大慶油田螺桿泵采油技術新進展_黃有泉

1、專題綜述大慶油田螺桿泵采油技術新進展黃有泉何艷曹剛(大慶油田有限責任公司采油工程研究院摘要截至2003年6月底,大慶油田在用螺桿泵采油井共916口,螺桿泵采油技術已基本成熟配套,成為繼游梁式抽油機、電潛泵之后第三大人工舉升采油方式。最近幾年來螺桿泵采油技術的新進展主要有:空心轉子螺桿泵、等壁厚定子螺桿泵、轉子陶瓷噴涂螺桿泵、多頭大排量螺桿泵、大排量螺桿泵專用抽油桿、系列地面驅動裝置、螺桿泵井工況測試診斷系統(tǒng)和螺桿泵采油配套技術。今后需繼續(xù)攻關的項目主要有:開發(fā)電動潛油螺桿泵;探索金屬定子、合成材料、插入式和多吸入口螺桿泵;研究螺桿泵桿柱卸扭技術和智能化控制技術。關鍵詞大慶油田螺桿泵采油技術進展

2、大慶油田螺桿泵應用現狀大慶油田自1986年引進首臺螺桿泵以來,經歷了引進、消化吸收、自主開發(fā)3個階段,到目前為止,地面驅動桿式螺桿泵采油技術已基本成熟配套,成為繼游梁式抽油機和電潛泵之后的主力人工舉升方式,而且在聚合物驅、三元復合驅和稠油油井上表現出良好的適應性。與其它人工舉升方式相比,螺桿泵低投資、低能耗、對介質適應性強等優(yōu)勢在油田高成熟期挖潛增效的作用日益凸顯。截至2003年6月底,大慶油田在用螺桿泵井累計達到916口,排量范圍5240m3/d,揚程8001200m,2003年上半年共檢泵114井次,檢泵率為12.4%,平均檢泵周期超過400d,預計年底可突破1500口井。大慶油田螺桿泵采

3、油技術新進展“十五”以來,大慶油田工程技術人員針對螺桿泵推廣應用中暴露出的小排量井熱洗清蠟困難、中排量井桿柱頻繁斷脫、三元復合驅油井結垢、地面驅動裝置“跑、冒、滴、漏”和缺少有效的工況測試診斷技術等問題,潛心鉆研、刻苦攻關,已在多方面取得重大突破,并已將科研攻關成果轉化為生產力,形成了相關產品的生產制造能力,極大地促進了螺桿泵采油技術的成熟、完善和配套,為在大慶油田乃至國內其他油田大面積推廣應用螺桿泵奠定了基礎。1.泵體新技術隨著螺桿泵采油技術應用水平的提高,加之新材料、新工藝的不斷涌現,螺桿泵的井下泵體技術發(fā)展較快,出現了以下幾類能夠解決專項問題、滿足不同舉升條件需要的螺桿泵。(1空心轉子螺

4、桿泵針對常規(guī)實心轉子螺桿泵暴露出的熱洗清蠟困難、測試和抽油桿柱脫扣等問題,開發(fā)研制了兩種分別為等壁厚空心轉子和直通式空心轉子結構的空心轉子螺桿泵1。與實心轉子螺桿泵相比,空心轉子螺桿泵具有以下顯著優(yōu)勢:一是可實現大排量快速熱洗清蠟。在空心轉子上部安裝熱洗閥,當反洗井時,熱洗液一部分由螺桿泵采出,大部分熱洗液在熱洗壓力的推動下,流經空心轉子內腔打開轉子上熱洗閥,直接進入油管。這種工藝可實現高溫、低壓、大排量熱洗,不損傷地層,同時降低熱洗費用。二是可防止抽油桿脫扣。當油井出現連抽帶噴·65·2003年第31卷第11期石油機械CHINA PET R OLEUM M ACHINER

5、Y黃有泉,高級工程師,生于1970年,1997年畢業(yè)于大慶石油學院油氣田開發(fā)專業(yè),獲碩士學位,現從事機械采油管理及科研工作。地址:(163453黑龍江省大慶市。電話:(04595974904。(收稿日期:2003-07-30;修改稿收到日期:2003-09-11 DOI:10.16082/ ki.issn.1001-4578.2003.11.026現象時,如果螺桿泵進出口壓差大于0.5M Pa ,熱洗閥自動打開,多余井液從空心轉子內腔經熱洗閥進入油管,可消除轉子卸扣扭矩,實現防脫功能。三是可滿足油田定點壓力監(jiān)測的需要?？招霓D子與測壓閥、空心抽油桿配套應用,提供壓力測試的通道,具有壓力監(jiān)測功能。

