第十五章_多相混輸泵技術(shù)

1、第十五章第十五章 多相混輸泵技術(shù)多相混輸泵技術(shù) 中國石油大學中國石油大學 李玉星李玉星 一、引言一、引言 1.1 1.1 幾個概念幾個概念 n兩相流油、氣。兩相流油、氣。 n三相流油、氣、水。三相流油、氣、水。 n多相開采系統(tǒng)油井產(chǎn)生的油、氣、水（有時還含有砂、天然氣多相開采系統(tǒng)油井產(chǎn)生的油、氣、水（有時還含有砂、天然氣 水合物和蠟等）混合物通過管線輸送到中央處理裝置的過程。水合物和蠟等）混合物通過管線輸送到中央處理裝置的過程。 1.2 1.2 傳統(tǒng)輸送方法傳統(tǒng)輸送方法 井口 短距離輸送 然后進行相分離 液泵加壓繼續(xù)輸送 氣壓縮機加壓繼續(xù)輸送 1.3 1.3 多相混輸技術(shù)多相混輸技術(shù) 井口 多

2、相泵加壓輸送致目的地 1.4 1.4 使用多相泵的目的使用多相泵的目的 n減小設備的資金成本和復雜性減小設備的資金成本和復雜性 n消除油水管線和氣體管線的分離消除油水管線和氣體管線的分離 n邊際油田的開發(fā)邊際油田的開發(fā) n提高產(chǎn)量提高產(chǎn)量 n減小重量和空間需求（海上應用）減小重量和空間需求（海上應用） n減少氣體水和物減少氣體水和物 n延長油藏開采期限延長油藏開采期限 n減小井口回壓減小井口回壓 1.5 1.5 多相泵的經(jīng)濟影響多相泵的經(jīng)濟影響 n通過減小井的回壓可以增加產(chǎn)量通過減小井的回壓可以增加產(chǎn)量 n地面設施的合并地面設施的合并 n衛(wèi)星油田的經(jīng)濟發(fā)展衛(wèi)星油田的經(jīng)濟發(fā)展 1.6 1.6 多

3、相泵的分類多相泵的分類 n旋轉(zhuǎn)動力泵螺旋軸流泵旋轉(zhuǎn)動力泵螺旋軸流泵 n容積式泵雙螺桿泵容積式泵雙螺桿泵 n雙螺桿泵對多相介質(zhì)具有良好的增壓效果、可靠性高，是世界各雙螺桿泵對多相介質(zhì)具有良好的增壓效果、可靠性高，是世界各 國研發(fā)的重點。國研發(fā)的重點。 二、國外發(fā)展現(xiàn)狀二、國外發(fā)展現(xiàn)狀 n法國石油研究院法國石油研究院( IFP) 開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)動力式多相流混輸開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)動力式多相流混輸 泵。特點是采用螺旋線葉輪與導葉配合，氣液混合物沿軸泵。特點是采用螺旋線葉輪與導葉配合，氣液混合物沿軸 向流動，輸送混合物的干度范圍為向流動，輸送混合物的干度范圍為00.95，相對應的葉，相對應的葉 輪入口氣液比

4、從輪入口氣液比從0到到18 (體積比體積比)。經(jīng)工作臺試車后，進行。經(jīng)工作臺試車后，進行 現(xiàn)場試驗，在實際工作條件下該泵安全運行現(xiàn)場試驗，在實際工作條件下該泵安全運行5000小時。小時。 n鮑曼公司在鮑曼公司在80 年代中期開始研制多相泵，年代中期開始研制多相泵，19881992年年 在突尼斯試制成功，在突尼斯試制成功，1992年開始市場銷售，作為陸上泵已年開始市場銷售，作為陸上泵已 被廣泛采用，特別適合于近海油田的海上平臺。潛水泵也被廣泛采用，特別適合于近海油田的海上平臺。潛水泵也 在開發(fā)研制，其在開發(fā)研制，其ME型、型、MW型、型、MHP 型和型和MPC 型系列泵型系列泵 已在中國、美國、

