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螺杆泵结构原理及选泵分析,目录,螺杆泵选泵分析,概述,采油螺杆泵是一种高效、节能的采油设备，主要由地面驱动装置和井下螺杆泵两部分组成。地面驱动装置将井口动力通过抽油杆的旋转运动传递到井下，驱动井下螺杆泵进行工作。井下螺杆泵由转子和定子两部分组成。转子是由高强度合金钢材经过精细加工及表面镀铬而成；定子是在钢管内注入弹性橡胶后加工而成。根据井况不同，可以选用多种橡胶配方。,概述,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，提高采油效益等诸如抽油机柱塞泵、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。,目录,螺杆泵选泵分析,螺杆泵的结构原理和性能特点,什么是螺杆泵？螺杆泵又叫渐进式容积泵，由定子和转子组成，两者的螺旋形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。,螺杆泵的结构原理和性能特点,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。,螺杆泵的结构原理和性能特点,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,螺杆泵的结构原理和性能特点,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。,螺杆泵定转子的线数,螺杆泵的结构原理和性能特点,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。,e转子偏心距，mm；D转子截圆直径，mm；T定子导程，mm。,螺杆泵有哪些结构参数,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/d；q螺杆泵每转排量，ml/r；n转子转速，r/min。,理论排量公式如下：,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵作为水力机械必须要满足以下三点：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机械能和液体能的相互转化。,螺杆泵的结构原理和性能特点,1、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；2、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）；3、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；当然，螺杆泵也是一种常规的采油设备，在正常井况中更能发挥其节能、高效、耐用的优势。,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵型号表示方法及含义,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵系列参数表如下：,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵的结构原理和性能特点,由于篇幅限制，表中只列出了部分泵型参数，详细参数请参考螺杆泵使用说明书，另外螺杆泵参数可以根据要求，定制不同参数的泵型。,泵型选择原则：1.扬程、排量要按井况选择，不宜选择排量过大，级数过高的型号。合理的选择泵型，可以提高该井检泵周期；2.如果油井存在明显的出砂、含H2S等情况，选泵前可与厂家联系，以获得更合理的泵型、泵效以及合适的橡胶配方；3.如果遇到特殊套管，如内径较小的套管或者遇到泵扬程、级数不合适时，可以联系厂家，定制螺杆泵。,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵橡胶的性能及研究螺杆泵定子橡胶是在恶劣的环境下工作的。以下是高原公司定子橡胶的种类及性能。,螺杆泵的结构原理和性能特点,螺杆泵橡胶性能与行标及进口泵对比：,螺杆泵的结构原理和性能特点,橡胶拉伸曲线,拉伸试验报告：,橡胶与金属黏合剥离试验报告：,橡胶与金属黏合剥离曲线,螺杆泵的结构原理和性能特点,撕裂强度实验报告,撕裂强度曲线,螺杆泵的工作特性,p,MPa,螺杆泵工作特性曲线,q,m3/d;v,%,.,T,N.m;P,kW,螺杆泵的工作特性,负载特性的主要特点,GLB500-14型泵转子扭矩曲线,螺杆泵转子扭矩与工作压力有很好的直线性，且摩擦扭矩在举升具有润滑性的液体时，只占转子负载扭矩的较小一部分。,螺杆泵的工作特性,结论：过盈越大，在同一举升高度条件下，泵效越高。,12,=0.45mm；=0.2mm；=0.1mm。,过盈量对泵特性的影响,螺杆泵的工作特性,12,转速对工作特性的影响,结论:转速越高，在同一举升高度条件下，泵效越高；考虑泵的耐磨性，常用的转速为：50200r/min。