螺杆泵教材2011.05

螺杆泵采油工艺、常规配套技术及日常生产管理,2011年5月,一、国内外应用现状及发展趋势二、螺杆泵采油系统三、螺杆泵采油配套技术四、螺杆泵井日常生产管理五、目前螺杆泵需进一步完善和解决的问题,目录,螺杆泵又叫渐进容积式泵，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？,一是,一次性投资少。与电动潜油泵、水力活塞泵和游梁式抽油机相比，螺杆泵的结构简单，一次性投资最低,二是,泵效高，节能，维护费用低。由于螺杆泵工作时负载稳定，机械损失小，泵效可达70%以上，系统效率高。设备结构简单、体积小，维护方便,三是,占地面积小。螺杆泵的地面装置简单，安装方便,四是,适合稠油开采。一般说来螺杆泵适合于粘度为8000mPa.s以下的原油开采，因此多数稠油井都可应用,螺杆泵采油的技术特点是什么？,五是,适应高含砂井。理论上螺杆泵可输送含砂量达80%的砂浆，在原油中含砂量达40%的情况下也可正常生产,六是,适应含气量较高井。螺杆泵不会发生气锁，因此较适合于油气混输，但井下泵入口的游离气会影响容积效率,七是,适合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，因此适合于海上采油,螺杆泵采油的技术特点是什么？,一、国内外应用现状及发展趋势,本章主要内容：,(一)螺杆泵采油技术的发展历程,(二)国内外螺杆泵应用现状,(三)螺杆泵采油技术的发展趋势,从20世纪30年代法国人发明了单螺杆水力机械原理以来，单螺杆泵在石油工业领域得到了广泛的应用。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、美国和德国等相继开发并形成了排量为2-300m3/d，扬程为500-2000m的系列产品，并得到广泛应用。,(一)螺杆泵采油技术的发展历程,地面驱动螺杆泵采油系统,(一)螺杆泵采油技术的发展历程,地面驱动螺杆泵采油系统,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，目前已形成排量为2-240m3/d、扬程为500-1800m的系列产品，并已在国内、外油田推广应用,大庆油田自1986年到1992年开展GLB120-27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。1993年至1998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GLB40-42和GLB75-40型螺杆泵机组的研制；针对聚合物驱油田举升的需要完成了GLB500-14和GLB800-14型螺杆泵机组的研制,2000年至2002年针对高产液井举升和电泵井转型的需求完成了GLB1200-14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KGLB500-14及以下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,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%,(二)、国内外螺杆泵应用现状,1、国外应用现状,(二)国内外螺杆泵应用现状,稀油井应用,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1220m，最大排量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，平均产液量320m3/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,1、国外应用现状,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，油井完井深度450750m。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螺杆泵有着广泛的应用前景,1、国外应用现状,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（KGLB75-50）,排量可达到240m3/d(GLB2000-12扬程600m),油品性质：稠油、含砂、高含水、聚驱、三元等,KGLB500型及以下偏心测试井（套管外径139.7mm）,斜度不大于30度的斜井,(二)国内外螺杆泵应用现状,大庆油田自1986年引进螺杆泵以来，经历了引进、消化吸收、自主开发三个阶段，“九五”期间，主要攻克了螺杆泵定转子抱死和定子橡胶脱胶等技术难题，“十五”期间，主要攻克了螺杆泵热洗清蜡、驱动装置漏油、杆柱断脱和测试诊断等技术难题。