1、 螺杆泵采油技术本文介绍了螺杆泵采油的技术原理和现场应用，从螺杆泵的工作原理、工作特性入手，阐述了螺杆泵采油的工艺技术，螺杆泵采油设计和配套工艺技术，这些对有关技术人员及管理人员有一定的指导作用，由此可了解螺杆泵采油机理，应用过程中常出现的问题及解决途径。为了有效地提高螺杆泵下井成功率和延长检泵周期，便于现场技术人员和一线工人使用，闸述了螺杆泵采油的井下作业工艺技术和采油井生产管理方面的要求。一、 螺杆泵工作原理及组成1932 年，法国人 ReneMoineau 发明了螺杆泵。之后，螺杆泵这种水力机械在世界范围内得到了广泛的应用、发展和完善。螺杆泵用于原油开采是最近二十几年的事情。它是为开采高
2、粘度原油而研究设计的，并且随着合成橡胶技术和粘接技术的发展而迅速发展起来。目前螺杆泵采油按驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵。本文重点讨论地面驱动井下单螺杆泵（简称螺杆泵） 。根据螺杆泵的工作原理，它兼有离心泵和容积泵的优点。螺杆泵运动部件少，没有阀体和复杂的流道，吸入性能好，水力损失小， 介质连续均匀吸入和排出，砂粒不易沉积且不怕磨，不易结蜡， 因为没有凡尔，不会产生气锁现象。螺杆泵采油系统又具有结构简单、体积小、重量轻、噪音小、耗能低、投资少、使用、安装、维修、保养方便等特点。所以螺杆泵已经成为一种新型的、实用有效的机械采油设备。随着配套工艺技术的日益完善，螺杆泵采油技术的发展
3、有着广阔的前景。1.螺杆泵的组成地面驱动井下单螺杆泵采油系统（简称螺杆泵采油系统）由四部分组成（如图1-1） 。电控部分：包括电控箱和电缆；地面驱动部分：包括减速箱和驱动电机、井口动密封、支撑架、方卡等；井下泵部分：包括螺杆泵定子和转子；配套工具部分：包括专用井口、特殊光杆、抽油杆扶正器、油管扶正器、抽油杆防倒转装置、油管防脱装置、防蜡器、防抽空装置、筛管等。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。该装置能自动显图 1- 螺 杆 泵 采 油 示 意 图 1电 控 箱 ； 2电 机 ； 3皮 带 ；4方 卡 子 ； 5减 速 箱 ； 6压 力 表 ； 7专 用 井 口 ； 8
4、抽 油 杆 ；9抽 油 杆 扶 正 器 ； 10油 管 扶 正 器 ；1油 管 ； 12螺 杆 泵 ； 3套 管 ；4定 位 销 ； 15油 管 防 脱 装 置 ；16筛 管 ； 17死 堵 ； 18油 层123456798101231415167181示、记录螺杆泵井正常生产时的电流、累计运行时间等，有过载、欠载自动保护功能，确保生产井正常生产。2) 地面驱动部分(1) 地面驱动装置工作原理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，有无级调速和分级调速。机械传动的驱动
5、装置工作原理示意图(如图 1-2)。(2) 地面驱动装置种类及优缺点螺杆泵驱动装置的种类一般分为两类：机械驱动装置和液压驱动装置。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，用于高粘度和高含砂原油开采；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。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
6、轴，输出轴联接光杆，由光杆通过抽油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。电机是螺杆泵井的动力源，它将电能转化为机械能。一般用防暴型三相异步电机。井口动密封的作用是防止井液流出，起密封井口的目的(如图1-3)。方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。3) 井下泵部分螺杆泵包括定子和转子。定子是由丁腈橡胶浇铸在钢体外套内形成的。衬套的内表面是双螺旋曲面图 1-2 机 械 传 动 装 置 示 意 图1 方 卡 子 ； 大 皮 带 轮 ； 3变 速 箱 ； 4盘 根 盒 ； 5电 动 机 ； 6小 皮 带 轮图 1-3 密 封 装 置1光