6、空心轉子螺桿泵2000年開始先導性現場試驗,到目前為止,這項技術已經成熟配套,在用井數已達158口,平均運轉時間532d ,最長時間已超過1000d ,基本解決了小排量螺桿泵井的熱洗清蠟和由于上頂力導致的桿柱脫扣問題,取得了十分可觀的經濟效益。(2等壁厚定子螺桿泵為解決常規(guī)螺桿泵由于定子橡膠厚薄不均引起的溶脹和溫散不均導致泵體壽命縮短的問題,開發(fā)研制了等壁厚定子螺桿泵2。這種結構的螺桿泵可以進一步延長泵體的使用壽命,具有以下顯著特點。一是單級承壓能力高。試驗結果表明(圖1:在相同過盈量下,等壁厚定子螺桿泵DGLB50012的單級承壓能力是常規(guī)泵G LB50014的3倍以上。這說明均勻壁厚的橡膠

7、層使定、轉子間以最小的過盈達到最佳的配合,降低了啟動扭矩(與常規(guī)螺桿泵相比,降低了50%,從而改善泵的整體工作性能 。圖1不同過盈量下單級承壓能力試驗數據二是對溫度變化不敏感。試驗結果表明(圖2:溫度從24上升到50時等壁厚螺桿泵的扭矩幾乎沒有改變,單級承壓僅上升12%,而同型號常規(guī)泵上升71%。這說明等壁厚定子橡膠散熱快、溫脹均勻,對溫度變化不敏感,減小了結構變形,保持了較好的型線,可延長泵的工作壽命 。圖2不同溫度下的單級承壓能力試驗數據目前,這種泵已進入現場試驗,應用效果較好。以杏4-42-P51井為例,該井泵型為DGLB50012,泵掛深度980m ,產液35m 3/d ,泵效71%,

8、系統(tǒng)效率達到43%,運轉壽命超過300d ,表現出良好的推廣應用前景。(3轉子陶瓷噴涂螺桿泵三元復合驅油技術作為大慶油田提高原油采收率、增加可采儲量的重要技術手段之一,試驗規(guī)模逐年擴大。但在螺桿泵井開采中暴露出舉升設備和井筒嚴重結垢,導致檢泵周期明顯縮短等問題;游梁式抽油機主要表現為頻繁卡泵,電潛泵主要表現為堵塞流道和分離器,結垢嚴重時,平均檢泵周期僅為1030d ,嚴重影響了三元復合驅的試驗效果。為此,開發(fā)研制了適應三元復合驅需要的轉子陶瓷噴涂螺桿泵。這種泵主要有以下技術特點:一是調整了轉子表面的極性,使其與結垢晶核的結合力減小;二是轉子表面噴涂陶瓷后,表面硬度由45H RC 提高到58H

9、RC ,耐磨性也隨之增強;三是轉子表面粗糙度值進一步降低,使得配合精度進一步提高,螺桿泵水力特性得到改善。目前,這種泵已進入現場試驗,應用效果較好。以北1-7-P126井為例,在結垢高峰期正常運轉128d 后,起泵發(fā)現轉子沒有結垢,而抽油桿的結垢厚度達到2mm 以上,最厚的地方甚至達5mm ,這種泵表現出良好的抗結垢性能,但涂層與基體的粘結強度還需要進一步提高。(4多頭大排量螺桿泵隨著大慶油田進入高含水后期開采階段,日產液150m 3/d 以上的大排量井數量逐年增加,特別是聚合物驅大排量井,抽油機井桿管偏磨和電潛泵井在見聚期內供排關系變化大而無法適應的問題很突出,雖然螺桿泵采油技術可以解決上述

