（石油与天然气工程专业论文）螺杆泵节点系统分析及工作参数优化设计方法研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文摘要 螺杆泵节点系统分析及工作参数优化设计方法研究 摘要 螺杆泵抽油是近些年发展起来的一种先进的采油工艺技术，因其系统设备尺寸小、维 护和管理方便、系统效率高等优点，受到了人们的日益关注。随着多项新材料和新工艺技 术的采用以及应用技术的发展进步，螺杆泵采油技术得到了不断的完善和很大的提升。在 使用寿命、泵效、可靠性和经济性等方面重大突破的同时，螺杆泵在开采不同类型油藏应 用中的适应性大大加强，应用范围进一步扩大，已基本覆盖了其他人工举升方式所具有的 能力。可以说螺杆泵采油技术已经面目一新。但是螺杆泵采油技术也和其它举升方法一样， 都有其优缺点和适用条件。因此，我们有必要对其应用进行研究。 节点系统分析是一项对油气水井生产过程进行系统优化设计分析的方法，随着计算机 技术的快速发展，它在油气水井生产系统设计动态预测中得到了广泛应用。节点分析的基 础仍是能量守恒和质量守恒。在稳定的生产过程中，物质守恒表现为通过系统中各环节的 流量及其基本构成应相同，在有分支的情况下，分支点流入量总和应该与流出量总和相等。 各环节之间的压力变化则反映了能量守恒关系。另外，各环节在稳定生产的条件下可以假 定局部基本达到平衡，任何一点上的各种参数应该是稳定惟一的。 本文概括性地介绍了螺杆泵采油现状、发展趋势、螺杆泵的采油原理，然后根据地面 驱动螺杆泵的工作特点，以油井生产系统为研究对象，采用节点系统分析方法，建立了地 面驱动螺杆泵并优化设计模型，作为地面驱动螺杆泵井的生产设计和工作状况分析的理论 基础和计算工具。文中建立了从地层、井筒到地面一体化的节点分析模型，模型中考虑了 井筒中的三相流特征作用、井温梯度的影响。利用节点分析方法原理，提出了描述节点流 入、流出动态的基本方程，并编制了计算程序。通过计算表明，利用节点分析方法可对螺 杆泵采油井的工作参数进行优化设计，实现设备与油层产能的最佳匹配。 关键词：螺杆泵节点分析优化设计流入流出动态 a b s t r a c t t h en o d a la n a l y s i so fs c r e w p u m pa n d t h es t u d yo nt h e p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dd e s i g n a b s t r a c t p r o d u c t i n go i lb ys c r e wp u m pi s a l la d v a n c e do i lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fi t ss m a l ls y s t e ms i z e ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n da d m i n i s t r a t i o na n d h i g hp u m pe f f i c i e n c y , s oi t i st a k e ni n t oa c c o u n ti n c r e a s i n g l y , a n di sw i d e l yd e v e l o p e da n d a p p l i e di n o i lf e l d s a l o n gw i t ht h eu s i n go fm a n yi t e m so fn e wm a t e r i a l sa n dt h en e w p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya sw e l la st h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yp r o g r e s s t h es c r e wr o dp u m p p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo b t a i n e dt h eu n c e a s i n gi m p r o v e m e n ta n dt h ev e r yb i gp r o m o t i o n w i t h t h es i g n i f i c a n t l yb r e a kt h r o u g ho ft h es e r v i c el i f e ，p u m pe f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m ya n d s oo n ，t h es c r e wr o dp u m pi nm i n i n gd i f f e r e n