7、杆 2螺 栓 3压 盖 4盘 根 5盘 根 盒 6螺 栓 7井 口 76543212(或多螺旋曲面)，定子与螺杆泵转子配合。转子在定子内转动，实现抽吸功能。转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。每一截面都是圆的单螺杆。4) 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。特殊光杆：强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封。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。油管扶正器：减小管柱振动。抽油杆防倒转装置：防止抽油杆倒扣。油管防脱装置：锚定泵和油管，防止油
8、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. 螺杆泵基础理论1) 螺杆泵工作原理和基本结构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（本书重点介绍单螺杆泵） 。地面驱动
9、井下单螺杆泵的转子转动是通过地面驱动装置驱动光杆转动，通过中间抽油杆将旋转运动和动力传递到井下转子，使其转动。转子的任一截面都是半径为 R 的圆。每一截面中心相对整个转子的中心位移一个偏图 1-4 转 子3心距 E，转子的螺距为 t，螺杆表面是正弦曲线 abcd 绕它的轴线转动，并沿着轴线移动形成的。 (如图 1-4)。定子是以丁腈橡胶为衬套浇铸在钢体外套内形成的，衬套内表面是双线螺旋面，其导程为转子螺距的 2 倍。每一断面内轮廓是由两个半径为R（等于转子截面圆的半径）的半圆和两个直线段组成的。直线段长度等于两个半圆的中心距。因为螺杆圆断面的中心相对它的轴线有一个偏心距E ，而螺杆本身的轴线又
10、相对衬套的轴线又有同一个偏心距值 E ，这样，两个半圆的中心距就等于 4E(如图 1-5)。衬套的内螺旋面就由上述的断面轮廓绕它的轴线转动并沿该轴线移动所形成的。衬套的内螺旋面和螺杆螺旋面的旋向相同，且内螺旋的导程 T 为螺杆螺距 t 的二倍，即 T=2t。 入口面积和出口面积及腔室中任一横截面积的总和始终是相等的，液体在泵内没有局部压缩，从而确保连续、均衡、平稳地输送液体。当转子在定子衬套中位置不同时，它们的接触点是不同的(如图 1-6)。液体完全被封闭（这种液体被封闭的情形称为液封闭）时，液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。转子螺旋的峰部越
11、多，也就是液力封闭数越多， 泵的排出压力就越高。转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线，而在其他位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程 T 内形成一个封闭腔室，这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。当转子转动时，转子定子副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加，在它与吸入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。随着转子的转动， 这个腔室开始封闭， 并沿轴向排出端移动， 封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一
12、个封闭腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。图 1-5 定 子图 1-6 螺 杆 泵 密 封 腔 室tTt0901802703604螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室基础上工作的。转子运动时（作行星运动） ，密封空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。由于转子是金属的，定子是由弹性材料制成的，所以两者组成的密封腔很容易在入口管路中获得高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。可见，螺杆泵是一种容积式泵，它运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流扰动小，排量均匀。由于钢体转子在定子橡胶衬套内表面运动带有滚动和滑动的性质，使油液中