10、問題,但是目前成熟的螺桿泵采油技術的排量范圍只適應排量在5150m 3/d 油井,無法適應排量大于150m 3/d 油井的舉升要求。為此,開發(fā)研制23的大排量螺桿泵,與單頭大排量螺桿泵3相比,這種泵具有以下技術特點:一是泵排量大幅增加。由于采用了多頭泵的設計方法,在保證設計參數合理配比的情況下,泵的工作腔數量由2個增加到3個,排量由原來的0.8L /r 提高到1.2L /r ,增幅達50%。二是采用多頭泵的設計方法后,排量增大,但偏心距減小,從而使螺桿泵定子橡膠的厚薄不均的程度有所改善。對于改善定子橡膠的受力狀況,延長使用壽命十分有利。該泵型首次將多線設計方法應用于采油螺桿泵·66&

11、#183;石油機械2003年第31卷第11期設計,在現場應用中充分體現出排量大(工作轉速150r /min 時,最大實際排量226m 3/d 、泵效高(動液面806m 時,泵效74.9%的特點。目前,這種泵現場應用井數已達18口,平均日產液199m 3/d ,平均泵效79.8%,平均動液面456m ,最長運轉時間達681d ,平均運轉436d 。2.大排量螺桿泵專用抽油桿大排量螺桿泵因轉子偏心大、扭矩大、振動劇烈,致使桿柱斷脫問題十分嚴重,常規(guī)桿的斷脫率高達48%,為提高螺桿泵抽油桿的防斷脫性能,大慶油田開發(fā)了大排量螺桿泵專用抽油桿,在現場應用中已見到了良好的防斷脫效果。(1防斷脫原理大排量螺

12、桿泵專用抽油桿的結構特點(圖3是:相連接的2根抽油桿靠互相插入配合的牙體來傳遞扭矩。由于牙體具有足夠的抗剪切強度,且始終處于插接狀態(tài),因此相連接的抽油桿同步運轉,從而達到防脫扣的目的。另外,桿體優(yōu)選相應尺寸空心結構,桿頭采用直接鍛造成型工藝加工,提高整體強度,實現防斷性能 。圖3大排量螺桿泵專用插接式防脫空心抽油桿1桿體上接頭;2O 形密封圈;3接箍;4桿體下接頭(2專用桿結構優(yōu)化為了保證抽油桿在實現防斷脫性能的同時,降低加工難度,采用有限元分析方法對專用桿的結構進行了優(yōu)化。一是插接結構優(yōu)化。對比較容易實現的半圓形、直槽形和對稱扇形3種插接結構進行了受力分析,設定牙體外徑40.25mm 、內徑

13、26mm 、根部圓角4mm 、在扭矩1.1kN ·m 條件下有限元受力分析發(fā)現:半圓形接頭的最大剪應力為1186MPa ,直槽形接頭的最大應力為1386M Pa ,對稱扇形接頭的最大應力為797MPa 。即3種插頭形狀比較,對稱扇形接頭的最大應力最低,因此,優(yōu)選對稱扇形接頭結構。二是牙體根部圓角的優(yōu)選。專用抽油桿的2個牙體在傳遞扭矩過程中,牙體的根部是應力集中區(qū)域,所以對牙體根部圓角進行了優(yōu)選。最大應力分析發(fā)現,無圓角時應力為1665M Pa ,圓角半徑2mm 時應力為883MPa ,圓角半徑3mm 時712M Pa ,圓角半徑4mm 時602MPa ,圓角半徑6mm 時480M P

14、a ?？紤]到牙體與桿體等強度,選擇圓角半徑6m m ?？古ぴ囼灡砻?這種結構的專用桿抗扭強度超過3.7kN ·m ,按3.0的安全系數考慮,完全可以滿足大排量螺桿泵井的承載要求。此外,大慶油田采油三廠研制的錐螺紋螺桿泵專用抽油桿,現場應用也見到很好的防斷脫效果。截至2002年底,大排量螺桿泵專用抽油桿已進行現場試驗206口井,斷脫率5.34%;而同期應用普通抽油桿33口,斷脫率達48.48%。特別是大慶油田北1-6-P34井,是三元復合驅的1口中心井,該井由于結垢嚴重,桿體承載扭矩比正常螺桿泵井大450N ·m ,且桿體承受交變載荷,正常運轉805d ,沒有發(fā)生斷脫事故,表

