工作 螺杆泵的各种优点是相对而言的 对于一些特殊介质 也会对螺杆泵的水力特性产生一定程度的影响 但相对抽油机和电泵而言 敏感性较小 A B C D E 螺杆泵的特点及优点是什么 二 螺杆泵采油系统及配套技术 本章主要讲解的内容 一 螺杆泵采油系统分类 二 地面驱动螺杆泵采油系统组成及功能 一 螺杆泵采油系统的种类 地面驱动单螺杆泵采油系统 潜油电机驱动单螺杆泵采油系统 二 地面驱动单螺杆泵采油系统组成及功能 1 电控箱 2 电机 3 皮带 4 方卡子 5 光杆 6 减速箱 7 专用井口 8 抽油杆 9 抽油杆扶正器 10 油管扶正器 11 油管 12 螺杆泵 13 套管 14 定位销 15 防脱装置 16 筛管 1 组成 分为地面和井下两大部分 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 见左图 5个优点 结构简单 维护方便 节能效果明显 一次性投资少 地面驱动螺杆泵采油 适应性强 地面驱动螺杆泵采油技术以能有效降低采油成本提高采油效益诸如抽油机柱塞泵 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 螺杆泵采油系统的电控部分 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 二 螺杆泵采油系统组成及功能 电控箱的功能是什么 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 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 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 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 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 1 2 3 4 5 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 螺杆泵驱动装置的 种类 机械驱动装置 液压驱动装置 2 螺杆泵采油系统的地面驱动部分 二 螺杆泵系统的组成及功能 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 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 不容易管理 螺杆泵驱动装置 螺杆泵地面驱动装置一般指的是套管井口法兰面以上与套管井口 地面输油管线相连接的那部分设备的总称 狭义的讲它主要由原动机 减速系统 防反转机构 密封系统 支撑系统和安全防护系统等部分组成 广义的讲还包括螺杆泵专用井口 地面电控箱 它是螺杆泵采油系统中的动力输出部分 根据不同的分类原则 螺杆泵地面驱动装置有不同的种类 螺杆泵地面驱动装置的种类 组成及工作原理 什么是螺杆泵地面驱动装置 它主要由几部分组成 2 螺杆泵采油系统的地面驱动部分 螺杆泵地面驱动装置主要功能是什么 为井下螺杆泵提供动力和合适的转速 承受杆柱的轴向载荷 为油井产出液进入地面输油管线提供通道 防止产出液渗漏到井场的密封功能 防止停机过程中杆柱的高速反转功能 安全防护功能 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 一是 二是 三是 四是 五是 六是 七是 螺杆泵地面驱动装置主要功能之一是动力传递 即将原动机的动力通过动力传递系统传递到输出轴上 输出轴再将动力通过方卡传递到连接在杆柱的的光杆上 同时作用在光杆上的轴向载荷和扭矩载荷通过输出轴作用于动力传递系统 