,螺杆泵的工作特性,试验介质温度对螺杆泵容积效率的影响,清水（15）,VW（50）介质为50清水时螺杆泵的容积效率；,(15)介质为15清水时螺杆泵的零排量时的最高压力点。,螺杆泵的工作特性,清水（15）,粘度:15mpa.s,试验介质粘度对螺杆泵容积效率的影响,目录,螺杆泵选泵分析,螺杆泵选泵分析,螺杆泵井单井选泵：根据油井产能大小合理选择泵型，使其满足油井排量、举升扬程的需要，油井供排达到协调，确保螺杆泵采油系统长寿命高效运行。,螺杆泵选泵分析,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；,螺杆泵选泵分析,6.螺杆泵在排量、压头、抽油杆扭矩、径向尺寸满足的条件下，一般采用80100r/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。,螺杆泵选泵分析,螺杆泵井单井选泵步骤：,1、确定满足实际液量要求的泵型2、确定满足实际扬程要求的泵级数3、确定适合的转速4、确定泵的基本参数5、泵型及整体参数的选择,实现对泵型的优化选择,螺杆泵选泵分析,当泵吸入口压力低于原油饱和压力时，原油脱出的游离气在螺杆泵腔内占据一定的空间，使液体的容积效率降低。,螺杆泵的容积效率，小数；原油体积系数，m3/m3；原油生产油气比，m3/m3；Z天然气压缩因子；油井综合含水率，小数。、分别表示抽汲的原油、地层水重度，t/m3；Th泵泵挂处的温度，。,1,2,1、螺杆泵的实际排量计算,泵口压力低于原油饱和压力时：,泵口压力高于原油饱和压力时：,螺杆泵选泵分析,2、确定满足实际扬程要求的泵级数,螺杆泵下泵深度越大，所需泵的举升压头越大，对螺杆泵级数要求就越多。计算式为：,螺杆泵定子级数，级；螺杆泵单级承压能力，m；地面输油管线回压,MPa;动液面深度，m；,L,螺杆泵选泵分析,3、确定合适的转速,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。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120r/min左右，部分达到了200r/min以上,而最常用的转速为80-100r/min。,螺杆泵选泵分析,4、确定泵的基本参数,1.确定过盈值螺杆泵在井下工作时，其过盈值由以下三部分组成：a.给定的初始过盈值1；b.热膨胀造成的过盈值2(由于井温一般高出室内温度，定子外壳是钢套，衬里是橡胶，橡胶的热膨胀系数是钢的热膨胀系数的50倍以上，不同的热膨胀系数使定子橡胶内腔变小，即增加了过盈值)；c.橡胶在原油中，尤其在高芳香烃原油中，会产生较大溶胀，使定子内腔变小，这部分由溶胀造成的过盈值为3。因此，螺杆泵在井下工作时总过盈值为：,=1+2+3,螺杆泵选泵分析,总过盈值应根据泵的外特性确定，热膨胀和油溶胀造成的过盈值2、3可用试验的方法求得。这样根据上式便可求出初始过盈值1。讨论这个问题的现实意义是：可以用改变转速的方法改变泵的最高压力点(扬程)和最佳工作区域；另外，在某些场合，可用小过盈、高速运转实现高压头工作。一般来说：小排量螺杆泵过盈量为0.30.5mm；大排量螺杆泵为0.1-0.3mm。,螺杆泵选泵分析,2.确定泵的耐温级别螺杆泵定子橡胶对温度较敏感。温度越高，溶胀越大。更要注意的是温度越高，橡胶老化的速度越快，影响定子寿命。因此，不同井深的油井要选择不同耐温级别的定子橡胶。,下泵深度对螺杆泵橡胶温度要求计算式为：,分别表示螺杆泵橡胶适应的温度和地表四季平均温度，；下泵深度，m；螺杆泵转速，r/min；地温梯度，/100m。,还考虑了螺杆泵运转自身生热，据经验和室内实测，每举升100米，每100转温度升高1。当排量小于20%时，或小于10%时，温升较快。螺杆泵容积效率应大于30%，否则长期运转会烧泵。,螺杆泵选泵分析,螺杆泵选泵分析,实际上关于过盈量和耐温的考虑可以和相关配套厂家结合，通过实际温度，和油样试验进行合理选择：,了解井况,获取油样,溶胀实验,实验结果,体积溶胀曲线,确定橡胶种类,确定配泵泵效,配泵、试验台试验、生产,螺杆泵井选择橡胶步骤,螺杆泵选泵分析,5、泵型选择及参数设计,在螺杆泵应用设计中，合理评价的指标是，工作点是否在最佳工作区。在设计螺杆泵时，要找出它的最佳工作区域，推荐给用户。,典型的螺杆泵外特性曲线,螺杆泵选泵分析,从上图中可以看出，泵的容积效率随压力升高而降低。因为在压力较低时，橡胶密封性能较好，液体漏失很少，转子和定子橡胶几乎直接接触摩擦。由于橡胶的摩擦系数较大，摩擦损失也较大，机械效率低；当压力升高到有一些液体漏失时，容积效率缓慢降低，干摩擦变为有润滑的摩擦，机械效率升高；当压力继续升高，有大量液体漏失时，容积效率开始大幅度下降，定、转子间的摩擦变为液体之间的摩擦，摩擦损失很小，机械效率很高。螺杆泵总效率的高效区较宽，它的最高点大约在容积效率曲线的拐弯处附近。在这一区域，泵开始被“击穿”，容积效率开始急剧下降，但还不是大量下降，机械效率已接近最大值，总效率最高。