13、砂粒不易沉积，同时转子定子间容积均匀变化而产生的抽吸、推挤作用使油气混输效果良好，所以，螺杆泵在开采高粘度、高含砂和含气量较大的原油时，同其它采油方式相比具有独特的优点。2) 螺杆泵基本特征(1) 螺杆泵定、转子型线方程 转子型线图 1-7 给出了确定转子表面型线方程式的简图。利用两个坐标系统：动坐标x1o1y1和转子任一截面 z 的中心o1相连，方向维持一定；定坐标xoy 和转子本身的中心 o 相连，oz 为转子的中心线，转子任意截面都是半径为 R 的圆，从转子截面中心 o1到转子中心 o 的距离为偏心距 E。转子工作表面上任一点 M 在定坐标中的位置 x，y，z， 可用角 和 的函数来表示
14、：1-1 2csinsi0101tzRyx式中 M 点相对动坐标 x1o1y1的转角； 动坐标 x1o1y1相对定坐标 xoy 的转角；t 转子螺距，mm。式 1-1 是转子曲面的参数方程式， 和 为参变量，消去参变量 和 ，就可得到下面的转子曲面方程式 1-222)tzEcs()sin( RytzEx为求得转子的轴面曲线，也即绘图时所用的平面曲线，令式 1-2 中的x=0 并简化得：图 1-7 转 子 表 面 型 线51-3tEtzRyz2cos)2sin(1式 1-3 为转子和 yoz 平面的交线方程式。如果以此曲线绕转子中心线oz 作螺距为 t 的螺旋运动，就可形成转子的表面，所以式 1
15、-3 表示的曲线就是转子的型线，即转子的型线方程式。 定子型线图 1-8 绘出了定子衬套的断面轮廓。利用两个坐标系统，动坐标x1oy 和衬套断面中心 o 相连，它的 oy1轴和 ox1轴分别与衬套长圆形断面的长轴和短轴相重合，随着衬套断面沿着 z 轴(z 轴在图上未给出)旋转而转动；定坐标 xoy 也和衬套断面中心相连，方向维持不变。 由图 1-8 可见，衬套断面对 oy 轴和 ox 轴都是对称的，所以，为了求得衬套的型线方程式，只要建立曲线BCD 的曲面方程式即可。又因为曲线 BCD是由圆弧段 BC 和直线段 CD 两部分组成，所以为了建立曲线BCD 的曲面方程式，实际上只要求出圆弧段 BC
16、 和直线段 CD两部分的曲面方程式即可。 如图 1-8 所示，在曲线 BCD 上有一点 N，它的轨道从 B 点到 D 点，在定坐标 xoy 中，N 点位置所对应的 角从 0 变化到 /2，而在圆弧段 BC 上，N 点轨迹所对应的 角为 0 ，而在直线段 CD 上 N 点轨迹所对应的 角为2ERarctg 。设衬套断面顺时针转动一个 角，即动坐标 oy1轴和2arctg定坐标 oy 轴的交角为 ，此断面相当于距初始位置为 z 处的衬套断面。下面分别求出圆弧段 BC 和直线段 CD 所形成的衬套曲面方程式。a. 圆弧段 BC 所形成的衬套曲面方程式BC 上任一点 N 在定坐标中的位置 x，y，z，
17、可用下式参数方程来表示，即:图 1-8 定 子 衬 套 型 线61-42)sin(coiTzREyx这时 0 arctgE式 1-4 是圆弧段 BC 形成的衬套曲面的参数方程，其 、 为参变量，消去参变量，就可得到圆弧段 BC 所形成的衬套曲面方程式1-522)cos()zsin( RTzyTx 同样，令 x=0，即可得到轴面曲线，即1-6ERy)i(12此时 0 arctgb. 直线段 CD 所形成的衬套曲面方程式直线段 CD 上任一点 N在定坐标中的位置 x、y、z，可用下式参数方程来表示1-7zTzRONyx2)sin(co)sin(c 此时/2ERarctg式中 oN线和动坐标 x1o
18、y1的横轴 ox1 的交角。消去式 1-7 中的参变量 和 可得到直线段 CD 所形成的衬套曲面方程式。1-802sin2co TztgRTzztgyx 令 x=0，可得出直线段 CD 所形成的轴面曲线方程 71-92,2sin ERarctgTzy综合式 1-6 和式 1-9，就可给出 BCD 所形成的衬套轴面曲线方程式，即衬套的型线方程式。1-1022,sin 20,cos)iR2(1 2TzEarctgzy ERarctgTzT(2) 螺杆泵的排量计算螺杆泵的理论排量由下式确定1-11EDTn105.76=4EDnQ-式中 Q螺杆泵的理论排量，m 3/d；E 转子的偏心距，mm；D 转子