15、現了良好的綜合力學性能和防斷脫性能。3.驅動裝置為了解決螺桿泵驅動裝置盤根盒漏油、減速箱下部油封漏油問題,避免停機反轉,提高機械效率,降低維護成本,研制成功高效率、免維護的系列地面驅動裝置(圖4,并已形成產業(yè)化,340圖4機械密封上置式驅動裝置1方卡子;2機械密封;3箱體;4油杯;5光桿卡持器;6出油管口口井的現場應用結果表明,這種驅動裝置的性價比·67·2003年第31卷第11期黃有泉等:大慶油田螺桿泵采油技術新進展已達到國際同類產品的領先水平。重大改進點體現在以下幾方面:(1采用“油杯”和機械密封為了解決老式驅動裝置滲漏問題,一是獨創(chuàng)性地采用“油杯”結構,將動密封從減速

16、箱體底部移至箱體上部,解決了驅動裝置減速箱下部油封漏油問題,不再因減速箱下部油封壽命問題而造成驅動裝置更換維修,也避免了因齒輪油滲漏而帶來的軸承、齒輪損壞。二是應用機械密封技術取代了填料盤根密封結構,不僅密封效果好,而且壽命長,現場維護工作量由原來的12周添加1次盤根到現在11.5a 更換1次機械密封部件,除了定期更換齒輪油和膠帶以外,新型驅動裝置基本實現了免維護,大大降低了采油工人的維護工作量和維護費用,并且提高了運行時率。(2優(yōu)選結構參數新型機械密封式驅動裝置由于優(yōu)化結構參數,采用了摩擦損耗很小的機械密封系統(tǒng)、油杯結構,比帶有盤根密封的同類產品機械效率高10%以上;同時標準化、高可靠性和人

17、性化設計制造技術,使產品故障率低,運轉時率高。另外機械密封系統(tǒng)與光桿沒有接觸,對光桿不會造成任何傷害,因此不會帶來光桿斷裂的故障。室內試驗表明,新型驅動裝置機械效率比其它同類產品提高5%10%。(3采用棘輪棘爪防反轉機構新型驅動裝置采用了可靠的棘輪棘爪防反轉機構,與超越離合器防反轉4相比,能夠釋放儲存在光桿及裝置上的反轉扭矩,保證了驅動裝置停機后不會高速反轉;不需定期注潤滑油,不易磨損,現場可以隨時更換,便于維修及日常管理,而且價格低1倍。(4設計了光桿密封卡持器為了解決驅動裝置維修更換不便,工作量大的問題,利用驅動裝置下部原來密封系統(tǒng)的空間,設計了光桿卡持器,該裝置具有2個功能,一個是在更換

18、密封件或維修減速箱時卡住光桿(代替吊車,另外是密封井口(代替專用井口。光桿卡持器最大承載重力可達1×105N,裝置內的心子可根據光桿尺寸、型號進行選配,適用于所有型號光桿。(5采用模塊化和標準化設計新型驅動裝置采用模塊化、標準化設計,提高了產品的互換能力和通用性,便于低成本高質量批量制造和現場維護、測試。它可根據現場產能的需要更換不同功率的電動機而不用整體更換驅動裝置,保證電動機高效運轉,避免大馬拉小車現象。另外當驅動裝置相應部位出現故障時,只需對不同部位維修和更換,提高可靠性和利用率。到目前為止,新型機械密封式驅動裝置現場應用了340口井。現場應用結果表明,該裝置密封效果好、壽命長

19、,維修、更換方便快捷,運行安全可靠,大大降低了維護、維修工作量及成本,提高了系統(tǒng)運行時率,受到了現場管理人員的歡迎。4.工況測試診斷技術針對螺桿泵工況測試、診斷和優(yōu)化設計配套技術不完善的問題,研制了無線式測試裝置,建立了螺桿泵井故障診斷模型并編制了配套的軟件,形成了一套螺桿泵系統(tǒng)工況測試、診斷和優(yōu)化設計方法。經現場驗證,診斷符合率達95%,優(yōu)化設計合格率100%,優(yōu)化井平均系統(tǒng)效率為35%以上。(1研制了無線式螺桿泵工況測試儀新型螺桿泵工況測試儀由傳感器、發(fā)射盒和主機3部分組成,該儀器具有以下幾點優(yōu)勢:一是采用無線遙測方式,不需要連接信號線和電源線,節(jié)省了測試時間,同時測試過程中測試人員遠離井