“十一五”期间完善了扶正器优化设计及杆、泵匹配技术，推广应用了螺杆泵电参数在线监测技术及泵况综合诊断方法，加深了偏磨机理的研究，加大了防偏磨成熟技术的应用力度。到目前为止，地面杆式驱动螺杆泵采油技术已基本成熟配套，成为继游梁式抽油机和潜油离心泵之后的主力人工举升方式，而且在聚合物驱、三元复合驱油井上表现出良好的适应性。与其它人工举升方式相比，螺杆泵低投资、低能耗、对介质适应性强等优势在油田高含水后期挖潜增效的作用日益凸显,2、国内应用现状,大庆油田螺杆泵应用,螺杆泵采油技术日渐成熟配套应用规模逐步扩大,螺杆泵系列逐步完善，形成了从GLB40-42到GLB2000-12的大中小系列螺杆泵，排量范围2240m3/d，扬程5001800m。螺杆泵井检泵周期得到了有效延长,大庆油田螺杆泵井生产情况统计,目前，大庆油田在聚合物驱采油井上采用螺杆泵采油已达到一定规模，在用聚驱螺杆泵采油井2845口平均泵效57.49平均沉没度474.22米平均检泵周期505天,聚合物驱采油井应用,2、国内应用现状,辽河油田通过多年的应用研究和实践，在螺杆泵稠油开采方面取得了丰富的经验。以海外河油田为例，2000年以来通过螺杆泵应用优化设计，确定合理的工作参数；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驱动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和软停机控制和油井产液量的合理调整等技术配套措施，使螺杆泵在稠油开采方面取得了良好的应用效果，投入产出比达到1:11.2。海外河油田应用螺杆泵冷采20余口井，平均检泵周期达1年,稠油井应用,经验,一是,二是,三是,井下泵采用小过盈多级数：设计扬程为1200米的井下泵要求举升压头400-600米时，泵效65-70%,采用低速：平均转速为50转/分,合理改变井下泵的结构：把普通的定位销改成侧开口定位销，再把下部铣扁的转子下放到开口定位销内部，螺杆泵工作时，转动的转子一直对定位销里的含砂液体产生扰动，减少了砂子沉积,四是,采用泵挂深度置于射孔段下方，保证定子散热良好，避免烧泵,稠油井应用,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、插入式和多吸入口螺杆泵、高转速螺杆泵、地面油管驱动螺杆泵等,杆式驱动螺杆泵在水平井及大斜度井上应用受到了限制，大排量螺杆泵井杆管偏磨日益严重，螺杆泵井的拓宽应用受到制约。开发应用电潜螺杆泵从根本上解决上述问题。电动潜油螺杆泵采油系统由地面控制系统、下井电缆、螺杆泵、保护器、减速器和电机等组成。目前国内多个油田都在研发和试验过程中，存在主要问题是螺杆泵排量及减速器寿命,(三)、螺杆泵采油技术的发展趋势,1.电动潜油螺杆泵,2.探索新型螺杆泵,3.电机直驱螺杆泵采油技术,4.螺杆泵智能化监测、诊断、控制技术,5.螺杆泵定子橡胶适应性研究,永磁电机直驱螺杆泵系统，实现电机的低转速、高力矩，改变了常规驱动头使用减速器、皮带的传动方式，较好地解决了常规驱动装置存在的技术缺陷和安全隐患，与常规驱动装置相比可节电30%以上，同时降低了维护成本，方便日常生产管理,在螺杆泵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、供排关系连续监测自动控制技术，确保井下泵在水力高效区合理工况下运行,针对各油田不同区块原油物性的特点（尤其是聚合物驱和三元驱），研制和优选螺杆泵定子橡胶，提高其配伍性和稳定性，延长橡胶的使用期限，提高螺杆泵整体检泵周期,一、国内外应用现状及发展趋势二、螺杆泵采油系统三、螺杆泵采油配套技术四、螺杆泵井日常生产管理五、目前螺杆泵需进一步完善和解决的问题,目录,二、螺杆泵采油系统,本章主要讲解的内容：,(一)螺杆泵基础知识,(一)螺杆泵基础知识,(二)螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,(三)螺杆泵泵型及结构参数,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，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，实现机械能和液体势能的相互转化，从而实现举升作用。螺杆泵有单头(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,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，液体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,螺杆泵定、转子的线数,目前所应用的螺杆泵线数均采用N/N+1形式，即定子的线数总是比转子的线数多一线，这是由空间啮合理论所决定的。螺杆泵的线数与螺杆数量是两个根本不同的概念，不应混为一谈,(一)螺杆泵基础知识,1：2结构2：3结构3：4结构4：5结构,螺杆泵有哪些结构参数？