对于一般机械式螺杆泵地面驱动装置 其动力传递系统过程如下 地面驱动装置的动力传递技术 电控箱 电动机 小带轮 大带轮 方卡 输出轴 大齿轮 齿轮轴 光杆 机械式螺杆泵地面驱动装置动力传递系统流程图 地面驱动装置的密封技术 地面驱动装置密封系统包括减速箱输入输出轴处的动密封 光杆与驱动装置之间的中低压动密封 井口静密封系统 它们密封性能的好坏 寿命的长短直接影响地面驱动装置的正常工作和采油系统的运转时率及成本 原油或润滑油的泄漏不仅会造成浪费 污染环境 而且还会危及设备和人身的安全 所以在地面驱动装置设计和使用过程中必须重视密封技术的相关性能 2 螺杆泵采油系统的地面驱动部分 A 光杆盘根盒动密封系统 填料装入驱动装置密封腔后 经压盖对它做轴向压缩 地面驱动装置的光杆密封技术 填料密封机理示意图 1 光杆 2 螺栓 3 压盖 4 盘根 5 盘根盒 6 螺栓 7 井口 地面驱动装置的密封原理 光杆盘根盒动密封系统 螺杆泵停机后或卡泵时 贮存在杆柱中的弹性变形能会快速释放 使杆柱快速反转 停机后 在油管及外输管线内的液体与套管内井液压差作用下 螺杆泵会变成液压马达 使转子及连接的杆柱快速反转 油套压差越大 杆柱反转速度越快 持续时间越长 直到油套压差恢复平衡为止 地面驱动装置防反转及安全防护技术 螺杆泵系统反转原因及危害 停机反转的原因分析 2 螺杆泵采油系统的地面驱动部分 螺杆泵的反转会使杆柱脱扣 光杆甩弯 地面驱动装置零部件损坏 螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全 还会危及现场维护操作人员的安全 成为生产事故的隐患 螺杆泵采油系统停机反转会有什么危害 A B 地面驱动装置防反转及安全防护技术 地面驱动装置防反转结构形式及工作特点 为了解决螺杆泵采油系统停机反转造成系统故障 普遍在驱动装置中设置机械防反转系统 防反转系统可以装在输出轴或输入轴上 装在输入轴上的防反转系统受到的工作扭矩远小于装在输出轴上的工作扭矩 但装置横向尺寸也相应变大 综合考虑选用防反转系统装在输入轴上的方案较好 易于调整维护 目前机械防反转系统主要有棘轮 棘爪机构 摩擦式防反转装置 楔块防反转系统 液压防反转系统和电磁式防反转装置等方式 其中棘轮棘爪防反转因结构简单 而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩 寿命较长 现场也可以随时更换 目前是国内应用最多的一种防反转装置结构形式 该防反转系统一般装在驱动装置输入轴上 依靠刹车带的摩擦力释放反转势能 当驱动装置工作时 棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合 防反转系统不工作 当停机时 杆柱反转带动光杆反转 这时棘爪在重力和弹簧力作用下与棘轮刹车 棘轮 棘爪式防反转装置 带啮合 防反转系统工作 依靠摩擦力避免驱动装置高速反转 通过手动旋松扭矩释放螺栓 可以将贮存在杆柱中的反转扭矩释放掉 提高了驱动装置操作维护的安全性 不足 该系统不仅结构简单 成本低 而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩 现场也可以随时更换 为保证防反转系统可靠工作 需要经常调整棘轮刹车带摩擦面的压紧力 低速时 棘轮棘爪由于接触会产生噪音和磨损 刹车带摩擦面压紧力调整及反转扭矩释放都需要人为近距离操作 而且在扭矩释放过程中 杆柱还会以一定速度反转 如果人为操作不当或刹车带摩擦面打滑 也会对操作者带来安全隐患 1 2 3 该种防反转系统工作原理类同汽车刹车系统 当螺杆泵停机时 杆柱反转驱动液压马达 输出的液压油驱动摩擦块作用于刹车盘 缓慢释放掉弹性能 反转扭矩越大 摩擦力也越大 反转扭矩小 摩擦力也小 