5、加拿大、突尼斯、委內(nèi)瑞拉、德國等國已在中國、美國、加拿大、突尼斯、委內(nèi)瑞拉、德國等國 家的陸上和海上油田應用，并取得良好效果。家的陸上和海上油田應用，并取得良好效果。 n雷斯特利滋公司的第一臺多相泵于雷斯特利滋公司的第一臺多相泵于1993 年應用于墨西哥年應用于墨西哥 灣，現(xiàn)在可提供轉(zhuǎn)子直徑灣，現(xiàn)在可提供轉(zhuǎn)子直徑96365mm、最大排量為、最大排量為 1650m3/h，含氣率最高可達，含氣率最高可達100 %的雙螺桿泵。的雙螺桿泵。 n日本日本Natl 石油公司和日本九州大學的學者石油公司和日本九州大學的學者K. Egashira 等等 對泵內(nèi)回流量與螺桿參數(shù)的關系做了定性研究，建立了回對泵內(nèi)

6、回流量與螺桿參數(shù)的關系做了定性研究，建立了回 流量的數(shù)學模型，分析了回流量與壓差、含氣率及轉(zhuǎn)速等流量的數(shù)學模型，分析了回流量與壓差、含氣率及轉(zhuǎn)速等 因素的關系。現(xiàn)場試驗證明雙螺桿泵即使在氣塞相當嚴重因素的關系?，F(xiàn)場試驗證明雙螺桿泵即使在氣塞相當嚴重 的情況下也能很好工作，對多相介質(zhì)有良好的增壓效果。的情況下也能很好工作，對多相介質(zhì)有良好的增壓效果。 n我國在這方面還處于整機引進和原理機試制階段。大慶、我國在這方面還處于整機引進和原理機試制階段。大慶、 勝利等油田已引進了陸上用的雙螺桿混輸泵，累了一定的勝利等油田已引進了陸上用的雙螺桿混輸泵，累了一定的 實踐經(jīng)驗。有關科研單位也開始了混輸泵的探索

7、性研制工實踐經(jīng)驗。有關科研單位也開始了混輸泵的探索性研制工 作，在雙螺桿多相泵的設計、試驗研制及多相流的數(shù)值計作，在雙螺桿多相泵的設計、試驗研制及多相流的數(shù)值計 算等方面做了大量的工作，已完成了模型機的試驗。但混算等方面做了大量的工作，已完成了模型機的試驗。但混 輸技術(shù)的研制開發(fā)工作仍面臨一系列的技術(shù)難題：輸技術(shù)的研制開發(fā)工作仍面臨一系列的技術(shù)難題： n雙螺桿多相泵的設計問題。雙螺桿多相泵的設計問題。 n雙螺桿多相泵轉(zhuǎn)子型線及刀具研究。雙螺桿多相泵轉(zhuǎn)子型線及刀具研究。 n密封、潤滑、冷卻及其附機配套技術(shù)的研究。密封、潤滑、冷卻及其附機配套技術(shù)的研究。 三、雙螺桿泵工作原理與性能三、雙螺桿泵工作

8、原理與性能 3.1 3.1 工作原理工作原理 圖圖1 雙螺桿混輸泵工作原理圖雙螺桿混輸泵工作原理圖 3.2 3.2 性能特性性能特性 3.2.1 3.2.1 流量流量 圖圖2 雙螺桿混輸泵流量示意圖雙螺桿混輸泵流量示意圖 3.2.2 3.2.2 壓力壓力 圖圖3 理想雙螺桿混輸泵壓力分布示意圖理想雙螺桿混輸泵壓力分布示意圖 3.2.3 3.2.3 效率效率 泵的扭矩 泵對氣液做功之和 效率 四、雙螺桿泵的特點四、雙螺桿泵的特點 4.1 4.1 特點特點 n適合中小流量適合中小流量(10 1000m3/h)和低中高各種壓差和低中高各種壓差(010MPa) ； n具有硬特性，即在進口參數(shù)或揚程發(fā)生

9、變化時，流量基本不變；具有硬特性，即在進口參數(shù)或揚程發(fā)生變化時，流量基本不變； n工作適應性廣，可輸送工作適應性廣，可輸送0100%范圍內(nèi)任何含氣率的流體；范圍內(nèi)任何含氣率的流體； n運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，能在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效，適合變頻驅(qū)動；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，能在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效，適合變頻驅(qū)動； n允許輸送介質(zhì)中含泥沙及雜質(zhì)；允許輸送介質(zhì)中含泥沙及雜質(zhì)； n價格比軸流混輸泵低；價格比軸流混輸泵低； n重量、尺寸較大。重量、尺寸較大。 4.2 4.2 優(yōu)勢優(yōu)勢 多相泵用于油田的開發(fā)，很大的優(yōu)勢就是降低總投資。表現(xiàn)在兩多相泵用于油田的開發(fā)，很大的優(yōu)勢就是降低總投資。表現(xiàn)在兩 個方面：個方面：

