人工举升理论第15讲螺杆泵采油

1、人工举升理论 第第15讲讲 螺杆泵采油螺杆泵采油 吴晓东吴晓东 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 杆泵已成为常用的 人工举升方法。 螺杆泵采油 螺 杆 泵 采 油 系 统 驱动装置 井口装置 井下螺杆泵 中间油管 螺 杆 泵 驱 动 电动 液动 机动 螺杆泵采油 螺 杆 泵 工 作 地面动力 油杆转动 螺杆泵转动 地层流体 油 管 输 出 地面设备简单、紧凑、占地小、初期 投资少、操作安全可靠、管理和使用方便。 排出流量均匀平稳，调参容易，通过

2、 改变地面驱动转速来调整泵的排量。 适宜输送和开采粘度大的流体。 自吸能力强，气体对泵效影响小。 螺杆泵的定子和转子的密封是柔性的 面接触，适用于含砂流体。 螺杆泵采油 优 点 螺杆泵的结构 1一泵壳；2一衬套；3一螺杆；4一偏心联轴节； 5一中间传动轴； 6一密封装置；7一径向止推 轴承；8一普通连轴节 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人端均匀地挤 到排出端。同时，又在吸人端重新形成新 的低压空腔将原油吸人。这样，封闭空腔 不断地形成、运移和消失，原

3、油便不断地 充满、挤压和排出，从而把井中的原油不 断地吸人，通过油管举升到井口。 螺杆泵的工作原理 油管受力分析 油 管 受 力 模 型 简 图 油管受力分析 从上述四个典型图分析，抽油管柱主要存在以下几个力 扭 力 转子扭矩M1； 抽油杆磨油管M2； 油管内流体旋转摩擦扭矩M3 拉 压 力 转子正常工作时作用在定子上的拉、压力 F1(上提、下放时)； 抽油杆作用在油管上的摩擦力F2； 管柱自重F3； 外加管柱拉、压力F4； 液体向上流动产生的摩擦力忽略； 抽油杆自重F5； 螺杆泵转子与定子吸附在一块时，上提力 F6； 有效液柱作用在定子上的力F7。 油管受力分析 模型一：模型一： 反扣油管连

4、螺杆泵定 子，正扣抽油杆连转 子，无锚定工具 L xLMM MM )( 32 1 713 FFFF 模型二：模型二： 扭力作用在防转锚上 713 FFFF 模型三：模型三： 扭力作用在支撑卡瓦 上，其它忽略不计 )( 34 FFF 模型四：模型四： 扭力作用在张力锚上 34 FFF 油管锚定方式及受力分析油管锚定方式及受力分析 模型一： 轴向自由，周向受扭，扭力的大小与抽油杆扭力计算相同， 抽油杆的全部反作用力都作用在油管上，抽油杆工作时，扭 力存在。当螺杆泵停止工作时，扭力释放，油管下端螺杆泵 处泵定子正转、倒转都有可能，停机的次数越多，正、反转 交变的次数越多。转子扭力越大，抽油杆的累计转

5、角越大。 油管受扭累计转角计算公式如下：在线弹性范围内，油管 在扭矩M作用下，油管长为l，则两横截面间相对扭转角为 )(ral GI Ml p p GI Ml 180 （度/米） 油管锚定方式及受力分析油管锚定方式及受力分析 模型二： 轴向自由、周向锚定型。油管自由悬挂，扭力由防转锚承受， 抽油时，抽油杆伸长，油管也随着伸长；抽油杆缩短，油管 也随之缩短，杆、管伸缩量与定、转子、油管、抽油杆几何 尺寸、材料及举升压差、下泵深度等参数有关。 计算方法如下： t qxLEEFL)( 3 油管锚定方式及受力分析油管锚定方式及受力分析 模型三： 油管座封时，整个管柱受压，扭力由支承卡瓦承受，作 用在套

6、管上。作用力除油管自重外，在顶部还加一个附 加力F4。管柱在F3、F4的压力下，使管柱产生弯曲。管 柱失稳后产生弯曲，油管弯曲状态(如下图) 失稳计算方法如下： 2 2 E nn cr w cr 抽油杆在油管内受力状态抽油杆在油管内受力状态 在上图a中，抽油杆与油管不接触，当套管弯到 一定程度抽油杆开始磨油管，但抽油杆弯曲程度小 于油、套管弯曲程度，曲率半径大于套管弯曲曲率 半径。 在图b中，抽油杆摩擦油管情况取决于油、套 管几何尺寸以及油管的失稳程度。套管内径与油管 接箍外径比值越大，失稳程度越严重，抽油杆摩擦 越严重。 在图c中，套管中心线弯曲，油井存在狗腿度。 油管失稳后弯曲比直井严重的