该种防反转系统可以完全释放掉杆柱弹性能 扭矩释放不需要人员参与 可靠性较高 不足 价格较高 液压件要求具有较高的质量 对环境条件要求较高 液压防反转系统 失效形式 液压系统漏油 油品变质 液压马达损坏 操作性 更换维护方便 需要有专业人员操作 安全防护技术 螺杆泵驱动装置安全防护技术是为了防止螺杆泵驱动装置的零部件破损 松脱和损坏造成人员 设备伤害的技术 驱动装置安全防护技术主要包括光杆方卡防护罩 加强型皮带罩和安全标识 光杆方卡防护罩是在螺杆泵生产井上现场安装 套在光杆方卡外面 连于螺杆泵驱动装置上端盖上 在生产中起到安全防护作用 防止方卡螺栓松脱飞出 光杆甩弯伤人问题 加强型皮带罩要求皮带罩有足够的结构强度 现场操作方便 能够避免断裂的皮带 皮带轮损坏而带来的对操作人员的伤害 对于输入轴安装的棘轮棘爪系统同样起到防护作用 安全标识主要是为操做人员提供安全警示 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 3 螺杆泵采油系统的配套技术 二 螺杆泵系统的组成及功能 螺杆泵抽油杆的发展状况 1 螺杆泵抽油杆 抽油杆是有杆抽油设备的重要部件 它将地面驱动装置的动力传递至井下 驱动转子旋转 实现抽汲运动 抽油杆的疲劳强度和使用寿命影响了整个螺杆泵采油系统的运转周期 抽油杆柱由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成 在螺杆泵采油系统中 抽油杆柱承受拉 压及扭力等循环载荷的作用 其工作环境为含有一定腐蚀介质的原油 因此 抽油杆的故障形式为疲劳断裂或脱扣 抽油杆的断脱事故会严重影响整个抽油系统的运转周期及原油产量 增加维护费用 提高采油成本 国内各大油田在螺杆泵抽油杆的断脱机理方面开展了许多研究工作 通过对现场螺杆泵抽油杆故障类型分析 针对不同的断脱原因 采取了相应的解决措施 如通过改变抽油杆接头形式 改善螺杆泵抽油杆螺纹受力状态 合理匹配泵杆 提高承载安全系数 改进加工工艺 提高抽油杆质量等 上述实验研究 对提高螺杆泵抽油杆产品质量和现场应用水平有了很大的指导作用 1 抽油杆的服役条件在螺杆泵采油系统井下部件中 由抽油杆组成的抽油杆柱是全部的转动件 它受到拉 压 扭 磨 疲劳以及腐蚀介质腐蚀的联合作用 其服役条件是 一是 承受循环载荷的作用 二是 受腐蚀介质的侵蚀作用 杆柱承受的载荷包括 抽油杆重量 液柱重量 抽油杆柱在运动中受到的摩擦阻力 驱动杆柱旋转所需要的扭矩作用 因杆柱旋转而引起的拉 压作用 油井中含有的水 硫化氢 二氧化碳 硫酸盐 微生物等腐蚀性介质 这些腐蚀介质或腐蚀微生物的存在 大大降低了抽油杆的疲劳寿命 螺杆泵抽油杆受力分析 在螺杆泵抽油系统的井下部件中 抽油杆柱是全部的转动件 受拉 压 扭 摩 疲劳等作用力的影响严重 它是抽油系统中最关键的部分 也是问题最多的部分 研究抽油杆柱的受力状态是螺杆泵抽油理论的基础 因此 必须从受力 设计 保护等不同的角度对抽油杆进行研究 2 螺杆泵抽油杆受力分析 螺杆泵抽油杆受力分析 1 螺杆泵井杆柱断裂原因分析 1 热处理质量 为了保证抽油杆的综合性能 必须通过热处理使其获得一定的综合力学性能 既要有一定的强度 又要有一定的塑性和韧性 抽油杆失效原因分析 抽油杆是细长杆 细长杆在热处理上存在两大难题 一是热处理质量沿轴向均匀性不容易保证 二是变形较大 引起头部或杆体弯曲 虽然我国抽油杆厂采用热拉伸校直来解决抽油杆的变形问题 但仍然难以从根本上消除 抽油杆头部或杆体弯曲会引起很大的附加弯矩 使抽油杆发生早期疲劳断裂 因锻造缺陷断裂的抽油杆 3 锻造质量 抽油杆头部的锻造必须严格控制始锻温度和终锻温度 始锻温度过高会引起 过热 或 过烧 终锻温度过低 金属变形困难 容易产生裂纹等缺陷 观察失效抽油杆的过热组织 