,e转子偏心距，mmD转子截圆直径，mmT定子导程，mm,单头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,螺杆泵型号表示方法,DKGLBX-,例如：DKGLBX500-14型螺杆泵表示：等壁后定子、空心转子结构，杆式驱动多头螺杆泵，泵每转公称排量500ml，总级数为14级,单头螺杆泵定、转子型线结构图,转子结构图,定子结构图,y1,2e,2e,x1,R,t,O1,x1,y1,O1,2e,2e,R,A,A,由单头螺杆泵原理可知，转子的任一截面都是半径为R的圆，每一截面的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，则定子导程T=2t，当螺杆泵转动一周（2）时，封闭腔中的液体将沿井筒向上方向移动2t的距离，在任意横截面中液体占有的面积为衬套面积与转子面积之差为4eD，因此，螺杆转一周的理论排量q=4eDT，故螺杆泵每天的理论排量为：Q=5760eDTn,螺杆泵理论排量如何计算？,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/dq螺杆泵每转排量，ml/rn转子转速，r/min,e转子偏心距，mmD转子截圆直径，mmT定子导程，mm,螺杆泵理论排量如何计算？,例：某井下入型号为GLB1200-12螺杆泵，转数为150转/分，表示为地面驱抽油杆传动的螺杆泵，总级数12级，每转公称排量1200ml，其理论排量为：1440120015010-6=259.2m3/d,理论排量计算方式：,螺杆泵理论排量如何计算？,螺杆泵作为水力机械必须要满足以下三个必要：1、定、转子能够互相匹配能够满足一般齿形啮合运动的要求2、转子和定子衬套能够保证密封性转子和定子衬套间能形成多个密封腔室，以充满工作液体3、密封腔室能够不断推移转子的转动能够使密封腔室连同其中的工作液体连续地沿轴向推移，并在推移过程中进行能量的相互转化,螺杆泵的三个基本要求是什么？,条件,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？,1、螺杆泵采油系统的种类,地面驱动单螺杆泵采油系统,井下驱动单螺杆泵采油系统,(二)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,按动力源形式区分,地面驱动螺杆泵：,螺杆泵采油系统的种类,根据传动方式可分为电机直接拖动（直驱）和电机间接拖动两种，它们的系统组成都由地面驱动部分、井下泵部分、电控部分、配套工具及其井下管柱等五部分。,地面驱动螺杆泵：,螺杆泵采油系统的种类,电机间接拖动又可分为：皮带-齿轮传动、皮带传动和齿轮传动等多种方式，由于我油田大部分在用的螺杆泵为皮带-齿轮传动，所说的常规地面驱动螺杆泵就是指该传动方式螺杆泵。,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能有效降低生产成本，增加经济效益，有抽油机、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点，倍受国内外油田重视，目前已成为油田主要的机采方式之一,井下驱动螺杆泵：,螺杆泵采油系统的种类,按驱动形式不同，可分为电潜螺杆泵和水力驱动螺杆泵两种形式，共同特点是动力源置于井底，不用抽油杆带动转子旋转，避免杆、管偏磨。,常规地面驱动单螺杆泵采油系统由哪几部分组成？,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-驱动杆；9-驱动杆扶正器；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,按所在位置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、驱动杆、油管、配套工具（如锚定工具、扶正器）等,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，确保油井正常生产。目前具有各项特殊功能的电控箱得到研发应用，如：变频控制柜、电机节能控制柜、电参数连续监测控制柜等,(二)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,按性能分为：电控部分、地面驱动部分和配套工具部分,（2）地面驱动部分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，有机械传动和液压传动,螺杆泵驱动装置的,种类,机械驱动装置,液压驱动装置,2、螺杆泵采油系统的组成,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（1）