7、多，抽油杆摩油管也 严重，抽油杆的狗腿度严重地受到套管狗腿度的影 响。 螺杆泵的工作特性曲线螺杆泵的工作特性曲线 螺杆泵的工作特性影响因素螺杆泵的工作特性影响因素 过盈量的影响过盈量的影响 螺杆泵的工作原理决定了要保证 一定的泵效，就必须使定、转子 表面的接触线保持充分密封，而 密封的程度取决于转子与定子间 的过盈量。因此，过盈量的大小 直接影响泵效的高低。 转子转速的影响转子转速的影响 转子的转速决定了螺杆泵的排量，在油井 产能允许的条件下，转子的转速越高，排 量就越大。但是，转速越高，抽油杆的离 心力就越大，抽油杆的弯曲振动就越严重， 抽油杆接箍与油管内壁的摩擦力也就随之 增大，同时，举升

8、高度也将因沿程损失的 增加和定子橡胶磨损的加速而下降。 螺杆泵的工作特性影响因素螺杆泵的工作特性影响因素 除了上述两个因素之外，还应注意粘度的粘度的 影响影响。由于螺杆泵在实际应中用以举升原油， 而且常常用于举升稠油，因此，泵在举升过 程中的工作特性与举升清水时的工作特性将 会有很大差别。一方面，粘度增加使得漏失 量减小，有利于提高泵的容积效率和系统效 率;另一方面，粘度的增加将使流动阻力增大 而降低泵的充满程度和举升高度，泵的容积 效率和系统效率也随之降低。同时，泵的摩 擦增大将增加阻力扭矩。因此，在实际应用 中，应充分注意粘度的影响。 螺杆泵的理论排量螺杆泵的理论排量 如下图所示，螺杆任一

9、断面都是半径 为 r的圆，整个螺杆的形状可看成是 由很多半径为r的极薄圆盘组成，这 些圆盘的中心O1是以偏心距e绕螺杆 本身的轴线O2z一边旋转一边按一定 的螺距t向前移动。即圆盘圆心O1的 轨迹是螺距为t、偏心距为e的螺旋线。 衬套的材料是橡胶，它的断面是由 两个半径为r(等于螺杆断面半径)的 半圆和两个长度为4e的直线段组成 的长圆形，如右图所示。衬套的双 线内螺旋面就是由上述断面绕衬套 的轴线Oz旋转的同时，按一定的导 程T2t向前移动所形成的。 螺杆泵的理论排量螺杆泵的理论排量 螺杆在衬套中的位置不同时，它们之间的接触点也就不同。当螺杆断面在衬套 长圆形断面的两端时，螺杆和衬套的接触为

10、半圆弧线；而在衬套的其它位置时， 螺杆和衬套仅有两点接触。由于螺杆和衬套是连续啮合的，这些接触点就构成 了密封线，在衬套的一个导程T内便形成一个密封腔室。这样，在沿单螺杆泵的 全长上，衬套内螺旋面与螺杆的螺旋面形成了一个个封闭腔室。可见，衬套螺 杆副的长度至少为衬套的一个导程，才能形成完整的密封腔。 泵每转排量为泵每转排量为 Tedq p 4 泵的理论排量为 TendQ pt 5760 螺杆泵的容积效率和系统效率螺杆泵的容积效率和系统效率 泵的实际排量Q与理论排量Qt的比值，称为 泵的容积效率，记作v，用公式表达为 t v Q Q 泵的容积效率实质上是一个排量系数，它与泵的扬程、 转子与定子间

11、配合的过盈量、转子的转速以及举升液 体的粘度等参数有关，是一个多变量函数。因此，目 前泵的容积效率多用回归分析方法求其具体的表达式 螺杆泵的容积效率和系统效率螺杆泵的容积效率和系统效率 泵的系统效率定义为泵的有功功率 (水力 功率)Ph与泵的输入功率Pin之比，即 in h P P UIP P in h 3 -3 103 10lgHQ 螺杆泵的扭矩螺杆泵的扭矩 由于螺杆泵的吸大端和排出端存在压差，所以螺杆一衬 套副中的液体将对螺杆施加力的作用。同时，定、转子 间存在过盈量，将会使定、转子间产生摩擦阻力扭矩。 转子有功扭矩转子有功扭矩 PTed M p 2 定子与转子间定子与转子间 的摩擦扭矩的