可以看到其晶粒粗大 这种组织大大降低了材料的强度和韧性 致使发生早期疲劳断裂 因锻造缺陷引起断裂的抽油杆如图所示 除了过烧引起组织缺陷外 抽油杆头部锻造时产生的缺陷还有折叠 裂纹 皱折和缺肉 其中以折叠和裂纹对抽油杆的疲劳性能危害最大 由于折叠和裂纹的存在 减少了有效截面 降低了承载能力 特别是折叠和裂纹末端的应力集中 大大缩短了疲劳裂纹的萌生期 从而降低了抽油杆的疲劳寿命 4 泵杆不匹配 有些螺杆泵井抽油杆断裂是由于泵杆匹配不合理所致 现以 25mmD级抽油杆应用于GLB800 14螺杆泵为例 来分析杆柱的断裂原因 根据2001年1至6月份的统计资料显示 应用于GLB800 14螺杆泵井抽油杆中 25mmD级抽油杆故障率高 随着杆径加大 断裂比例明显下降 25mm抽油杆在不同扬程时的安全系数 现场统计数据表明 在额定扬程8MPa下 目前用于GLB800 14螺杆泵的抽油杆所承受的扭矩为1106N m 对于 25mmD级普通实心抽油杆 其屈服点为 s 620MPa 屈服扭矩为933N m 上表给出了该抽油杆在不同扬程下的安全系数 显然 25mm实心抽油杆应用于GLB800 14螺杆泵井 在额定举升扬程8MPa下工作 抗扭强度达不到要求 5 冲击载荷影响 螺杆泵井在正常生产过程中 受原油物性 定子橡胶溶胀等因素影响 有时会出现卡泵现象 转子不能顺利转动 杆体承受的载荷远大于正常生产时的载荷 使剪应力过大而超过抽油杆承载极限发生断裂 另外 螺杆泵井停机后重新启动 杆柱要承受定转子之间的静吸附力作用 会对抽油杆造成冲击载荷 这种瞬间冲击载荷作用将缩短抽油杆的裂纹萌生期 加速抽油杆的疲劳破坏 6 井身结构影响 抽油杆应用于斜井 在弯曲部位 抽油杆将受到附加弯曲应力作用 这极易造成杆柱断裂 而且随着杆体直径增大 弯曲应力也随之变大 因此 在斜井中 空心抽油杆更容易发生断裂事故 7 泵质量问题 由于螺杆泵定转子间有一定的过盈值 转子在定子内旋转时 定子橡胶受到周期性压缩 产生摩擦面的自动升温与疲劳 在井下高温情况下 加速了橡胶分子链的重新组合 使弹性模数减小 从而降低疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结剂的强度 也加速定子橡胶的老化 高度老化的橡胶在粘结强度降低的情况下极易发生碎裂 脱落 左图某口井定子橡胶损坏脱落情况 此时杆柱将要承受正常生产时几倍以上的扭力作用 使抽油杆因超负荷运转而断裂 定子橡胶损坏情况 8 抽油杆磨损引起断裂 抽油杆在井下工作时其受力状况较为复杂 一方面要驱动转子旋转 承受扭矩作用 另一方面要承受杆体自重 承受拉力作用 同时由于杆体自身旋转 抽油杆还要承受离心力作用 而正是由于离心力的存在 使得抽油杆与油管内壁不可避免地发生碰撞 造成杆体磨损 承载能力下降 当磨损的抽油杆承载能力无法满足正常生产所需要的扭矩时 就发生了杆体断裂事故 由图可见 抽油杆两侧已造成明显的壁厚差异 磨损断裂抽油杆 抽油杆失效原因分析 2 螺杆泵井杆柱脱扣原因分析 在螺杆泵应用初期 杆柱大多采用抽油机井用普通抽油杆 由于负载状况不同 杆柱脱扣事故时有发生 造成杆柱脱扣主要有以下几个方面的原因 一是 抽油杆弹性变形能释放 抽油杆接头靠螺纹接触面之间的摩擦力 以及在预紧力作用下螺纹接头的台肩垂直面与接箍端面之间的摩擦力来抵抗脱扣扭矩的作用 在螺杆泵抽油系统中 由于抽油杆柱的扭转变形较大 在螺杆泵停机后抽油杆柱中储存的弹性变形能要释放出来 使抽油杆反转引起脱扣 二是 液体回流影响 螺杆泵井因测试或维护临时停机时 如果动液面较深 那么管柱内液体压力将驱动井下泵转子反转 转子将带动杆柱高速反转 随着液体倒流 泵进出口压差逐渐减少 转子逐渐停止转动 而由于惯性作用 上部抽油杆仍在高速反转 反转产生的惯性扭矩一旦超过杆柱某处丝扣所能承受的扭矩时 