tt y p e so fo i lr e s e r v o i r ，t h es c r e wr o dp u m p s a p p l i c a t i o nc o m p a t i b i l i t yi sl a r g e l ye n h a n c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p ef u r t h e re x p a n d e d i th a s b a s i c a l l yc o v e r e dt h ea b i l i t yt h a to t h e ra r t i f i c i a ll i f tw a yh a s w ec a ns a yt h a tt h es c r e wr o d p u m po fo i lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yt a k e no na l le n t i r e l yn e wl o o k b u tt h es c r e wr o d p u m pp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，l i k eo t h e rl i f f i n gm e t h o d ，h a si t sg o o da n db a dp o i n t sa n di s s u i t a b l et ot h ec o n d i t i o n t h e r e f o r e ，w eh a v et h en e c e s s i t yt or e s e a r c hi t sa p p l i c a t i o n t h en o d es y s t e ma n a l y s i si so n em e t h o dt h a tc a r r i e so nt h es y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g n a n a l y s i st ot h eo i lg a sa n d w a t e rw e l lp r o d u c t i o np r o c e s s a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ti n c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i to b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ep e r f o r m a n c ef o r e c a s to fo i l g a sa n dw a t e rw e l lp r o d u c t i o ns y s t e md e s i g n t h en o d a la n a l y s i sf o u n d a t i o nw a s s t i l la c c o r d i n g t ot h el a w so fe n e r g ya n dm a s sc o n s e r v a t i o n i nt h es t a b l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ee o u s e r v a t i o n o fm a t t e rp e r f o r m st h a tt h ef l u xo fe a c hl i n k st h r o u g ht h es y s t e ma n dt h eb a s i cc o n s t i t u t i o n s h o u l db et h es a m e ，a n di nt h eb r a n c hs i t u a t i o n ，t h eq u a n t i t yo fb r a n c h i n gp o i n ti n f l o ws h o u l d t h es a m ea so u t f l o w t h el i n k sp r e s s u r ev a r i a t i o nh a sr e f l e c t e dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nr e l a t i o n s m o r e o v e r , i nt h es t a b l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ev a r i o u sl i n k sm a ys u p p o s et