12、摩擦扭矩 )( ofr frkM 螺杆泵的扭矩螺杆泵的扭矩 启启 动动 扭扭 矩矩 螺杆泵的空载运转扭矩一般很小，但长时间静止的螺 杆泵启动时需要的扭矩却非常大，为空载运转时扭矩 的2030倍，为满载荷工作时扭矩的2 3倍。启动扭矩 的大小，与螺杆泵密封线的长度、定转子间的过盈量 以及橡胶的硬度和工作压力有关，还与静止时间的长 短以及摩擦面的粗糙度有关。级数越多、粗糙度越大、 橡胶硬度越高，以及定、转子间过盈量越大、泵的工 作压力越高，泵的启动扭矩也就越大。 从使用的角度出发，应该尽量减少泵在长时间静止后 启动；从设计制造的角度出发，应适当降低橡胶的硬 度和过盈量，并选用便转子和定子橡胶摩擦系

13、数较小 的涂镀材料。同时，降低转子和定子表面的粗糙度也 是十分重要的。 螺杆泵的选择螺杆泵的选择 螺杆泵的选择，首先首先应根据油井的产能 确定出油井的产量，并确定所用螺杆泵 的排量；其次其次是根据泵的工作特性曲线 确定在保证该排量下泵的举升高度大小， 并根据油井条件计算出所需泵的级数， 同时同时还要根据需要以及油井的实际条件 确定合理的过盈量；最后最后，根据负载大 小选择抽泊杆的材料与规格，电动机以 及其它附属部件。 螺杆泵的选择螺杆泵的选择 转子转速的确定转子转速的确定 介质的粘度将影响泵的充满系数。当泵旋转时，在泵吸 入口处空腔容积逐渐变大，这时，只要有一定的压差液 体便可迅速充满空腔。当

14、液体的粘度较大时，其流动性 变差，使得充满系数降低从而降低泵的容积效率，并且 随着液体粘度的增加，这种影响程度增大。 在高含砂油井中，泵的寿命取决于定子橡胶的疲劳强 度。由于定子和转子间有一定的过盈量，转子在定子内 旋转时定子橡胶将受到周期性地压缩，从而产生摩擦面 的温升和疲劳。摩擦面的温升往往可达到比介质温度高 几十度，它加速了橡胶分子链的重新组合，使弹性模数 减小，从而降低其疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结 剂的强度。这个温升值和压缩疲劳随转速的增加而增大。 介质的粘度 磨蚀条件和定子 橡胶的疲劳强度 螺杆泵的选择螺杆泵的选择 泵级数和定、转子长度的确定泵级数和定、转子长度的确定 级数Z可

15、根据油井实际需要的泵 扬程H和单级扬程Hj来确定 j H H Z 定子和转子的长度由泵的级数 和衬套的导程来决定。 ZTLs 螺杆泵的选择螺杆泵的选择 合理过盈量的确定合理过盈量的确定 定子和转子间的 过盈配合 1一定子钢套；2一定 子橡胶；3一转子 螺杆泵在井下工作时，其总 过盈量由初始过盈量o、 由热膨胀产生的过盈量1、 以及由于浸油溶胀而产生的 过盈量2三部分组成。总过 盈量a可根据泵和油井条件估 算，1和2可由实验来确定。 这样，便可确定出初始过盈 量o，从而可为设计制造提 供依据。 螺杆泵抽油合理工况参数分析螺杆泵抽油合理工况参数分析 螺螺 杆杆 泵泵 系系 统统 的的 合合 理理

16、转转 速速 螺杆泵转速越高，泵效越高。 螺杆泵转速越高，泵的举升压头越高。 泵的转速越高，泵的理论排量越大。 在压头相同、排量相同的条件下，高转速时扭矩小。 有利因素不利因素 螺杆泵转速提高，增加螺杆泵定转子的磨损。 转速越高，定、转子之间的扭矩增加，整个抽油系 统的负荷上升。 螺杆泵转速大，抽油杆与油管的摩擦力增大，加剧 油管、抽油杆的摩损。 螺杆泵转速提高，杆管系统受力的疲劳程度增加。 地面驱动装置受力条件变差，电机功率变大。 螺杆泵抽油合理工况参数分析螺杆泵抽油合理工况参数分析 螺螺 杆杆 泵泵 系系 统统 的的 合合 理理 电电 机机 功功 率率 电机驱动功率应考虑螺杆泵光杆所需实际功 率，也就是正常工作时的功率。 正常工作时的启动功率，一般电机的启动电 流是电机正常电流的三倍，为了保证在电机 启动时不烧电机，应留有保险系数。 螺杆泵停泵，用防反转止动，扭矩不释放， 再启动电机时，实际是满载启动，这时启动 扭矩较大。 考虑上述因素后，电机功率不能取的太小，以免特 殊情况时会烧电机。若选择电机过 大，电机在工 作时利用率太低，电机效率低。另外，油井启抽时 多数泵抽压差较小，负荷较 小，综合各种因素考 虑，选择电机功率应是正常工作时功率的1.52倍。 螺杆泵抽油合理工况参数