就造成了杆柱脱扣事故 三是 产能影响 对于一些产液能力强 特别是有自喷能力的螺杆泵井 停机后套压会很快升高 井下泵会在油套环空液压力的作用下驱动转子转动 实现自喷生产 转子将带动上部杆柱正转 使整个杆柱的螺纹处于卸扣状态 抽油杆失效原因分析 3 螺杆泵井杆柱撸扣原因分析 螺杆泵井杆柱撸扣原因主要有以下哪几方面原因 一是 原油中的腐蚀性介质与抽油杆螺纹接触后 对螺纹表面产生腐蚀性作用 使螺纹抗剪切能力下降 二是 螺纹尺寸不规范 连接后螺纹间隙过大 使得实际受剪切面减小 三是 抽油杆螺纹某处局部变形 在旋合过程中对与其接触的螺纹造成损伤 使螺纹失去了原有的承载性能 目前使用的螺杆泵抽油杆的种类及特点 1 普通抽油杆 其杆体是实心圆形断面的钢杆 两端为镦粗的杆头 杆头由螺纹接头 卸荷槽 推承面台肩 扳手方颈 凸缘和圆弧过度区组成 螺纹接头用来与接箍相连接 扳手方颈用来装卸抽油杆接头时卡抽油杆用 普通抽油杆结构 普通抽油杆性能稳定 广泛应用于螺杆泵采油系统中 特别是在小排量螺杆泵井 当与大中排量螺杆泵配套使用时 其杆柱断脱事故率会明显上升 锥螺纹抽油杆结构 2 锥螺纹抽油杆 锥螺纹抽油杆的基本结构与普通抽油杆大体相同 杆体也是实心或空心圆形断面的钢杆或管 杆头由外螺纹接头 卸荷槽 推承面台肩 扳手方颈 凸缘和圆弧过度区组成 其不同点为 锥螺纹抽油杆螺纹为钻杆锥螺纹 它是根据螺杆泵与钻杆运动的相似性 充分利用了钻杆螺纹的锥度和螺距大 螺纹牙齿刚度大的特点 使得抽油杆螺纹能够承受较大的预紧力而不滑扣 这种螺纹不仅具有良好的密封性 还能传递较大的轴向载荷和扭矩 锥螺纹结构抽油杆能够实现杆体防断脱的目的 其防脱原理是 增大预紧扭矩 卸扣扭矩也随之增大 依靠这种方法 提高预紧扭矩 使卸扣扭矩提高到接近杆体的承载扭矩 抽油杆就具有了防脱扣功能 锥螺纹抽油杆螺纹精度比普通抽油杆有更高的要求 材料硬度大 牙型厚 加工难度大 该种抽油杆具有良好的防断脱效果 特别适合于中小排量螺杆泵井应用 3 插接式抽油杆 为了提高大中排量螺杆泵井抽油杆的防断脱性能 开发了插接式螺杆泵抽油杆 该抽油杆的结构如图 插接式螺杆泵抽油杆结构图 插接式螺杆泵抽油杆结构示意图 插接式螺杆泵抽油杆的接头 1 杆体上接头 2 O形密封圈 3 接箍 4 杆体下接头 插接式螺杆泵抽油杆的主要结构特点是 相连接的二根抽油杆之间靠互相插入配合的扇形牙体来传递扭矩 由于牙体始终处于插接状态 并且具有足够的抗剪切强度 正反方向能够承受相同的扭矩载荷 因此达到了防脱扣的目的 插接式螺杆泵抽油杆原则上可以适用于各种排量的螺杆泵井 但从用杆的经济性考虑 该抽油杆更适合于大中排量螺杆泵井 目前插接式螺杆泵抽油杆广泛应用于大中排量螺杆泵井中 防断脱效果较为理想 4 钢质连续式抽油杆 为了提高大中排量螺杆泵井抽油杆的防断脱性能及下泵深度 延缓油井偏磨 高原公司开发了连续式抽油杆 使螺杆泵在斜井中成功应用 目前各类井况累计成功应用400多口井 4 钢质连续式抽油杆 圆截面连续抽油杆配合大排量螺杆泵的现场应用实践表明 使用连续杆可使螺杆泵井减低运行费用 因为取消了抽油杆接箍 使油井液流阻力大幅下降 尤其是在抽汲重油 和大排量采液的情况下 这使抽油杆和螺杆泵的工作负荷减小 从而可延长它们的工作寿命 使维修费用下降 液流阻力下降同时降低了所需的驱动功率 节约了能源 该项工艺的推广 不仅拓宽了螺杆泵和连续抽油杆的应用领域 而且为油田生产提供了更加有效的节能 增产手段 螺杆泵抽油杆的配置 螺杆泵抽油杆的使用寿命不仅取决于抽油杆的产品质量 还取决于抽油杆的使用维护 即使是优质的抽油杆 使用维护不当也会引起抽油杆的断脱事故 因此 科学使用抽油杆 不断提高抽油杆的使用寿命 增加原油产量 是一个重要的问题 科学使用抽油杆 首先必须根据螺杆泵井的生产条件选用抽油杆及其附件 