oh a v ea c h i e v et h e b a l a n c e ，a n do ne a c hp o i n t ，a n yk i n do f p a r a m e t e rl i k ep r e s s u r es h o u l db es t a b l ea n de x c l u s i v e t h ec u r r e n ts t a t u so fs c r e wp u m pp r o d u c t i o n ，d e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n dp r o d u c i n g p r i n c i p l eo fs c r e wp u m pa r cs u m m a r i l yi n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a n dt h e na c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fs u r f a c e d r i v e ds c r e wp u m p t a k i n gt h eo i lw e l lp r o d u c t i o ns y s t e ma st h eo b j e c to f s t u d y , u s i n gt h en o d es y s t e ma n a l y s i sm e t h o dt oe s t a b l i s ht h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lo f s u r f a c e d r i v e ds c r e wp u m pw e l l ，t o o kt h ep r o d u c t i o nd e s i g na n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i s o ft h es u r f a c e - d r i v e ds c r e wp u m pw e l la st h eg r o u n d w o r ka n dt h ec o m p u t a t i o nt 0 0 1 u s i n gt h e m i d w a ya n dt h ec o m p l e t i o nw e l lf o r m a t i o nt e s t i n gd a t aw h i c hu s e di ne a r l ye x p l o r a t i o ns e v e r a l m a k et h en o d a la n a l y s i s ，a n dt h e np r o v i d er e a s o n a b l ep r o d u c t i o nf o r e c a s ta n dt h ep r o r a t i o n p r o d u c t i o np l a n i nt h ea r t i c l eh a se s t a b l i s h e dt h ee n t i r en o d a la n a l y s i sm o d e l ，f i o mt h es t r a t u m ， t h ew e l lc h a m b e rt ot h eg r o u n d i nt h em o d e lh a sc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e e p h a s ei n f l o w u s i n gt h en o d a la n a l y s i sm e t h o dp r i n c i p l e ，i nv i e wo f t h ee a r l yf o r e c a s tt e s td a t a , p r o p o s e dt h ef u n d a m e n t a le q u a t i o no ft h er e a s o n a b l ei n f l o w , o u t f l o wp e r f o r m a n c ec u r v e ，a n d m a d et h en o d a la n a l y s i sc h a r t k e yw o r d s ：s c r e wr o dp u m p ，n o d a la n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i n f l o wa n d o u t f l o w p e r f o r m a n c e 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第一草刖置 随着各国稠油、含砂、含气井的数目越来越多，螺杆泵采油已成为当前主要的机采举 升方式之一。