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，由光杆通过驱动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（2）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（3）井口动密封的作用是防止井液流出，起密封井口的目的（4）方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来,螺杆泵驱动装置,（3）配套工具部分专用井口：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。光杆：强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封驱动杆扶正器：避免或减缓杆柱与管柱的磨损，使驱动杆在油管内居中，减缓抽油杆的疲劳油管扶正器：减小管柱振动驱动杆防倒转装置：防止驱动杆倒扣油管防脱装置：锚定泵和油管，防止油管脱落防蜡器：延缓原油中胶质在油管内壁沉积速度防抽空装置：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筛管：过滤油层流体,2、螺杆泵采油系统的组成,螺杆泵采油系统是如何工作的？,电机通电后电机轴旋转，经过二级减速（三角皮带和齿轮传动）后，通过方卡子带动光杆及抽油杆柱和螺杆泵转子做圆周旋转。由于定、转子间相对旋转运动，所形成的多个密闭腔体不断向上运移，从而实现对井液的有效举升,(二)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,在地面驱动式螺杆泵举升系统中，由定子和转子组成的井下泵体是整个系统的核心设备。大庆油田在井下泵的设计理论、加工工艺及方法、水力特性的检测与评价等方面进行了大量的科研攻关，取得了一系列科研成果，形成了适应不同排量范围的井下泵系列,(三)、螺杆泵泵型及结构参数,螺杆泵基本结构尺寸,一、国内外应用现状及发展趋势二、螺杆泵采油系统三、螺杆泵采油配套技术四、螺杆泵井日常生产管理五、目前螺杆泵需进一步完善和解决的问题,目录,三、螺杆泵采油配套技术,（一）专用驱动杆,实心锥螺纹杆结构,空心插接杆结构,普通抽油杆结构,楔形插接杆结构,普通抽油杆连接为直螺纹连接，靠端面预紧力传递载荷，适用于上下往复式运动。螺杆泵依靠杆柱旋转举升液体，要求杆柱具有较高的抗扭强度和抗拉强度，为此专门研制了螺杆泵专用驱动杆,（一）专用驱动杆,实心锥螺纹杆结构,空心插接杆结构,楔形插接杆结构,早期开发了38空心插接式专用驱动杆，2002年以前在500型以上11口井进行了试验，使用一段时间后有3口井出现了杆牙体扭断。分析认为，这种杆的接头处牙体比杆体抗扭强度低，存在断脱隐患。为此，研制应用了楔形插接式专用抽油杆，其主要特点是杆头与杆体等强度、楔型插接、防脱反扣结构。经强度校核计算，杆体的抗扭模量为8409mm3，杆头插接处抗扭模量为8533mm3，可见杆体与杆头近似为等强度的。室内试验分析表明，该杆所受的拉应力为88MPa，扭转剪应力为186MPa，最大扭矩3800N.m，安全系数在2.5以上，能够满足1200型大排量螺杆泵可靠运行,三、螺杆泵采油配套技术,实心锥螺纹杆结构,空心插接杆结构,楔形插接杆结构,对500型以下泵，以往采用普通直螺纹杆，由于螺纹强度不够，杆撸扣、断脱现象经常发生，为此研制开发了实心锥扣SHY级工艺杆。该工艺杆是在D级抽油杆的基础上，经过超音频感应加热淬火工艺，使其表面存在一层3.0mm的淬硬层，金相组织为针状回火马氏体，其组织晶粒细小均匀，具有较高的表面硬度（HRC42），由于杆体心部未调质部分韧性较好，使杆体的韧性和表面强度都有较大提高。抗扭强度b1000N/mm2，22mm实心锥扣SHY级工艺杆额定扭矩达到2000N.m，25mm扭矩达到3000N.m，28mm扭矩达到4600N.m,三、螺杆泵采油配套技术,（一）专用驱动杆,实心锥螺纹杆结构,近年来对偏磨问题井的跟踪分析发现实心细径杆偏磨的比率远远小于空心粗径杆。综合考虑过流面积、抗扭能力、系统安全和成本投入等因素，在1200型及以上大排量螺杆泵上，进行用28mm实心锥扣SHY级工艺杆取代原38mm及42mm空心D级杆。28mmSHY级工艺杆是在直径不变的情况下，将原HY级杆外壁加硬层变厚，由3.0mm增加到3.5mm，大大增加了杆体的抗扭强度,SHY级锥螺纹杆体工艺结构,三、螺杆泵采油配套技术,（一）专用驱动杆,实心锥扣SHY级杆与空心D级杆对比,实心锥螺纹杆结构,空心插接杆结构,楔形插接杆结构,实心SHY级杆与空心D级杆参数对比表,（一）专用驱动杆,实心锥扣SHY级杆与空心D级杆对比,实心锥螺纹杆结构,楔形插接杆结构,28mm杆与38mm、42mm空心杆相比增大过流面积，减小沿程阻力，相应降低扭矩，提高杆的抗弯、抗拉、抗扭和耐磨程度，防止因偏心矩引起的弯曲和扭矩过大而产生杆断，达到防治杆管偏磨和杆断的目的,杆扭断,（一）专用驱动杆,1.