10、n與傳統(tǒng)所用的先氣液分離，后分別增壓輸送的兩套獨立系統(tǒng)相比，與傳統(tǒng)所用的先氣液分離，后分別增壓輸送的兩套獨立系統(tǒng)相比， 多相混輸僅需一套增壓輸送系統(tǒng)即可滿足要求；多相混輸僅需一套增壓輸送系統(tǒng)即可滿足要求； n探頭壓力被降低，提高了單井采油率，減少了開井口數(shù)。探頭壓力被降低，提高了單井采油率，減少了開井口數(shù)。 五、多相混輸泵的設計五、多相混輸泵的設計 5.1 5.1 螺桿齒形及泵結(jié)構(gòu)設計螺桿齒形及泵結(jié)構(gòu)設計 n油氣混輸泵的主要工作元件油氣混輸泵的主要工作元件螺桿螺桿。 n泵設計的要害問題泵設計的要害問題螺桿齒形螺桿齒形及及桿與套的間隙。桿與套的間隙。 5.2 5.2 雙螺桿泵輸送多相流介質(zhì)的特點

11、雙螺桿泵輸送多相流介質(zhì)的特點 n油氣比影響排量油氣比影響排量 n多相輸送可減低泵的內(nèi)泄漏量，提高泵的效率多相輸送可減低泵的內(nèi)泄漏量，提高泵的效率 n軸向力太大、軸承早期破損軸向力太大、軸承早期破損 n用同步齒輪實現(xiàn)主動螺桿向從動螺桿傳遞運動用同步齒輪實現(xiàn)主動螺桿向從動螺桿傳遞運動 n在吸入腔下面設計一較大的存液區(qū)，當發(fā)生段塞流，保證泵的正在吸入腔下面設計一較大的存液區(qū)，當發(fā)生段塞流，保證泵的正 常運行。常運行。 5.3 5.3 非密閉螺桿齒型及設計原理非密閉螺桿齒型及設計原理 n確定非密閉螺桿泵負荷性質(zhì)的幾何因素確定非密閉螺桿泵負荷性質(zhì)的幾何因素 螺紋深度螺紋深度 螺距螺距 斷面形狀斷面形狀

12、圖圖4 非密閉螺桿齒型參數(shù)非密閉螺桿齒型參數(shù) r r螺紋根圓半徑螺紋根圓半徑 R R頂圓半徑頂圓半徑 5.3.1 5.3.1 各參數(shù)之間的關系及物理意義各參數(shù)之間的關系及物理意義 n螺旋升角螺旋升角0時，螺桿截面齒形為矩形；時，螺桿截面齒形為矩形；00時，螺桿截面齒形時，螺桿截面齒形 為梯形。為梯形。對流量對流量Q Qt t的影響不大，的影響不大，增大時，排量增大時，排量Q Qt t有所增大。有所增大。 n當螺桿外徑當螺桿外徑D D取定，即取定，即R=D/2R=D/2時，時，r/R=0.4r/R=0.40.70.7。 Q Qt t和和r/Rr/R之間呈拋之間呈拋 物線關系，物線關系， 排量排量

13、Q Qt t隨隨r/Rr/R降低而增加降低而增加 。 n螺矩為螺矩為t t，t/R=0.5t/R=0.5 1.51.5，排量排量Q Qt t正比與螺距正比與螺距t t。 5.3.2 5.3.2 設計方法設計方法 n已知條件已知條件 泵的機械效率泵的機械效率 多相流體中液體的流動粘度多相流體中液體的流動粘度 H H泵的進出口壓差泵的進出口壓差 Q Q混輸系統(tǒng)要求的排量混輸系統(tǒng)要求的排量 n計算步驟計算步驟 n1 1、根據(jù)要求的排量、根據(jù)要求的排量Q Q和輸送介質(zhì)情況選定的容積效率和輸送介質(zhì)情況選定的容積效率，求出理求出理 論排量論排量Q Qt t； n2 2、參考已有的非密閉螺桿泵參數(shù)和螺桿螺紋特征，初步設定螺、參考已有的非密閉螺