目前螺杆泵还未批量应用于严重腐蚀的油井中 因此 抽油杆的选择主要还是考虑其抗扭能力 例如小排量螺杆泵选用小直径实心抽油杆 大排量螺杆泵选用空心抽油杆等 正确使用抽油杆是保证抽油杆柱正常工作的前提 如果抽油杆柱的抗疲劳强度不够 就可能发生抽油杆断裂事故 如果抗疲劳强度富裕过大 又会增加投资 不利于降低成本 1 抽油杆的配置 3 螺杆泵采油配套技术 防脱管柱示意图 2 螺杆泵管柱 杆柱防脱扶正技术 螺杆泵管柱防脱扶正技术 A 管柱防脱技术由于螺杆泵的转子在定子内顺时针转动 工作负载直接表现为扭矩 转子扭矩作用在定子上 定子扭矩会使上部的正扣油管倒扣造成管柱脱扣 所以螺杆泵井的油管柱必须实施防脱措施 螺杆泵井管柱防脱方式主要有以下5种 反扣油管 防扭锚 支撑卡瓦 张力锚 水力锚 通常采用防转锚和支撑卡瓦两种方式 螺杆泵井管柱防脱措施 材料一般为尼龙或橡胶 目前应用较多的是橡胶材料 油管扶正器图 B 管柱扶正技术 转子在螺杆泵定子内旋转将产生离心作用 使定子受到周期性冲击而产生振动 这种振动的存在将降低系统的使用寿命 因此 必须对螺杆泵的泵体采取扶正措施 以减小或消除这种振动 通常的办法是在泵体上布置扶正器 对于采用锚定工具的螺杆泵管柱 一般在定子上接头处安装一个油管扶正器 而对于采用反扣油管的管柱 则需在定子上 下接头处分别安装扶正器 一 螺杆泵管柱 杆柱防脱扶正技术 螺杆泵杆柱防脱扶正技术 杆柱防脱技术针对抽油杆柱反转脱扣的问题 可采用在抽油杆上安装防脱器的办法来解决 对于因油井产能高而引起杆柱脱扣的问题 也可采用空心转子加单向阀的办法来解决 1 螺杆泵杆柱扶正技术 抽油杆柱在油管内旋转 由于离心力以及惯性的作用会产生振动和弯曲 所以抽油杆柱将会与油管内壁产生摩擦 因此必须对抽油杆柱采取扶正措施 消除振动 避免杆柱与油管内壁直接接触 扶正的办法是在杆柱的不同位置布置扶正器 扶正器的布置方法及数量要根据不同的井况来确定 对常规螺杆泵井 一般在杆柱的上端即光杆附近 杆柱的下端即转子附近以及中下部布置扶正器较多 而在其它部位则数量较少 抽油杆扶正器一般采用耐磨的尼龙材料制造 其结构形式有卡装式和短节式两种 2 螺杆泵采油配套技术 螺杆泵清防蜡解堵技术 油井结蜡对螺杆泵采油的影响是什么 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 泵出口以上结蜡 一是 二是 1 油管内流速增大 油管沿程损失增大 增大螺杆泵的实际举升压头 2 抽油杆旋转摩阻增大 抽油杆及地面驱动系统负荷增大 3 有可能憋泵 使产量降低 增加能耗 增加事故率 热洗清蜡工艺技术 热洗清蜡工艺是柱塞泵采油普遍采用的成熟技术 对螺杆泵采油也同样适用 热洗时将高温热洗介质注入油井内循环 循环至一定程度后 使井内温度达到蜡的熔点 蜡就逐渐熔化 并随同热洗介质返出地面 螺杆泵采油井定期热洗清蜡主要有以下几种方法 1 将转子提出定子洗井 对于小排量螺杆泵 若洗井液排量大 螺杆泵易脱扣 注入排量小 温度达不到熔蜡温度 在这种情况下 应将转子从定子中提出 在油套环空注入热水进行清蜡洗井 洗后 再将转子下入定子恢复正常抽油 这种方法一般用于不具备热洗流程且化学清蜡不能实施的螺杆泵井 但需用吊车设备 费用高 2 在定子上部安装洗井阀热洗 在定子上部的管柱上 结蜡点以下 安装洗井阀 洗井时 在油套环空注入热水并在热洗压力的作用下 洗井阀打开 使热水流入管柱内 将油管内壁和抽油杆外壁的石蜡熔掉带走 但这种洗井工艺的洗井阀可靠性差 3 常规循环热洗 对于大排量螺杆泵 可从油套环空注入热水 螺杆泵正常运转 边抽边洗 热水温度应逐步提高 开始时温度不应太高 60 左右为宜 否则 油管上部的熔化蜡块沉到井底堵塞油流 另外 注入热水排量不应大于泵的理论排量 否则 注入液驱动螺杆泵运转使抽油杆脱扣 