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,（二）螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术,三、螺杆泵采油配套技术,螺杆泵井管柱防脱方式主要有以下5种：反扣油管、防转锚、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,1.管柱防脱技术,A,B,由件6-13组成的扶正器，依靠压簧的弹力，造成摩擦块7与套管的摩擦力，扶正器通过滑环销钉11，沿中心管14的轨道槽运动。下管柱时，滑环销钉11位于轨道的B点，卡瓦2处于收拢状态坐卡时，按所需坐卡高度上提管柱后下放管柱(一般情况，1000m油管坐卡时，上提管柱850mm)滑环销钉就从B点运动到E点，卡瓦2也就处于撑开坐卡状态，卡瓦2牢固地坐在套管内壁上坐封后如油管挂露出法兰1025mm，可硬压下去，超过这个范围必须重新坐卡。解卡时，上提管柱，滑环销钉11由E点运动到A点，卡瓦2在箍簧3的作用下收回解卡,DQ0552支撑卡瓦结构原理如图A、B,防转锚示意图,防转锚：该防转锚由卡箍、销钉、板簧、中心管、卡块组成。当中心管随定子及油管转动（顺时针方向）时，卡块在板簧弹力的作用下，卡在套管内壁上，卡块背面紧贴在中心管槽的平面上，使螺杆泵定子不能旋转当起泵作业时，反向旋转中心管，卡块即脱离中心管，防转锚不再起作用,1.管柱防脱技术,2.杆柱防脱技术,螺杆泵采油井造成抽油杆脱扣的原因有多种，如在蜡堵或卡泵时会造成杆柱反转而脱扣；在停机后油管内液体回流，杆柱反转也会造成抽油脱扣；转子在油套环空内的液体作用下转动造成杆柱脱扣等等。因此，必须开展螺杆泵防脱技术研究,棘轮、棘爪式防反转装置,目前，地面驱动有机械防反转装置、液压制动防反转装置，井下有杆防脱器和插接杆反扣接箍等技术,液压制动防反转装置,（二）螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术,3.管柱扶正技术,油管橡胶扶正器,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。油管扶正器分为橡胶扶正器和金属刚性扶正器两种,金属刚性扶正器,（二）螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术,4.杆柱扶正技术,抽油杆柱是螺杆泵井下的主要转动件，它在运动中主要受三个力：离心惯性力、轴向向下拉伸力及摩擦力。由于抽油杆在运动中产生杆柱弯曲是不可避免的，抽油杆、接箍和油管的磨损现象是普遍存在的。因此要减小杆柱偏磨，就要减少杆柱在运动中所受的摩擦阻力及采取一些保护技术来保护杆体、杆箍,目前，杆扶正器材料一般采用抗磨损增强尼龙制造,（二）螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术,4.杆柱扶正技术,42mm带限位箍楔型反扣空心杆锥螺纹实心杆扶正短接,目前扶正器的种类很多，可防串限位式的结构较为合理，同时必须考虑扶正器节流问题，保证足够的过流通道。目前在用的扭卡式快装杆体扶正器过流通道较大，只是不能防止串动，有效保护接箍。杆接箍附近设计出限位箍结构或安装扶正短接，这两种结构在限位段直接安装扭卡式扶正器，既保护了接箍又不节流,目前空心杆利用摩擦焊接堆出或直接墩出了一道限位箍，实心驱动杆采用扶正短接结构或采用扭卡式防串扶正器,4.杆柱扶正技术,驱动杆扶正器的优化设计,按照常规的做法，螺杆泵井采取全井扶正的措施，这样虽然延缓了偏磨，但同时增加了管柱内液流阻力，杆柱由自重产生的拉伸效应降低，失稳临界值减小，易弯曲发生偏磨；而合理地安装扶正器，既可以保证弯曲点杆管不接触磨损，同时也能尽量减少由于安装扶正器产生的“上顶”力。因此，提出了驱动杆扶正器的优化设计研究首先，通过对杆柱受力模型进行分析，发现越是下部的驱动杆越容易弯曲变形发生偏磨；其次，现场也发现多数偏磨井偏磨段都在中下部，且越向下偏磨越严重，同时大泵空心杆偏磨的几率和偏磨程度远远高于小泵实心杆。为此，确定了“下部加密、上部适当减少”的扶正器优化方针,4.杆柱扶正技术,驱动杆扶正器的优化设计,一是对中、小排量配套实心杆的井，转子上部5根杆每根安装一个扶正器，其余5根一个；二是对大排量配套实心杆的井，转子上部10根杆每根安装一个扶正器，其余4根一个；三是对大排量配套空心杆的井，转子上部10根杆每根安装一个扶正器，其余23根一个。