19、截圆直径，mm， D=2R；T 定子导程， mm， T=2t；n 转子的转速， r/min。螺杆泵的实际排量 Q为1-12 vQ式中 螺杆泵的容积效率，%。v由式 1-11，1-12 可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的结构参数 E、D、T 和工作参数 n 有关系。对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析表明，在 E、D、T 三者间存在一定的联系， 就是在这三个参数维持一定比值的条件下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作。(3) 螺杆泵定、转子间的过盈及泵级数采油用螺杆泵单级举升高度一般不超过 70m，即单级最大工作压差不超过 0.69MPa，目前，普遍采用的螺杆泵单级工作压差设计为 0.5
20、MPa 左右。单级工作压差除了与结构参数、工作参数及定子橡胶的机械物性等有关外， 主要是靠定、转子间的过盈来实现的。过盈量越大单级工作压差越大，转子摩擦扭矩也越大；过盈越小， 单级工作压差越小， 满足不了油井举升的需要。所以螺杆泵定、转子间的过盈存在合理值。过盈量的确定必须在掌握定子橡胶物性，特别是橡胶的热胀、溶胀性能的基础上，方能确定。经验数据表明，一般定、转子的初始过盈 0的取值满足下列范围比较合理，即。=(0.0050.01)D (mm)泵级数 z 则根据油田实际需要的举升高度 P max及单级举升高度 P d 8来决定，即aPzmx泵级数 z 决定了螺杆泵定、转子的长度，即定子长度Ls
21、=zT转子长度Lr= Ls +(0.2m 0.3m) 3) 螺杆泵的运动学问题(1) 转子的自转和公转为了分析螺杆泵转子在定子衬套中的运动，以螺杆本身的轴线为圆心，以转子任一截面圆心 o1和 o2的距离 E 为半径作一个圆，并称之为转子的动中心圆。转子的动中心圆实际上是所有转子截面中心在平面上的投影。再以衬套的中心 o 为圆心，以 2E 为半径，作一个圆称之为定子的定中心圆。如图 1-9 图示。转子在定子衬套中的运动可看作转子的动中心圆(滚圆)在衬套的定中心圆(导圆)内作纯滚动。当动中心圆逆时针转动时(自转)，其圆心 o2 绕定中心圆圆心 o 作顺时针方向的圆周运动(公转)。所以，自转和公转的
22、方向相反，下面用图7-9 来分析自转角速度 和公转角速度 02间的关系。以 o2作为原点，取动坐标 xo 2y，它的方向保持不变，即 o2x永远平行于 ox，而原点 o2 绕衬套中心o 作圆周运动。转子的自转是指转子相对动坐标系 xo 2y的相对转动，它的自转角速度 是和传动轴角速度相同的。设动中心圆和定中心圆的滚动接触点 o1 上的绝对速度为 01 (动中心圆上)，应等于相对速度 r和牵连速度 02的向量和，即V0102式中 ，它是由转子自转或相对Er动坐标系转动而产生的； ，它是由坐标原点 o2 公转而产生的，如图 7-9 所示， r02和 02 的方向相反。所以，从绝对值的关系来看 01
23、 =E- 02E，因为转子动中心圆沿衬套定中心圆作纯滚动，其接触点的速度 01=0，所以得到 = 02 ，即转子自转的角速度 与公转的角速度 02 大小相等，方向相反。转子动中心圆的自转是地面光杆通过抽抽杆来带动的，所以转子的自转和公转角速度均为(rad/s) n30(2) 转子在定子衬套中的运动规律图 1-9 转 子 的 自 转 与 公 转y xxve =02vr v02o2 02oo19转子在定子衬套中运动时，由于转动的抽油杆限制了转子的轴向位移，因此转子在定子衬套的运动只是一个平面运动。如图 1-10a 所示，图中绘出 z=0 平面上的衬套断面(z 轴由纸面指向上)。将转子装进衬套后，转
24、子本身轴线 o2z 离衬套中心线 oz 的距离为 E，该断面上转子截面的圆心位于 o1 ，以 o2 为圆心，以 o1o2 =E 为半径作圆，称为转子的动中心圆；以o 为圆心，oo 1=2E 为半径作圆，称为衬套的定中心圆.在图 1-10b 中绘出同一转子 定子副的任意断面 z。显然，在该断面中衬套的长圆形形状不变，只是长轴 OM 比 z=0 断面转了一个角度， 和 z 的大小有关，因为 z=(T/2)，所以，=2z/T。因为是转子的同一个位置(转子没有转动)，所以转子的中心线 o2 和动中心圆不变，但是在断面 z中，转子的断面圆心不在 o1 ，而是沿动中心圆从 o1 转过一个角度 1因为 z=