螺杆泵采油以投资少、设备结构简单、操作方便、节能及适应性强等优点而 备受国内外油田重视。大庆油田自1 9 8 6 年开始引进和研制地面驱动井下单螺杆泵采油系统 以来，先后在外围低渗透油田、老区加密调整井网和聚合物驱三次采油试验区等不同井况 的近2 0 01 ：3 油井上应用了螺杆泵采油。实践证明，螺杆泵采油不仅适用于粘度高、含砂高、 油气比大的油藏开采，而且对于水驱油藏后期高含水油井和聚合物驱三次采油井也具有良 好的适应性。 随着多项新材料和新工艺技术的采用以及应用技术的发展进步，螺杆泵采油技术得到 了不断的完善和很大的提升。在使用寿命、泵效、可靠性和经济性等方面重大突破的同时， 螺杆泵在开采不同类型油藏应用中的适应性大大加强，应用范围进一步扩大，已基本覆盖 了其他人工举升方式所具有的能力。可以说螺杆泵采油技术已经面目一新。 1 一螺杆泵的优点和缺点 螺杆泵与其它机械采油设备相比，具有以下优点“1 ： ( 1 ) 节省投资。螺杆泵与电动潜油泵、水力活塞泵和游梁式( 链条式) 抽油机相比， 其结构简单，价格低。 ( 2 ) 地面装置结构简单，安装方便。可直接坐在井口套管四通上，占地面积小，除原 井口外，几乎不另占面积，可以很方便地罩上一个防盗井口房。 ( 3 ) 泵效高、节能、管理费用低。由于螺杆泵是螺旋抽油的容积泵，流量无脉动，轴 向流动连续，流速稳定，因此它与游梁式抽油机相比，没有液柱和机械传动的惯性损失。泵 容积率可达9 0 ，它是现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一。 ( 4 ) 适应粘度范围广，可以举升稠油。一般来说，螺杆泵适合于粘度为8 0 0 0m p a s ( 5 0 ) 以下的各种原油流体，因此多数稠油井都可以应用。 ( 5 ) 适应高含砂井。理论上看，螺杆泵可输送含砂量达8 0 的砂浆。在原油含砂量高， 最大含砂量达4 0 ( 除砂埋之外) 的情况下螺杆泵可正常生产。 ( 6 ) 适应高含气井。螺杆泵不会气锁，故较适合于油气混输，但井下泵入口的游离气 会占据一定的泵容积。 ( 7 ) 适应于海上油田丛式井组和水平井。螺杆泵可下在斜直井段，而且设备占地面积 小，因此适合海上油田丛式井组甚至水平井的采油井使用。 ( 8 ) 允许井口有较高回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压可控制在1 5 m p a 以内或更高，因此对边远井集输很有利。 ( 9 ) 较大的恢复工作能力。当发动机或电动机停转时，在某些情况下，砂沉积在泵的 上部。与有杆泵比较，螺杆泵有更大的可能恢复工作。 虽然螺杆泵采油具有很多优点，但在某些方面也存在一定的缺点呦： 第一章前言 ( 1 ) 定子容易损坏。这就使检泵次数较多，而且每次检泵，必须起下管柱，增加了检 泵费用。 ( 2 ) 泵需要流体润滑。如果只靠极低粘度的液体润滑而工作，则泵过热将会引起定子 弹性体老化，甚至烧毁。 ( 3 ) 定子橡胶不适合在注入蒸气井中应用。 ( 4 ) 螺杆泵不允许空转，空转可导致泵报废。 ( 5 ) 虽然操作简单，但操作人员不经适当操作训练，操作不正确，也会造成泵的损坏。 ( 6 ) 螺杆泵与有杆泵比较，总压头较小。目前大多数现场应用是在井深1 0 0 0 m 左右， 批量生产的螺杆泵装置压头都比较低。对高压头泵正在试验，但是，当下泵深度大于2 0 0 0 m 时，扭矩大，杆断脱率较高，使井下工作量增大，技术还不过关。 综上所述，螺杆泵采油技术也和其它举升方法一样，都有其优缺点和适用条件，各油 田可根据开发区块的实际情况进行选择。 1 2 螺杆泵应用现状 近些年来，螺杆泵采油技术在世界石油发展中起到了重要的作用。螺杆泵采油技术的 发展以及人们观念的更新，使螺杆泵不断在重油和含砂井中应用，而且在稀油井、大排量 井、排水采气和中后期水驱油田采油中得到应用。螺杆泵正朝着规范化、系列化方向发展。 目前最大下泵深度己达到3 0 0 0 m ( 1 6 0 m 3 d ) ，最大排量已达到1 0 0 0 m 3 d ( 8 0 0 m ) 。螺杆泵采 油具有其它抽油设备所不能替代的优越性，而且国内在制造、应用等方面都取得了长足的 进步。 、 近年来，大庆油田在螺杆泵举升配套工艺技术方面，以降低机械采油成本为目标，开 展了螺杆泵采油工艺技术研究。现场应用试验证明，螺杆泵具有良好的经济性，与相同举 升能力的抽油机相比，使用螺杆泵的一次性投入和耗电都大幅度降低。而且，我国油田螺 杆泵的使用寿命最长已超过1 6 0 0 天，有些井的免修期已超过了1 0 0 0 天。在螺杆泵配套技 术攻关的过程中，针对制约大中排量螺杆泵发展的杆柱问题，进行了插接式防脱杆和钻杆 锥螺纹抗扭杆为主的螺杆泵专用抽油杆的攻关试验，与常规抽油杆相比降低了9 9 8 个百分 点；此外，对井口密封形式、电机基础及电机底座进行了改进，改善了井口密封效果，提 高了地面设备的运行稳定性。