同时，结合作业施工现场监督，对偏磨严重的井现场调整扶正器的优化措施,（三）螺杆泵清防蜡解堵技术,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,三、螺杆泵采油配套技术,油井结蜡对螺杆泵采油的影响,一是,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,二是,泵出口以上结蜡,（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）驱动杆旋转摩阻增大，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,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,什么是热洗清蜡工艺技术,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，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生产。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，且存在不安全隐患,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。但该工艺对井下洗井阀的可靠性和稳定性要求较高,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,4,空心转子螺杆泵热洗,空心转子螺杆泵的开发，实现了大排量快速热洗清防蜡工艺,正常生产的螺杆泵井，确定是否需要热洗清蜡，主要靠电流、产量、光杆扭矩的变化来判断,5,螺杆泵井热洗质量要求,热洗质量要求,A、热洗介质温度不能超过90B、热洗出口回油温度不得低于60，并稳定40min以上C、产量恢复到原来生产水平，波动不超过10%D、光杆扭矩恢复到正常生产时的光杆扭矩值E、电流恢复到正常生产时的工作电流,螺杆泵井热洗质量要求,什么是化学清防蜡工艺技术？,在油井开采的大多数情况下，石蜡结晶的析出几乎是不可避免的，但从石蜡结晶开始析出到蜡沉积在管壁上还有一个使结晶长大和聚集过程。因此，在含蜡石油中加入防止和减少石蜡聚集的化学清防蜡药剂，也是防止结蜡的一条重要途径,加药方式,化学清防蜡药剂对螺杆泵的定子橡胶有一定的影响，所以采用加药清防蜡，应避免化学药剂经过泵，为此，主要采用空心杆内加药工艺。但对于与橡胶配伍性好的化学清防蜡药剂，可直接从油套环空加入，加药周期根据油井的含蜡量而定加药工艺实施两种方案，即连续加药和定期加药,1,空心杆内加药工艺流程及原理,空心杆内加药工艺有两种实施方案，即连续加药和定期加药。连续加药主要是以防蜡为目的，它是利用排量可调式柱塞泵，以小排量将药剂经井口动密封装置连续注入空心杆内，药经空心杆下端单流阀进入油管，药剂与原油混合达到防蜡降粘目的。定期加药主要用于油井清蜡，将柱塞泵调到最大排量，定期将一定量的药剂注入空心杆内，达到清除油管内壁积蜡的目的,2,什么是电加热解堵工艺技术,冬季温度低而原油凝固点高，含蜡量高，若因故停机时间较长会造成上部油管(结蜡点以上)内原油凝固而使螺杆泵起动困难或根本无法启动，需要解堵才能启动,电加热解堵示意图,电缆加热解堵是在空心抽油杆内下入活动式加热电缆，通电后电缆产生热量使油管内原油降粘解堵。如图所示，解堵时电缆车将电缆经井口滑轮下入空心杆(已注满清水)内，当电缆下到结蜡点以下深度时通电，于是电缆放出热量经空心杆传递给油管，从而使油管内原油升温。在加热过程中要定时测量井口油温，当油温达到原油凝固点以上，起出电缆，启动螺杆泵井，从而达到解堵的目的,什么是电加热解堵工艺技术,不压油层洗井工艺示意图,中小排量实心转子螺杆泵，采用自然循环热洗时，热洗排量小，回油温度低，时间长，同时井底憋压高，容易损伤地层，易引起抽油杆脱扣，热洗效果差。如上吊车将转子提出定子洗井，热洗排量大，井底压力小，回油温度高，时间短，对地层损伤小，但热洗费用高，且存在安全隐患，应采用管式洗井阀洗井,什么是不压油层洗井配套工艺技术？,不压油层洗井技术是由空心转子螺杆泵与不压油层封隔器配套使用，洗井液通过地面热洗管线从油套环空注入，洗井液的压力将封隔器的单流阀关闭，将空心转子螺杆泵的单流阀打开，流经空心转子内腔直接进入油管。该洗井工艺实现了不停机大排量热洗，洗井温度高洗井液不进入地层，避免了对油层造成伤害，节约洗井时间，同时降低热洗费用,应用电流法对大排量螺杆泵工况进行诊断,合理工作电流的确定,电流诊断法是通过测试电机的工作电流（工作电流的大小直接反映出了工作负载的大小），根据工作电流的大小来诊断泵工作状况的方法。螺杆泵井工作电流由三部分组成：初始电流；泵举升液体消耗的电流；杆与井液、杆与管、杆与扶正器之间摩擦消耗的电流。,（四）螺杆泵工况分析诊断技术,应用电流法对大排量螺杆泵工况进行诊断,电流法原理及合理工作电流的确定,螺杆泵工作电流随扭矩的变化而发生变化，同时结合螺杆泵室内试验数据和现场应用实际，可以确定出螺杆泵井工作电流的合理范围,合理工作电流的确定,结合螺杆泵室内试验数据泵出厂前做的特性曲线数据可以计算出泵初始电流和举升液体消耗的工作电流。