25、(t/2) 1 ，所以有 221Tzt这就是说，从 z=0 断面到 z 断面，转子的转角 1等于衬套转角 的两倍。在图 1-10b 中，过 o2点作 yo2N= 1和动中心圆交于点o1，o 1点就是 z 断面中转子的断面圆心，有了圆心，就可以作出转子的断面圆。下面来证明，o 1点一定在 OM 直线上，即在衬套长轴上，在动中心圆内，o 1o1弧长为o1o1 =E 1 设 o1“点为衬套长轴 OM 与动中心圆的交点， 则在动中心圆内 o1o1“ 弧长为o1o1“=2E比较 o1o1 与 o1o1“ 的弧长，因为 1 =2，则o1o1 =o 1o1“这样说明 o1 和 o1“ 一定重合，而且位于衬套
26、长轴上，因此在任意断面 z 中，转子的截面圆心是位于衬套长轴上，同时是动中心圆和衬套长轴的交点。下面来证明，当转子工作时，任意断面 z 中转子断面圆心是沿衬套的长轴方向作直线往复运动.图 1-0 转 子 在 定 子 内 的 运 动a b图 1-运 动 规 律 简 图y xMoo2o1vyvx110如图 1-11，设 o1点的速度为 ，其沿 x，y 轴分量为 x ， y ，依据前文所述的运动合成得 teeyx2sin)2cos1(ctgyxsio1由比可见，o 1 点的速度方向与衬套长轴 OM 相一致，而且 o1又在长轴上，故转子任意 z 截面的圆心在衬套断面的长轴方向运动。1-13)sin(2
27、si 2sin)co1(2teeyx由此，转子在衬套中运动特点可以总结为以下两点： 在转子定子副的任意断面上，转子截面中心位于衬套断面的长轴上； 随着转子的转动，该断面上的转子截面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动。4) 螺杆泵的力学问题(1) 转子的理论扭矩转子定子副将机械能转换为液体能，若不考虑损失，则由能量转换关系得2MPq其中 q=4EDT则 1-14EDT4式中 M 转子的理论扭矩(有功扭矩)；q 螺杆泵的单转排量；p 螺杆泵吸入端与排出端的液压差。此外，转子与定子之间还存在着摩擦扭矩(无功扭矩)，摩擦扭矩的大小主要与螺杆泵自身的结构参数、定子橡胶的机械物理性能(主要是硬度)，定
28、、转子间的过盈量及热溶胀性能等因素有关。摩擦扭矩的大小一般是通过室内试验检测得到的经验数据。(2) 转子轴向力由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体有压差存在，所以转子定子副中的液体将对螺杆泵的定子、转子施加力的作用，设转子螺旋面上某点处所受的正压力为 dF，则其轴向分量 dFa 与其周向分量 dFc的关系为 acdFt2式中 受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离；t 转子螺距。11T=2tdF 对转子轴线的力矩为 acdFtdM2对上式两边在整个转子定子副面上进行积分得aatt即有FtEDpa28式中 F a转子螺旋面上所受的轴向力。另外，转子端面也受液体压差的作用，所以端面轴向力 Fe为 dPe()
29、24式中 D 转子截圆直径； d 抽油杆直径。由此转子所受的总轴向力为 1-15PdDEFeat )48(2二、螺杆泵工作特性1. 螺杆泵工作特性曲线螺杆泵工作特性是通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况实测的螺杆泵工作特性曲线。包括：容积效率曲线压头与排量的关系曲线；扭矩曲线压头与转子扭矩的关系曲线；系统效率曲线压头与系统效率的关系曲线。螺杆泵的工作特性曲线是指导螺杆泵抽油的技术基础，无论是选井、选泵、施工设计和使用管理都要以泵的特性曲线为基础。图0204060801001200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 , v%MNm5004000100200300图 2-1 螺
30、杆泵工作特性曲线122-1 为典型的螺杆泵工作特性曲线。 2.螺杆泵的部分离心泵特性螺杆泵是一种旋转容积泵， 但同时也具有部分离心泵特性。从转子的几何形状和运动方式看，螺杆泵实际上类似于离心轴流泵，在高速运转时，它同样能把动能转化为介质的压能，随着转速升高流量增大，压头也随之增高。图 2-2 是具有负过盈(间隙) 的螺杆泵压力容积效率曲线图。从图中可以看出，它具有相似于离心泵的特性曲线，一般地说，它的外特性较软(没有容积泵较平直线段的特点)，随着压力升高，容积效率很快下降， 随着转速升高，压头也升高。图 2-3 是具有过盈的螺杆泵压力容积效率曲线。 从图中可以看出，随着转速升高，泵的最高压力点