这一区域为泵的最佳工作区域。泵在这一区域效率最高，而且寿命长。,螺杆泵选泵分析,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，总效率也较低，而且易于使泵过早失效。,设计人员必须找出螺杆泵的最佳工作区域，推荐给现场使用人员，才能使螺杆泵得到合理的使用，减少故障，延长泵的寿命。,螺杆泵选泵分析,现场实际应用中,根据现场实际经验，以上参数的选择确定一般按照以下原则进行:,1、泵型选择应以待选择泵型在泵效75左右、转速80100转满足生产液量要求为宜；2、最大下泵深度选择时应考虑井口回压及液体沿程阻力影响，一般推荐最大下泵深度为泵理论扬程加100m（200方以上超大排量螺杆泵考虑杆柱强度情况，最大下泵深度受限）,螺杆泵选泵分析,在油井下泵时选择思路有两个：一种是由井选泵；另一种情况是由泵选井。正常情况下是由井选泵，即在油井条件已知的情况下选泵，设计工作参数。,优选泵型及参数的原则是什么？,螺杆泵选泵分析,螺杆泵井的设计目的是什么？,一是,要满足油井的产能需求，,二是,确保举升系统高效运行。,同时达到供排协调。,设计步骤,5、完成设计编写,1、根据地质设计数据及要求确定是否适合使用螺杆泵,2、根据作业井史及井身数据情况确定是否适合使用螺杆泵,3、优选泵型及生产参数,4、优选杆管配套,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,动液面情况,落实设计发出前半年内动液面的变化情况，确保动液面数据稳定可靠；对于液面波动较大和液面临时上升油井，使用螺杆泵工艺时需要注意。,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,动液面情况,设计液量,与动液面结合，进行设计液量及动液面要求泵挂条件下泵型的初选。,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,静液面情况,落实油井停井后的静液面情况，看液面是否恢复，不恢复的话应采取相应治理措施。,动液面情况,设计液量,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,落实预改造油井是否有对应水井及对应水井工作情况，若无对应水井或对应水井不正常，应慎重考虑下泵深度。,对应水井工作情况,静液面情况,设计液量,动液面情况,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,落实水泥返高深度以确定适合的完井油管锚定方式,水泥返高,对应水井工作情况,静液面情况,设计液量,动液面情况,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,落实油井出砂情况，对于出砂严重井应采取一定治理措施后方可下入螺杆泵。,水泥返高,对应水井工作情况,静液面情况,设计液量,动液面情况,2、井况关键数据,出砂情况,螺杆泵选泵分析,设计中关键数据,1、地质关键数据,泵若下在拐点以下，必须采取相应治理措施。,水泥返高,对应水井工作情况,静液面情况,设计液量,动液面情况,2、井况关键数据,出砂情况,拐点位置,螺杆泵选泵分析,杆管配套,该杆柱配套模式可与各排量螺杆泵配套使用，尤其适用于原井杆管偏磨较为严重、液量要求较高的油井。在与排量150m3以上大排量螺杆泵配套使用时，推荐使用反扣油管进行管柱配套。,28mm梯形扣全井扶正76mm油管配套模式,螺杆泵选泵分析,现场监控要点：（）、28mm梯形扣杆使用中必须配套梯形扣专用扶正器使用。梯形扣专用扶正器要求从泵上第二根开始，每根杆加一个，现场应监控扶正器数量及安装位置是否按照设计要求执行；（）、油管必须配套油管外扶正器使用。油管外扶正器要求泵上根油管每根安装一个油管外扶正器，其余根据情况泵上油管每根添加一个外扶正器。（）、原井杆管情况。及时记录原井杆管、扶正器的磨损情况并制定相应的更换措施，原井扶正器本体未出现磨损情况而扶正块出现磨损情况的以更换扶正块为主；（）、下杆速度。下抽油杆时速度不得太快，防止转子在下放过程中与管壁磕碰，当转子接近定子时，下放速度低于2m/min，防止损坏定子橡胶；,螺杆泵选泵分析,杆管配套,连续杆76mm内衬管配套模式,该杆柱配套模式可与各排量螺杆泵配套使用，尤其适用于原井杆管偏磨十分严重（前三次平均免修期小于200天）、液量要求较高的油井,螺杆泵选泵分析,现场监控要点：（）、内衬管起下情况。对于新送的内衬管要及时进行现场检验，出现内衬变形、损坏的内衬管不得下井，同时起下内衬管必须使用专用工具，不得使用撬杠抬动内衬管；（）、原井杆管情况。及时记录原井杆管的磨损情况并制定相应的更换措施，对于出现内衬损坏、脱落的内衬管必须进行更换；（）、下杆速度。下抽油杆时速度不得太快，防止转子在下放过程中与管壁磕碰，当转子接近定子时，下放速度低于2m/min，防止损坏定子橡胶；,螺杆泵选泵分析,管柱配套,螺杆泵选泵分析,现场监控要点：1、完井管柱组配。其必须按照设计要求组配，不合格时