杆与井液、杆与管、杆与扶正器之间旋转摩擦消耗的电流，可通过现场实际和经验系数加以确定，最终给出了不同型号螺杆泵井的合理工作电流范围,表中的合理工作电流是指动液面在400m700m，油、套压在合理的范围内，各型号螺杆泵的运行电流，实际中由于采出液性质不同和井况的不同，电机运行电流存在一定差异。合理工作电流区间可作为螺杆泵井现场诊断的重要依据,不同泵型螺杆泵井的合理工作电流,合理工作电流的确定,合理工作电流的确定,当螺杆泵工况发生变化时，最直接反映在电机电流的变化上，根据电流变化的不同，我们可以将螺杆泵各类工况特征进行分类,电流法初步诊断,大排量螺杆泵井的应用情况,L7-113，泵型1200，09年3月发现电流由36A下降至22A，下降了38.9%。采用电流法进行判断，其合理工作电流区间是3040A，同时产量由207t/d下降至59t/d，现场落实液面由254m上升到井口，由表3初步诊断故障为油管漏失或抽油杆断脱，而现场操作中停机有反转（说明杆无问题），应定性为“油管漏失”。4月25日检泵，发现第95根油管上部4.03m处磨出一条0.47m的裂缝，图1为该井故障前后电流变化情况。运用电流法我们还对多口大排量的螺杆泵井进行现场诊断，与检泵结果都相吻合。此方法可操作性强，简便易行,L7-270，2004年5月11日电转螺，泵型为1400，2007年1月10日发现电流由39A下降至23A，下降了41.0%，采用电流法进行判断，其合理工作电流区间是3242A，电流偏低，同时产量由201t/d下降至59t/d，现场落实液面由254m上升到井口，由表3初步诊断故障为油管漏失或抽油杆断脱，而现场操作中停机有反转（说明杆无问题），应定性为“油管漏失”。1月16日检泵，发现第59根油管管体处磨出5cm的裂缝,大排量螺杆泵井的应用情况,应用电流结合憋压法对中、小排量螺杆泵工况进行诊断,对于中、小排量螺杆泵井（尤其是200及以下型泵），由于油井产量低，电机装机功率较大，并且控制柜所配电流互感器精度较低，在油井工况发生变化时，电机电流变化不明显，不能及时发现油井的变化情况。为此在现场对中、小排量螺杆泵工况诊断多采用电流结合憋压法,憋压法原理及操作过程,憋压法：正常生产时，关闭油井二次生产闸门，观察油井油压变化情况，根据油压变化情况确定油井生产状况。此方法在现场工况诊断中被普遍采用。具体操作步骤及诊断过程如下,憋压法具体操作步骤及诊断过程,用两块压力表分别量取油、套压值（套压过高1.5MPa以上，需降低套压），关闭掺水，随后关闭二次生产，观察油压变化情况,a.5分钟油压不升无变化，且油、套压值不相等，这时停机，若油杆无反向扭矩（反转），说明杆断脱；若油杆有反向扭矩，说明泵烧或严重漏失不工作b.若油压上升缓慢，且油压上升到套压值时，不再上升，停机能稳住，且油杆有反向扭矩，说明油管漏或井底洗井阀漏失；若油杆无反向扭矩，说明杆断脱，油压上升是油井压力高自喷所至c.若油压上升缓慢，但继续憋压油压值可大于套压值，停机能稳住，且油杆有反向扭矩，说明泵漏失；若油压上升正常，停机能稳住，且油杆有反向扭矩，只是产量有所下降，电流有所增大，说明油井杆管结蜡或生产管线堵,L15-222井，泵型为120，由前表可知，其合理工作电流区间是913A。08年1月发现停机光杆无反转（说明杆有问题）。工作电流由11A下降到10A（见电流变化曲线图2），变化不明显，仍在合理工作电流区间，现场落实液面由750m上升到井口。直接采用憋压法进行井口憋压，5分钟油压由0.35MPa升至1.0MPa（套压1.0MPa），继续抽压油压无变化，正洗井验管不漏，初步诊断故障为“油杆断脱”。2月17日检泵，发现转子上部5cm处断,憋压法在小排量螺杆泵井上的应用,对小排量螺杆泵问题井，应用憋压法结合油井产量、液面变化情况进行工况诊断上百井次，诊断定性与检泵所发现问题基本相符。此方法诊断准确率较高，但现场操作需要一定的技术指导，同时对于气大的井憋压诊断结果有时模糊不好确定，需热洗压井，这样诊断结果才清晰明了,应用电流结合憋压法对中、小排量螺杆泵工况进行诊断,1、螺杆泵专用驱动杆2、螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术3、螺杆泵清防蜡解堵技术4、螺杆泵工况分析诊断技术,本章主要内容：,一、国内外应用现状及发展趋势二、螺杆泵采油系统三、螺杆泵采油配套技术四、螺杆泵井日常生产管理五、目前螺杆泵需进一步完善和解决的问题,目录,1、螺杆泵井工艺设计方法2、螺杆泵井的资料录取3、生产技术维护及日常管理制度,四、螺杆泵井日常生产管理,本章主要内容：,1、螺杆泵井工艺设计方法,1）范围本标准规定了螺杆泵抽油的方式设计原则、选泵方法、设备优选及参数设计。本标准适用于螺杆泵采油工艺设计及泵、杆、地面装置的参数设计。