31、(压头)向高压方向移动。其原因是，由橡胶注压而成的定子，在压力较低时，橡胶的密封性能较好，漏失较小，容积效率曲线呈平直线段，这时泵的特性表现为容积泵特性， 压力升高时，液体漏失渐渐增加。当压力升高到某一值时，橡胶产生较大变形，转、定子间产生较大间隙， 液体开始大量漏失，即所谓的“击穿” 。此位置在压力容积效率曲线的拐点处。若压力继续升高，转、定子间的间隙继续增大，漏失急剧增加，这时相当于前面讲的负过盈(间隙)情况，这时泵表现为离心泵特性。此位置在压力容积效率曲线的拐点下面的曲线段。这时若转速升高，压头也随之升高。所以螺杆泵是介于容积泵和离心泵之间的一种泵。020406080100 v,%0 2
32、 4 6 8 10 12 14P,MPa0204060801000 4 8 12 16 20 v,%P, MPa 图 2-2 具有负过盈的螺杆泵容积效率曲线500r/min ；160r/min图 2-3 具有过盈的螺杆泵容积效率曲线容积泵特性曲线段 ；拐点；离心泵特性曲线段 133.结构参数对螺杆泵特性的影响螺杆泵的结构参数是指转子的偏心 E，直径 D，导程 T 和级数 Z。对现有单螺杆泵的结构和使用情况进行分析表明，在 E、D 和 T 三者间存在一定的联系，只有在这三个参数维持一定比例的条件下，单螺杆泵才能保证高效率和长期的工作。 对于采油用的小排量、高压头的单螺杆泵，可取下列比值2 2.5
33、 28 32TD对于采油用的大排量、中压头的单螺杆泵，可取下列比值8 15 50 60TE根据国内制造技术条件，我国螺杆泵的设计参数一般采取小的偏心距E 和大的转子直径 D，形成的转子螺旋线轮廓不明显，这样转子和定子的密封是面密封而不是线密封， 再加上转子外表面比较粗糙，这就使泵的水力效率降低，定子易磨损发热，加速定子橡胶的老化。因此，在提高螺杆泵制造技术水平的同时，设计时应选用较大的偏心 E 和较小的转子直径D，这也是提高泵效，延长泵使用寿命的一条途径。螺杆泵的扬程(即承压能力)是由定、转子间形成的空腔数量(即级数)决定的。通常把一个定子导程定义为一级，它刚好是一个完整密封腔的长度。定子和转
34、子间的密封线分割成的密封腔，由于两密封腔之间有泄漏存在，两个连结腔室之间的最大压差是相同的，即泵的每级差是按等差级数分布的。对于不同硬度的橡胶，其弹性模数各不相同，泵的每级承压能力也不同。硬度高的橡胶承压高， 硬度低的承压低。对于丁睛橡胶，一般取邵氏 A硬度 6570 度左右，这时泵的每级承压值约取0.40.5MPa。由螺杆泵的原理可知，其定、转子间过盈在一定程度上决定了单级承压能力的大小，如图 2-4 所示，过盈量将直接影响螺杆泵工作特性。过盈小会降低举升能力，而过盈大会增加定、转子间的摩擦，降低效率。因此，定、转子间的过盈选择是螺杆泵制造的关键技术之一。 4. 工作参数对螺杆泵特性的影响螺
35、杆泵的工作参数是指转子旋转的速度而言，由螺杆泵理论排量计算公式 Q=4EDTn 可知，在螺杆泵结构参数 E、D、T 确定下来后，排量 Q 只与转速 n 成正比。 因此， 要实现较大的排量只有提高转子的转速。另外，转子转速也是影响螺杆泵容积效率的因素之一，转速的增加可以有效地增0204060801000 2 4 6 8 10 v,%P, MPa图 2-4 过盈量对泵特性的影响=0.45mm ；=0.2mm ； =0.1mm14大举升高度，不同程度地弥补因转速增加而加剧的定子磨损造成的漏失。图 2-5 所示的三组试验曲线就说明了随着转速的提高，在同一举升高度条件下，泵的容积效率升高；在同一容积效率
36、条件下，泵的举升高度增加。但另一方面，由于螺杆泵的定、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和疲劳。在井温比较高的情况下，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套和橡胶结合面上粘结剂的强度，也加速定子橡胶的老化而缩短其寿命。从试验得知，自动升温值和压缩疲劳以及橡胶的老化是加载频率(即转速)的函数，因此，选择泵的适当转速是很有必要的。一般来说，近几年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 50200r/min。对于高含砂油井，磨蚀是限制泵转速的又一重要因素。在磨蚀工况下，定子橡胶