因该方法热洗排量受泵的排量限制 热洗排量小 热水循环慢 热洗时间长 所以对小排量泵不适合 三 螺杆泵常见故障分析1 工况类型 根据总结多年的生产实践 对螺杆泵井常见的工况类型进行了划分 见下图 工况类型总体分为正常和故障两种 根据故障发生部位的不同 将故障类型分为井下泵 抽油杆 油管三类 细分为9种故障类型 正常时的扭矩 轴向力曲线图 油井供排协调 举升系统各部件工作正常稳定 具体表现为 泵效 沉没度 电流等生产参数在正常范围 系统运行稳定 参数没有大幅度波动 运转过程中 工作扭矩和轴向力为平稳直线 扭矩值在正常范围内 1 正常工况 2 故障类型 杆断脱时的扭矩 轴向力曲线 由于抽油杆负荷过大 磨损或误操作等原因 引起抽油杆断裂 脱扣或撸扣的情况 具体表现为 在短期内 泵效大幅度下降 动液面迅速上升 电流下降甚至接近空载电流 扭矩和轴向力仍为平稳直线 但由于缺少了井下泵的 工作扭矩 光杆扭矩值远小于正常工作范围 轴向力缺少了液压力对转子产生的轴向力 因此也小于正常范围 根据断脱部位 杆柱自重产生的轴向力不同 据此可计算出杆柱断脱深度 2 杆断脱 泵漏失时的扭矩 轴向力曲线 由于泵定子橡胶磨损 造成定转子过盈减小 泵承压能力下降 因此 漏失量增加 具体表现形式为 3 泵漏失 泵效逐渐下降 动液面逐渐上升 电流逐渐下降 由于漏失量加大 泵有功扭矩下降 扭矩低于正常范围 由于液压力产生的轴向力下降 轴向力低于正常范围 但仍大于杆柱在采出液中的重量 定子溶胀时的扭矩 轴向力曲线 由于采出液的作用 定子橡胶发生溶胀 造成定转子过盈增加 泵效和动液面正常 电流增加 由于过盈大 定转子的初始扭矩增加 因此光杆扭矩增加 超过正常范围 严重时会造成定转子抱死 但轴向力正常 4 定子溶胀 定子脱胶时的扭矩 轴向力曲线 定子脱胶是由于定子粘接强度不够造成 表现形式为泵效急剧下降 动液面上升 电流下降并波动 脱胶时 泵有功扭矩为零 光杆扭矩下降很大 另外 由于脱胶后定转子之间发生不规则摩擦 光杆扭矩会出现不规则波动 液压力产生的轴向力为零 因此 光杆轴向力低于正常范围 但仍高于杆柱在采出液中的重量 5 定子脱胶 管漏失时的扭矩 轴向力曲线 管漏失是由于油管壁上存在裂缝造成的 现象为泵效下降 动液面上升 电流减小 由于泵工作压差减小 泵有功扭矩下降 光杆扭矩低于正常范围 液压力产生的轴向力减小 光杆轴向力略低于正常范围 但仍高于杆柱在液体中的重量 6 管漏失 结蜡时的扭矩 轴向力曲线 当油管内结蜡严重时 会造成过流面积下降 导致泵效下降 动液面上升 同时 由于抽油杆与析出的蜡间存在不均匀摩擦 电流上升 由于抽油杆和蜡的摩擦扭矩很大且不均匀 扭矩值高于正常范围 并且有不规则波动 由于动液面上升 液压力产生的轴向力偏低 仍在正常范围 7 结蜡 8 工作参数偏低 工作参数偏低时 油井流入能力大于流出 具体表现为泵效较高 甚至大于100 动液面很浅或在井口 电流偏低 光杆扭矩低于正常范围 轴向力比正常偏低 油井流出能力大于流入 具体表现为泵效较低 动液面很深 沉没度很小甚至接近泵吸入口 电流偏高 光杆扭矩高于正常范围 轴向力高于正常范围 9 工作参数偏高 应该指出 在不同工况类型下 各个生产参数都会发生相应的变化 要准确地诊断螺杆泵井的工况 仅仅依靠扭矩和轴向力的测量结果是不够的 必须和其他生产参数 诸如油井 的产液量 动液面参数 电参数等相结合 再根据以上对螺杆泵工况机理的分析 就可以进行系统诊断的建模了 在高含砂油井 磨损是限制泵转速的又一重要因素 在磨蚀工况下 定子橡胶的磨损量与转速的平方成正比 因此 在高含砂油井 螺杆泵不宜高速运转 而且转子选择偏心大的 在普通油井 泵寿命决定于定子橡胶的磨损和疲劳 由于定子和转子间有一定过盈值 转子在定子内旋转时 定子橡胶受到周期性压缩 产生摩擦面的自动升温和疲劳 