在大庆油田应用的大排量螺杆泵，目前运转时间最长的已达 到6 4 5 天。 多次现场试验证明，螺杆泵展现了良好的经济效益，主要表现在以下几个方面。1 ： 1 2 1 稠油井的应用 辽河油田间歇式棘爪防反转装置的研制与应用，有效地防止了螺杆泵停机后的抽油杆 高速反转及杆柱断脱现象的发生；变频器在螺杆泵井上的应用，实现了螺杆泵的软启动、 软停机：油井液量的合理调整等技术配套措旌，使螺杆泵在稠油开采方面取得了良好的应 用效果。 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 在俄罗斯的某些油矿，螺杆泵采油井最长的检泵周期为二年零九个月。中、小排量螺 杆泵的泵效达到7 0 。在粘度为1 4 0 0 m p a s 的油井条件下，油井的最长检泵周期达3 4 0 天。在委内瑞拉，应用螺杆泵与抽油机举升相比，超稠油井的产量增加了3 5 ，作业量减 少了8 3 ，电耗减少了7 0 ，泵效提高了5 3 。 1 2 2 稀油井的应用 在印尼的m e l i b u r 油田( 原油粘度8 3 m p a s ) ，采用螺杆泵代替电潜泵采油，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7 0 ，维护费减少了3 5 ，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，原油为3 5 0h p i ，泵挂深度1 2 0 0 m ， 应用大排量螺杆泵8 0 口，日产量1 6 0 0 0 0 桶( 2 5 6 0 0 m 3 d ) 。 1 2 3 中后期水驱油田采油的应用 目前，我国许多大油田陆续步入高含水期甚至特高含水期，这种状况导致许多高含水 油井的开采形成高投资低收益的局面，有些井几乎失去开采价值。事实上，一个油田相当 一部分储量要在高含水期采出，对于那些接近高含水极限的油井，我们也不能放弃。在当 前强调各种控水稳油措旅的同时，还应该再寻找更为合理的机械举升方案。由于螺杆泵采 油装置具有节能高效的特点，用于开采中后期水驱油藏高含水油井时，它的性能明显优于 常规游梁式抽油机及电潜泵。 1 2 4 复杂工况井的应用 在加拿大井下螺杆泵被应用于含水9 0 ，水中含盐1 8 0 0 0 0 p p m 、含二氧化碳1 2 和 含硫7 的油井。 在阿根廷，应用于最高井温达1 2 7 。c 的井中。 在利比亚，应用于芳烃含量1 l ( 6 5 。c ) 的油井。 在加拿大应用于含砂高达2 0 ( 体积比) 的油井，使用寿命达到6 个月。在加拿大， 螺杆泵还用于水平井排砂。 由此可见，螺杆泵作为一种机械采油设备，具有其它抽油设备不可替代的优越性* “1 。 1 3 节点系统分析理论简介 生产系统的优化分析方法是8 0 年代发展起来的一种新技术。早在5 0 年代，吉尔伯特 就建议采用这种方法进行油井分析。然而，由于工程计算量很大，加大受技术水平的限制 这种方法直到7 0 年代末，才开始应用与油田。进入8 0 年代以来，随着科学技术的发展系 统论、控制论的理论被引进油藏工程中。而且，在工程计算中，大量地采用电子计算机， 这就加速了石油工业现代化的进程，使得这种方法在全世界各类开发的油气田得以普遍应 用。 节点系统分析是一项对油气水井生产过程进行系统优化设计分析的方法，该方法最初 用于分析和优化设计复杂的电路或者管汇系统，1 9 5 4 年吉尔伯特( g i l b e r t ) 首先提出将其 用于油气水井生产系统，后来布朗( b r o w n ) 等人对此进行了较全面系统的研究，从2 0 世纪 第一章前言 8 0 年代起，随着计算机技术的快速发展，它在油气水井生产系统设计动态预测中得到了 广泛应用。早在节点分析理论建立之前，对各种在多孔介质或管道流动中的多相流体的压 力损失问题都已经进行了大量的研究工作，许多比较好的关系式能够在一定范围内准确 地；预测不同条件下油藏或管流中的压力损失。但对于一口完整的注采井各环节之间是相 互影响相互制约的，这些局部的分析难以解决整个生产系统的问题。在这些研究工作的基 础上建立起来的节点分析理论则是以整个系统从注入系统到采出地面设备作为研究对象， 充分考虑各个环节之间的关系，从而能对整个生产系统及其各个环节在不同条件下的流量 和压力的变化动态进行模拟预测，并以此为基础对整个生产系统及其各个环节进行研究和 分析。 节点分析的基础仍是能量守恒和质量守恒。在稳定的生产过程中，物质守恒表现为通 过系统中各环节的流量及其基本构成应相同，在有分支的情况下，分支点流入量总和应该 同流出量总和相等。各环节之间的压力变化则反映了能量守恒关系。另外，各环节在稳定 生产的条件下可以假定局部基本达到平衡，任何一点上的各种参数如压力应该是稳定惟一 的。 对任何一个生产系统，如果要进行节点分析，我们首先要确定系统由哪些主要环节组 成，这些环节的主要参数是什么；同时要确定系统上、下游两端的边界条件，原则上说， 当这些条件都确定以后，整个系统的状况也就确定下来了。