37、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。5. 定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响螺杆定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响泵定、转子加工质量是指定子内腔表面的粗糙度，定子内腔橡胶直线度，橡胶与钢套的粘接强度，定子两端丝扣在额定工作压力下不漏失及转子表面粗糙度，转子的直线度，转子偏心距和截面圆直径是否符合设计要求，转子镀层是否光洁、完好， 转子联接丝扣是否符合标准等。1) 定子内腔表面、转子外表面的粗糙度对泵特性的影响一般来说，定子内腔表面粗糙度不大于 Ra1.6， 转子表面粗糙度不大于 Ra1.8。这样才能保证螺杆泵有较高的泵效而且扭矩相对较小。因为螺杆泵的定子和转子间
38、有一定过盈，转子与定子表面接触产生擦力，摩擦力的大小除取决于定、转子间的过盈值以外，还取于决定、转子表面的粗糙度，如表面不经处理过于粗糙，势必因摩擦而产生较大的扭矩，同时，产生摩擦面的自动升温和疲劳，井液温度和泵抽时产生的合成温度超过橡胶的耐温极限，促使橡胶老化加快，抗拉强度降低和硬度增加，大大地降低了螺杆泵的使用寿命，同时也降低金属套和橡胶结合面上粘结剂的强度，致使橡胶过早从金属管壁脱落。2) 定、转子直线度对泵特性的影响(1) 定子内腔直线度对泵特性的影响0204060801000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 v,%P, MPa 图 2-5 转子转速对螺杆泵工作特性的影响
39、162r/min；205r/min；255r/min15产生定子内腔直线度不好的原因在于国产螺杆泵注胶采用卧式，若定子模芯扶正不好或没有采取模芯扶正措施，注胶压力和模芯重力使定子模芯变形弯曲而偏离轴心，定子硫化完成后橡胶定形被粘结在金属管壁上，在模芯偏离轴心处的橡胶也偏离轴心，致使定子橡胶在对称方向厚度不均。图 2-6a、b 所示为模芯扶正和没有扶正(或扶正效果不好)两种情况定子橡胶厚度在对称方向均匀和不均匀示意图。a b a b图 2-6 定子橡胶压偏示意图a模芯扶正；b模芯没有扶正螺杆泵在使用过程中，在压差的作用下，井下原油中碳氢化合物和芳香族化合物轻质成份渗透到橡胶内，在橡胶薄弱处，轻质
40、成分穿透橡胶与粘结剂发生作用，使粘结剂过早失效，致使橡胶从管壁脱落，并在扭矩力的作用下加速橡胶的脱落，使泵过早因脱胶而失效。另外，由于定子直线度不好，还会造成泵扭矩偏大，运转时振动加剧，泵密封性能差。另外，也会造成每级承压不均，影响泵的性能发挥。 (2) 转子直线度对泵特性的影响转子直线度对泵特性的影响与定子直线度对泵特性的影响相似，转子直线度不好的具体表现为泵的扭矩偏大，运转振动加剧，泵密封性能差。3) 转子偏心距和截面圆直径对泵特性的影响根据螺杆泵转子在定子内运动是一个行星运动，即转子绕自身回转中心的自转和转子绕衬套中心的公转的合成运动。一般来说，转子偏心在加工时符合设计要求，但由于加工设
41、备精度不一致和技术素质不同，在加工过程中，会出现两种可能：其一，加工转子偏心大于设计尺寸，在使用过程中，会出现转子挤压定子橡胶(在定子长轴方向)，其结果为运转扭矩偏大，在一个运转周期中扭矩不一致，电机作功不平稳；其二，加工转子偏心小于设计尺寸，其结果表现为一个空腔排液不彻底，实际排量小于设计理论排量，泵效低。转子载面直径的大小，实际反应的是定、转子之间的配合过盈量。螺杆泵的工作原理决定了要保证泵有一定的泵效必须使转子与定子表面的接触线充分密封。密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。所以过盈量的大小直接影响泵效的高低。由实验发现，过盈量太大，虽然泵效较高，但抽油杆传递扭矩增大，易出现油管、抽油杆