摩擦面的自动升温 加快了橡胶分子链的重新组合 使弹性模量减小 从而降低疲劳特性及金属套和橡胶结合面上粘接强度 自动升温值和压缩疲劳是转速的函数 随转速的增加而增加 因此降低泵的转速是合理的 近年来设计的地面驱动采油螺杆泵 最高转速均在300r min左右 而最常用的转速为50 200r min 螺杆泵井转速如何确定 选泵遵循的原则是什么 1 泵工作点在最佳工作区域内 获得较高的机械效率 2 应满足油田开发方案的要求 把流压抽到规定的范围内 3 在泵的压头 排量足够的前提下 尽量增加下泵深度 尽量降低流压 放大生产压差 提高油井产量 4 在油井条件确定后 泵的压头 排量不能超过的太多 否则螺杆泵工作点离开最佳工作区域 5 气液比较大的井 应采取套管放气 尽量增加下泵深度 减小气体影响程度 6 螺杆泵在排量 压头 抽油杆扭矩 径向尺寸满足的条件下 可采用中低转速80 150r min 在其它条件受到约束时 可通过提高泵的转速 以提高泵的排量和压头 7 当油井地层条件发生变化时 可通过调整系统参数来适应 另外 螺杆泵的最大外径 应满足在套管内起下顺利 转子应能顺利通过油管 转子旋转时 最大直径不应磨油管 选泵遵循的原则是什么 稠油井应用 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240m3 d 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 四 螺杆泵应用及发展趋势 1 国外应用现状 稀油井应用 在稀油井中应用螺杆泵同样有降低电力损耗 减少维护费的作用 如印尼的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 318m3 d 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 25600m3 d 该油田原油为35 API 泵挂深度1200m 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 318m3 d 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 25600m3 d 泵挂深度1200m 如 稀油井中应用螺杆泵同样有降低电力损耗 减少维护费的作用 复杂工况井应用 加拿大 井下螺杆泵被应用于含水90 水中含盐180000mg l 含CO212 和含硫7 的油井中 螺杆泵还用于水平井排砂 该油田位于Alberta东北方向 油井完井深度450 750m 用盘管注入 螺杆泵采出的方法成功地清除了水平井段的砂堵 螺杆泵应用于含砂高达20 体积比 的油井 使用寿命达到6个月 美国 西德克萨斯洲在42 API的油井中成功应用螺杆泵举升 阿根廷 使用螺杆泵的最高井温达到127 利比亚 螺杆泵在芳烃含量11 65 的油井得到成功应用 应用表明 螺杆泵有着广泛的应用前景 2 国内应用现状 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 应用范围 扬程可达到1800m 排量可达到240m3 d 800m 油品性质 稠油 含砂 高含水 聚驱采油井等 井温可达到120 直井 斜度不大于30度的斜井 一 国内外螺杆泵应用现状 水驱采油井应用 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 其中 大庆油田 在用水驱螺杆泵采油井1031口 华北二连油田 螺杆泵主要集中在蒙古林油田 宝力格油田和大阿北油田 在用井86口 60 1 83 4 904 9m 950 4m 461d 1099d 平均 泵效 泵挂 检泵周期 2004年底 大庆油田在聚合物驱采油井