但由于在中间环节的计算上涉 及到比较复杂的经验关系式，一般无法直接求解，往往要借助于某些数学方法。 通过节点分析的方法我们就建立起了一个生产系统的动态模型，改变生产系统的各个参数 就能得到不同的匹配流量和相应的匹配压力，根据这些流量、压力和参数之间的变化关系， 再结合油藏、储运等方面的因素和现场实际情况就可以从中选出我们所需要的最佳工作 点，或预测未来的生产动态“”。 无论是国内油田，还是国外油田，到目前为止，节点系统分析方法及其相应软件已成 功地用于注水井、注气井、自喷井、气井、电泵井和抽油机井等生产实践，在生产中收到 了相当好的效果。 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第二章螺杆泵采油现状及发展趋势 2 1 螺杆泵采油原理 简单的工作原理如下“”：螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子之间形成的一个个互不 连通的封闭腔式，当转子转动时，封闭空腔沿着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。 2 2 螺杆泵采油技术的发展趋势 螺杆泵的历史较长，在本世纪2 0 年代中期法国人勒内莫依诺发明设计出这种泵。他 的目的是要在泵、压缩机械或马达中使用这种腔式压缩机。进入9 0 年代，螺杆泵的研究 与应用发展很快。国内已有几十家生产厂家，许多技术规范已经制定出来，每年都有一些 新工艺技术进入应用领域。目前，在深度1 7 0 0 m 及更深的井中广泛使用螺杆泵及举生液体， 在传统的举生方法中，又增加了一项新技术、新工艺。 近年来，螺杆泵采油技术在世界石油发展开发中起到了重要的作用。螺杆泵采油技术 的发展以及人们观念的更新，使螺杆泵不断在重油和含砂井中应用，而且在稀油井、大排 量井、排水采气和中后期水驱油田采油中得到应用。有关资料表明，螺杆泵正朝着规范化、 系列化方向发展。目前泵的最大下深已达到3 0 0 0 m ( 1 6 0 m 3 d ) ，最大排量达到1 0 0 0m 3 d ( 8 0 0 m ) 。螺杆泵采油具有其它抽油设备所不能替代的优越性。 近年来，大庆油田在举升配套工艺技术方面，以降低机械采油成本为目标，开展了螺 杆泵采油工艺技术研究。现场应用试验证明，螺杆泵具有良好的经济性，与同举升能力抽 油机相比，使用螺杆泵的一次性投入和耗电都大幅度降低。而且，我国油田螺杆泵的使用 寿命最长已超过1 6 0 0 天，有些井的免修期已超过了1 0 0 0 天。在螺杆泵配套技术攻关的 过程中，针对制约大中排量螺杆泵的秆柱问题，进行了插接式防脱杆和钻杆锥螺纹抗扭杆 为主的螺杆泵专用抽油杆的攻关试验，与常规抽油杆相比降低了9 9 8 个百分点；此外， 对井口密封形式、电机基础及电机底座进行了改进，改善了井口密封效果，提高了地面设 备的运行稳定性。在大庆油田应用的大排量螺杆泵，目前运转时间最长的已达到6 4 5 天。 在大港中北部含水出砂开发区推广应用，取得了增产增效、提高生产时率、减少投资、节 能降耗的效果。 螺杆泵工作原理不象抽油机。它是利用旋转运动实现抽油的。井下驱动潜油螺杆泵采 油系统的动力置于井底，用旋转运动实现抽油。正是由于这种特殊运动和螺杆泵的功能， 使它具有许多优点，。具有较好的经济效益。通过多年的实践证明它投资少、能耗低、适应 性强。这些特点被用户逐渐接受。 第二章螺杆泵采油现状及发展趋势 2 2 1 螺杆泵采油配套新技术 随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也越来越高，为适应螺杆泵快速 发展的要求，研究领域也表现的比较活跃。 近几年来出现了许多新式结构，使用了许多新材料，出现了许多新的构思方案，使螺 杆泵采油系统的使用寿命大大提高，使用数量逐年增加，应用前景十分广阔。 ( 1 ) 螺杆泵金属定子 在合成橡胶工业发展的基础上，螺杆泵( p c p ) 的常规设计中采用了许多新型材料。 合成橡胶工业的发展，扩大了合成橡胶的使用范围。发展了一种新型的基本上为非合成橡 胶材料的定子。近期新型设计了一种金属定子，由合金钢或青铜取代了现有定子大部分合 成橡胶，只围绕着泵壳内基础钢体的内表面固定了很薄的一层合成橡胶。这种设计比常规 的螺杆泵设计具有多种优点，如：承压高、扭矩低泵体小，能适应于更恶劣的环境，只需 更低的功率，具有更大的流量。 ( 2 ) 圆钢热扎成型转子 螺杆泵的转子一般采用圆钢毛坯加工成型。这种制造方法，不仅加工时间长而且还浪 费材料，成本较高，如果采用圆钢热扎成型转子，不仅可以节约加工时间，而且还节约金 属材料，降低成本，使用效果也更好。所以，近年来，国外使用热扎成型转子较多。 ( 3 ) 钢管热扎成型转子 采用钢管热扎成型转子，除具有上述圆钢热扎转子的优点之外，还能节约更多的金属 材料，成本较高，如果与空心抽油杆相配合使用，可从空心抽油杆和转子之间向井下注入 稀油或热油，以开采粘度更高的稠油，扩大螺杆泵的使用范围。