42、断脱，而且定子橡胶磨损加剧，使用寿命缩短。过盈量过小，泵效太低。通过长期的实践摸索，低排量的螺杆泵定、转子之间的过盈量在 0.30.5mm 为合适。 排量超过 120m3/d的螺杆泵定、转子间的过盈量在 0.10.3mm 为合适。 6. 举升介质对螺杆泵特性的影响 16主要分析举升介质温度、粘度对螺杆泵特性的影响。1) 温度对螺杆泵工作特性的影响橡胶热胀冷缩比较明显，螺杆泵定子内的橡胶衬套也如此， 定子所处环境温度升高，定子橡胶膨胀，增大了定、转子间的过盈量，也就是说，定、转子间的密封腔室密封效果更好，单级腔室的载压能力增强。因此，在同一净举升高度条件下，温度升高，螺杆泵容积效率也随之提高，图
43、2-7 所示。但试验发现， 温度升高泵扭矩变化不明显。2) 介质粘度对螺杆泵工作特性的影响通过室内和现场试验表明，试验介质的粘度增加也会使泵的容积效率得到改善，因为粘度越大，分子间的力就越大，外力破坏其结构就越困难，表现在螺杆泵上，就是密封效果变好，即在同一净举升高度条件下，试验介质粘度增加，泵的容积效率升高。但另一方面，抽油杆在液体介质中作旋转运动，随着介质粘度的增加，抽油杆与液体的摩擦力增加，表现为抽油杆的扭矩增加。7. 影响螺杆泵使用寿命的主要因素 影响螺杆泵使用寿命的因素很多，通过长期的实践摸索，从产品质量的角度分析其主要因素有以下几点。定、转子的加工精度及表面光洁度；定子橡胶的耐温、
44、耐油、耐气浸性能；定子橡胶与金属外套的粘结强度；定子内腔及转子的直线度；定、转子间合理过盈量的选择；转子合理转速的确定。8. 螺杆泵工作特性曲线的数值模拟通过室内检测得到的螺杆泵工作特性曲线还不能真实的反映螺杆泵在各种井况下的真实工作特性，因而必须对螺杆泵的工作特性曲线进行扩展模拟分析，以便掌握螺杆泵在井下的真实工作特性。通过地面模拟井下不同工况对螺杆泵工作特性的影响，掌握环境因素、工作参数及结构参数对泵工作特性影响规律。目前得出如下数值模拟公式。1) 排量曲线 EDTnEDTnQ61107.54式中 Q 1理论排量， m 3/d；E 转子偏心距，mm；D 转子截面直径，mm；T 衬套导程，m
45、m；n 转子转速，r/min。0204060801000 4 8 12 v,%P, MPa 图 2-7 举升介质温度对螺杆泵特性的影响1清水 15 2清水 3017当PP max - p0时2.120maxPQv当PPb时 Q=J(P-Pwf)0204060801000 2 4 6 8 10 12 14 16 , v%.ABM,Nm0 120180240300C60P,MPa图 31 螺杆泵合理工作区域确定25)43(ln2srBkhJwo当 PPbPwf时QJPJPbwfbwfb()().()180282当 Pwf0当泵吸入口在油层下部时， P i 0式中 P i泵吸入口压力， MPa；P
46、i 油层中部到泵吸入口的垂直管流压降，MPa。对于一个指定的油井而言，产量 Q 是泵吸入口压力 Pi的函数。Q = f(Pi) 流出特性曲线流出特性是指油流从泵出口流出到地面的动态特性。1gv而 2max)(02.ov PiP21g fswwCBRGfBff 000)(1)(26)(032sgiifRGBPC120DfQwsi20()ffw式中 Q 1 理论排量，m 3/d； 泵容积效率； v 考虑泵漏失影响的泵效； g 考虑气体影响的泵效；P 泵出口压力，MPa； B。原油体积系数；Bg 气体体积系数；Rs 溶解油气比；Cf 分流系数；G。 生产油气比；fw 含水率； si 液体表观流速，m
47、/s；D 1 套管内径，mm；D2 筛管内径，mm。显然，排量 Q 是(P-P i)的函数，即 Q=(P-P i) 而泵出口压力 P 又是排量 Q 的函数，可根据Hagedorn 和 Brown 垂直管流相关式确定，即 P=f(Q)，对流出特性而言， 排量 Q是泵吸入口压力 Pi 的隐函数，即 Q=f(Pi，Q)通过上述分析方法可得到流入、流出特性曲线及节点分析计算结果。图 3-2 为螺杆泵节点分析设计系统软件框图。(2) 设计实例无论是螺杆泵工作特性曲线数值模拟还是螺杆泵合理工况确定，以及螺杆泵采油井节点分析方法，都已形成了计算机软件，前面已作图 3-2 螺 杆 泵 节 点 分 析 设 计 系 统 软 件 框 图P， MaQ, m3/d图 3- 拉 9-2638井 流 入 、 流 出 特 性 曲 线27表 3-2a 拉 9-2638 井节点分析计算日期:90.4.20油井基本数据井号: 拉 9-2638地面原油相对密度=0.87 地面气体相对密度=0.76 原油饱和压力=10.20MPa 油层静压=12.50MPa 井口压力=0.30 M