20、口,保證了測試的安全性;二是傳感器可以長期安裝在井口,測試時只需將信號發(fā)射器安裝在傳感器上即可工作,測試過程相當于不停機操作,對油井的生產沒有影響;三是傳感器設計在測試精度允許條件下,體積大幅度縮小,同時進行了低溫、高溫老化處理,達到了設計的工作環(huán)境溫度要求;四是傳感器采取全密閉封裝,適合于各種氣候條件。(2螺桿泵井系統(tǒng)診斷技術取得突破一是進行了螺桿泵井抽油桿柱綜合受力分析,建立了桿柱扭矩和軸向力的理論計算模型。二是開展了不同工況下,螺桿泵光桿扭矩和軸向力的變化規(guī)律研究。采用新型測試儀高速采集螺桿泵井的光桿扭矩和軸向力數據,并繪成曲線進行分析。室內及現場試驗結果表明,光桿扭矩和軸向力隨時間變化

21、曲線和理論計算結果相吻合,能夠真實反映螺桿泵井桿柱和泵的工作狀況,對于分析舉升系統(tǒng)在不同工況下的變化特性具有重要的指導意義。三是建立了螺桿泵井系統(tǒng)診斷模型,實現了對舉升系統(tǒng)各部位的工況分析和故障診斷。(3螺桿泵井優(yōu)化設計取得突破建立了螺桿泵井優(yōu)化設計模型,實現了產量最大目標下,舉升系統(tǒng)的設備優(yōu)選和工作參數優(yōu)化設計,并根據理論模型編制了配套的診斷和優(yōu)化設計軟件。截至2002年底,利用該套系統(tǒng)共對243口井進行了系統(tǒng)診斷和優(yōu)化設計,診斷符合率達到95%,對50口井進行了措施調整,優(yōu)化設計合格·68·石油機械2003年第31卷第11期率達到100%,優(yōu)化后的螺桿泵井系統(tǒng)效率均在3

22、5%以上,取得了良好的應用效果。5.螺桿泵采油配套技術“十五”以來大慶油田在螺桿泵采油配套技術方面,重點配套完善了以下4項技術,極大地促進了螺桿泵井應用水平的進一步提高。(1完善了不壓油層洗井工藝針對螺桿泵井洗井中傷害油層的問題,開發(fā)了與空心轉子配套的不壓井及不壓油層洗井工藝,洗井液通過洗井工具從套管直接進入油管,避免對油層造成傷害,同時在作業(yè)過程中密封生產通道,實現不壓井作業(yè)。現場試驗表明,采用不壓油層洗井工藝可使中排量螺桿泵井洗井后含水恢復時間由原來的34d縮短到1d左右。(2完善了油管扶正技術和小排量螺桿泵不同,大中排量螺桿泵轉子偏心距大,運行過程中管柱的周期性振動劇烈,常規(guī)的橡膠扶正器

23、無法有效地扶正,為此研制了鋼球扶正結構的新式油管扶正器,該扶正器在油管的壓力作用下將扶正鋼球頂出,均勻擠壓套管內壁,保證扶正穩(wěn)定。(3建立完善了螺桿泵性能檢測系統(tǒng)一是對采油工程研究院的螺桿泵性能檢測系統(tǒng)進行完善,強化質量監(jiān)督職能,提高檢測系統(tǒng)的適應范圍;二是在井數集中的采油四廠新建螺桿泵性能檢測系統(tǒng),提高了螺桿泵的重復利用能力和該區(qū)塊螺桿泵井的過程監(jiān)控能力。截至2002年底,共完成螺桿泵產品的質量監(jiān)督檢驗和委托檢驗225臺套。其中,發(fā)現各類不合格品14臺套,有效避免了不合格產品進入現場。(4完善了螺桿泵采油及配套技術的相關標準為了規(guī)范中排量螺桿泵的產品設計、加工、檢驗和施工作業(yè)等過程,保證螺桿泵舉升系統(tǒng)的產品質量和提高管理水平,建立了螺桿泵檢測規(guī)程、螺桿泵作業(yè)規(guī)程、螺桿泵生產井操作規(guī)程、螺桿泵水力特性檢測規(guī)程等企業(yè)標準。螺桿泵采油技術發(fā)展方向前瞻目前,大慶油田地面驅動桿式螺桿泵