所以近年来为开发粘度更 高的稠油，已采用了钢管热扎成型转子，使用效果相当好。 ( 4 ) 长寿命螺杆泵采油系统 定子橡胶长期在原油中工作，在不同程度上会发生膨胀现象。根据这种现象，可以设 想，用一种特殊的橡胶材料制造定子，使其工作的磨损量等于膨胀量，这样可以实现永保 过盈量在设计范围之内，实现长寿命、高效。近年来，该项研究工作得到了一定的进展， 但是尚未获得满意效果，尚未推广使用。 ( 5 ) 螺杆泵关井控制器 当螺杆泵容积效率较小时，制造合成橡胶的膨胀，增大了螺杆泵运转的摩擦力。这种 摩擦力，必将导致定子磨损和剪切，螺杆泵将遭到破坏。 通过地面对流体流量的监测，观察流量的瞬时变化及漏失情况，得克萨斯州啊比林地 区的p r o c a v 研究所设计了一种关井控制器，用于在最小排量时，保护螺杆泵系统免遭破 坏。当压力降到与孔板相交时，由孔板式压力传感器将压力转换成电流为一个4 2 0 m a 的 信号。井的产量能从液晶显示的气、油比读数计算出来，这个气、油比读书是唯一的一个 只产生微小误差的影响因素。延时马达能切断液晶上1 5 v 的显示信号。关井设定点由显 示液晶读数的电位计来实现调节。1 1 0 s 内的延时关井时间，能适用于由于气体窜动产生 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 的最小流量波动，环形电流记录仪能记录螺杆泵运转时的功率消耗情况乜刀。 2 2 2 螺杆泵采油技术的发展趋势 近年来国内外螺杆泵采油系统技术发展比较快，随着新型材料的使用和制造工艺的不断 进步，螺杆泵采油技术应用范围不断扩大，工艺逐渐成熟。 ( 1 ) 不仅高含砂、稠油井可应用螺杆泵抽油，原油物性好、条件好的油井也可利用。 ( 2 ) 含聚合物油井利用螺杆泵采油，泵效不仅不降低，反而有所提高，这个螺杆泵的 应用提供了新的领域。 ( 3 ) 由单井使用向区块、油田应用的方向发展。 ( 4 ) 由单头向多头( 转子2 、3 、4 头等) 螺杆泵发展，使泵实际排量由1 5 0m 3 d 左右 向2 5 0m 3 d 每天左右发展。 ( 5 ) 随着高温橡胶配方的研究和定子加工工艺的改进，由浅井向深井螺杆泵发展。 ( 6 ) 在增加螺杆泵功能方面，向着研究无油管螺杆泵抽油技术、研究间歇活动式螺杆 泵抽油技术等方面发展。 第三章螺杆泵油井生产系统的建立 第三章螺杆泵油井生产系统的建立 对螺杆泵井工况进行诊断分析，必须充分掌握油井生产系统的工作规律，在分析生产 系统各个子系统的基础上，了解螺杆泵井的工作状况。 螺杆泵井生产系统可以包括三个子系统，即油井流入系统、井筒流动系统、井下螺杆 泵系统n 6 1 。 3 1 油井流入系统 从油井流入系统主要了解的内容是油层的供液能力和油井潜力。系统规律可用油井流 入动态曲线来表示。由于油井产液为油气水混合体，所以采用油气水综合流入动态曲线 ( i p r ) 。 沃格尔建立的i p r 曲线未考虑含水情况，而就大多数注水开发油井而言，随着采出程 度的增加，油井早晚要见水，如果流压低于饱和压力，就将出现油气水三相渗流。佩特布 拉斯根据油流的沃格尔方程和水的定生产指数，从几何学的角度导出油气水三相渗流时的 i p r 的曲线及计算公式“1 。 q 。= ，( _ 一p 。) ( 3 - 1 ) g o 。= 吼+ 告 ( 3 - 2 ) 砜一+ 南( i 一孚 净s ， 当0 q q 6 时 p 可= 瓦一了q ( 3 4 当q 6 q q o 一时 p 盯= ( ；：一号 + 。，2 s o l 扫。8 1 - 8 0 q - q b ；一t c s s ， 当q o 。 q p 6 ，则 j ：一 、 d = p r p 咖，j ( 3 7 ) 测试时，如果p 。 盱， p 。，则 j = f 兰等- 1 ( 3 - 8 ) ( 1 一砷i 一见+ 等+ 兀仨一p 懒) i 式中捌- o z 降卜降) 2 净。， 以上描述流体在油层中的渗流规律，并以油井的测试资料进行修正得到油气水综合流 入动态曲线( i p r ) 。 3 2 井筒的流动系统 对井筒流动系统主要进行的是对油井多相流体的压力和温度分布的分析计算，采用 b e g g s b r i l l 相关式描述多相流在井筒中的流动规律，综合考虑流体特性对井筒流体热传 递的影响，计算井筒流体的温度分布。 3 2 1 井筒流体的温度分布 对于稀油井，由于摩擦扭矩很小，用地温梯度代替井温对计算结果不会产生较大误差； 但螺杆泵油井也适应开采稠油，对于稠油并来说，由于原油的粘度随温度变化非常敏感， 即表现为升温降粘特性，并且原油越稠，这种升温降粘作用越显著，因此用地温代替井温 将导致摩擦扭矩偏大。因此必须采用井温而不能用地温。”。 温度分布公式为： 卜警 1 - d 一等三) 卜删 c s 一蚴 蜀 l 1l 形川”7 形= m i c t + m g c g ( 3 1 1 ) 式中r 油管中位置处原油的温度，； k 总传热系数，w m ； 9 蔓三章螺杆泵油井生产系统的建立 井底原油温度， m 地层温度梯度，m ； m 。