2）螺杆泵采油方式设计原则(1)依据地质大队的开发总体方案、工程技术大队的采油工程总体方案和计划年采油工作量，在保证各项技术指标条件下，从整体经济效益出发，合理选择采油举升方式，确定是否应用螺杆泵。(2)依照地质产能预测，日产液量在120m3/d以下的油井可优先选用螺杆泵生产。,四、螺杆泵井日常生产管理,3）螺杆泵选泵设计（1）选泵原理由螺杆泵的工作特性曲线可知，螺杆泵同潜油电泵一样存在最佳工作区域。经过几年来的实验研究认为，把螺杆泵工作特性曲线分为A、B、C三个区域较为合理。其中A为合理工作区，B为软工作区，C为不合理工作区。螺杆泵的理论排量计算公式如下：Q理=14404eDTn10-9式中:Q理泵的理论排量，m3/d；e泵的偏心距，mm；D螺杆泵转子直径。Mm；T定子导程，mm；n泵的转速，r/min.上限：泵容积效率应大于65%；下限：泵的工作压力PPmax30%。,四、螺杆泵井日常生产管理,1、螺杆泵井工艺设计方法,1容积效率曲线2系统效率曲线3扭矩曲线,（1）选泵原理具体方法是：上限的确定由泵出厂的检测报告（即图1）中确定出容积效率65%的点，由该点作横坐标的垂直线，该线与容积效率曲线交叉，从而确定螺杆泵工作区的上限；下限的确定-由图1可得出该泵的最大工作压差即Pmax，在横坐标上Pmax的30%处有一点，由该点作横坐标的垂线，与图上3条线相交，从而确定螺杆泵工作区的下限。由产能预测及螺杆泵的理论排量可计算出预下泵的井下容积效率；由预设的沉没度可确定出所选用螺杆泵的工作工作压差，在上、下限的确定基础之上，确定该井在何区工作。各区工作状态如图1所示：1容积效率曲线2系统效率曲线3扭矩曲线容积效率V系统效率M扭矩P压头,1、螺杆泵井工艺设计方法,3）螺杆泵选泵设计,（1）选泵原理A区：螺杆泵在该区工作，取B、C区之长，避B、C区之短，流压与排量、系统效率的关系不敏感。B区：螺杆泵在该区工作，虽然泵效高，但系统效率低，有效扬程低，不但泵的潜能没得到发挥，而且因生产压差过小，油井产能也被抑制。因此螺杆泵不应工作在B区。C区：螺杆泵在该区工作，尽管有效扬程较高，但泵漏失严重，系统效率非常低，因而螺杆泵在C区工作很不经济，而且螺杆泵在C区工作稳定性差，泵效与流压关系敏感，故螺杆泵不应在区工作。,1、螺杆泵井工艺设计方法,3）螺杆泵选泵设计,泵在井下工作时，若工作点落在容积效率曲线的右侧区域，泵的容积效率很低，甚至抽不出油，失去了螺杆泵高效节能的优势。这种现象在现场使用中时有发生。另一种情况是，泵的工作点落在容积效率曲线左侧区域，这时虽然容积效率几乎为100%，但润滑不充分，机械效率非常低，摩擦损失很大，总效率也很低，而且易于使泵过早失效。工技大队必须找出螺杆泵的最佳工作区域，同时结合泵况图设计软件优化设计，才能使螺杆泵得到合理的使用，减少故障，延长泵的寿命。,（2）选泵原则总则：螺杆泵选井选泵技术是依靠油井的状况来合理选择螺杆泵的泵型、确定泵的工作参数，或根据某一规格的螺杆泵来选井。而螺杆泵采油井的合理工况是指油井在合理流压下生产，沉没度控制在460米以下，螺杆泵在合理工作区域内工作。泵工作点在最佳工作区域内，获得较高的机械效率。在泵的压头、排量满足的前提下，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。气液比较大的井，应采取套管放气，或采取其它防气措施，减小气体影响程度。在油井条件确定后，泵的压头、排量不应超过的太多，否则螺杆泵工作点离开最佳工作区域。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。,1、螺杆泵井工艺设计方法,3）螺杆泵选泵设计,（3）选泵方法依据选泵原理及选泵原则确定合适的螺杆泵泵型，坚持大泵径、低转速设计原则。大中排量螺杆泵选泵方法：1200型螺杆泵较适合产能在80-140m3/d的井，800型螺杆泵较适合产能在50-110m3/d的井，500型螺杆泵较适合产能在25-70m3/d的井。中小排量螺杆泵选泵方法：300型螺杆泵适合产能在15-30m3/d的井，200型螺杆泵较适合产能在10-20m3/d的井，120型螺杆泵较适合产能在5-10m3/d的井，75型螺杆泵较适合产能在5m3/d以下的井。,1、螺杆泵井工艺设计方法,3）螺杆泵选泵设计,（4）相关设备的优化设计驱动头的优选设计a.根据选取的泵确定相应的驱动头型号。b.500型以上螺杆泵应选功率大于18KW的电机。c.300型和200型螺杆泵应选功率大于10KW的电机。d.120型螺杆泵应选功率大于7KW的电机。e.75型螺杆泵应选功率大于7KW的电机。抽油杆的优选设计a.根据选取的泵确定相应的抽油杆。b.应用钻杆锥螺纹抽油杆。c.光杆选用密封性能好的28mm的光杆,1、螺杆泵井工艺设计方法,3）螺杆泵选泵设计,流压、气液比、油井含砂量、泵效、电机功率利用率、抽油杆强度利用率等都应满足设计要求，不应在含气量过高的井上应用螺杆泵；含砂量大于5%井要求采取防砂措施。,1、螺杆泵井工