井筒中气体的质量流量，k g s ； 4 井简中液体的质量流量，k g s ； g 重力加速度，m s 2 ： 口，内热源，w m ； 形水当量，w m ； g 产出液体的比热，w k g ； c 。产出气体的比热，w k g 。 式( 3 1 0 ) 对于常规采油井来说，可取口，= o 。 在同一口油井，地温梯度和井底温度都是不变的，传热系数则受地层物性和地层热阻、 油管环行空问介质及其物性和油井的产量等多种因素的影响，而产量对传热系数的影响较 小。故在一定的地层条件及井筒状况下，也可近似地认为传热系数为一常数。这样，整个 井筒的温度分布就只受与油井产量有关的水当量和距井底的距离的影响。 3 2 2 物性参数的计算 ( 1 ) 溶解油气比 首先计算天然气在6 8 9 5 k p a 表压下的相对密度： ，茹2 ，1 + 5 9 1 2 x 1 0 - 5 ( ! 兰。半 o s ，+ ，2 ，t s 如。2 s s p ) 。一。：， 式中 乍天然气在6 8 9 5 k p a 表压下的相对密度，无因次 7 在某已知t 、p 下的天然气的相对密度，无因次； f 某己知温度，； p 某已知压力，k p a ： ，0 标准条件下原油的相对密度，无因次。 r s = c l r g s p c 2 唧h 黹 睁 式中心溶解油气比，m m 3 ； r 温度，； p 压力( 绝对) ，k p a 。 式( 3 - 1 3 ) 中系数如表3 - 1 所示。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 表3 - l 溶解油气比计算公式系数表 t a b l e3 - 1t h ef a c t o r sf o rt h ec a l c u l a t i o no f s o l u t i o ng a s - o i lr a t i o 系数 r o p 6 时 当p p 6 时 0 0 5 0 6 4 、r n g 舻砰丽 。= i t o be x p - 1 3 9 2 4 x 1 0 5 ( p p 6 ) j ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 胪儿( 圹e x p - 3 6 2 6 x 1 0 - s 。) 】 仔z z ， 式( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 中 p 压力( 绝对) ，k p a ； n 泡点压力，k p a ； 。泡点压力下的原油粘度，m p a s ： 以压力高于泡点压力时原油粘度，m p a s ： 2 。压力低于泡点压力时原油粘度，m p a s 。 ( 6 ) 天然气的粘度( 李氏公式方法) 以= c x l 0 。3e x p 妇9 7 ) 。：9 ：垄! ：! ! 坠鲨 1 1 6 + 3 0 3 g + t ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 丕压互垫兰堕三星堡圭主些堂垡堡塞 一“半+ o 2 9 y = 2 4 - 0 2 x 式中r 温度，k ： 以天然气的粘度，m p a s ； 以天然气的密度，g c m 3 。 ( 7 ) 水的粘度( b e g g s - b r i l l 方法) 声，= e x p 1 0 0 3 + 1 4 7 9 1 0 2 ( 1 8 t + 3 2 ) 】+ i 9 8 2 1 0 - 5 ( 1 8 t + 3 2 ) z j 式中 f 温度，； 。水的粘度，m p a s 。 ( 8 ) 原油一天然气的表面张力 吒= 4 2 4 - 0 0 4 7 ( 1 彤+ s z ) 一。拍，f 1 4 1 5 1 3 1 5 r o ( 3 - 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) 舾( _ o o 0 0 1 0 1 5 p ) ( 3 2 8 ) 式中，温度，： p 压力，k p ao 吒一原油一天然气的表面张力，i i l n m 。 ( 9 ) 水一天然气的表面张力( 卡茨方法) 仃。= 2 4 8 三- 矿1 8 t 7 6 e x p ( - o 0 0 0 3 6 2 5 p ) 一5 2 5 + 0 0 0 0 8 7 p + 5 2 5 - 0 0 0 0 8 7 p ( 3 - 2 9 ) 式中f 温度，： p 压力，k p a ； 吼水一天然气的表面张力，m n m 。 ( 1 0 ) 天然气的压缩因子 z - h0 3 0 5 1 1 0 4 6 7 一等卜( 0 5 3 5 3 - 0 6 n 1 2 3 什，in 厂 + h 0 0 6 r 4 2 3 p ；+ 0 6 开8 1 ，6 p r 2 ( 、1 + 0 6 8 4 5