人工舉升理論第15講螺桿泵采油

1、人工舉升理論第第15講講 螺桿泵采油螺桿泵采油吳曉東吳曉東自1930年發(fā)明螺桿泵以來，螺桿泵技術(shù)工藝不斷改進和完善，特別是合成橡膠技術(shù)和粘接技術(shù)的發(fā)展，使螺桿泵在石油開采中已得到了廣泛的應用。目前在采用聚合物驅(qū)油的油田中，螺桿泵已成為常用的人工舉升方法。 螺桿泵采油螺桿泵采油系統(tǒng)驅(qū)動裝置井口裝置井下螺桿泵中間油管 螺桿泵驅(qū)動電動液動機動 螺桿泵采油螺桿泵工作地面動力油桿轉(zhuǎn)動螺桿泵轉(zhuǎn)動地層流體油管輸出 地面設備簡單、緊湊、占地小、初期投資少、操作安全可靠、管理和使用方便。 排出流量均勻平穩(wěn)，調(diào)參容易，通過改變地面驅(qū)動轉(zhuǎn)速來調(diào)整泵的排量。 適宜輸送和開采粘度大的流體。 自吸能力強，氣體對泵效影響小

2、。 螺桿泵的定子和轉(zhuǎn)子的密封是柔性的面接觸，適用于含砂流體。螺桿泵采油優(yōu)點螺桿泵的結(jié)構(gòu) 1一泵殼；2一襯套；3一螺桿；4一偏心聯(lián)軸節(jié)；5一中間傳動軸； 6一密封裝置；7一徑向止推軸承；8一普通連軸節(jié) 螺桿泵是靠空腔排油，即轉(zhuǎn)子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運移。封閉腔在排出端消失，空腔內(nèi)的原油也就隨之由吸人端均勻地擠到排出端。同時，又在吸人端重新形成新的低壓空腔將原油吸人。這樣，封閉空腔不斷地形成、運移和消失，原油便不斷地充滿、擠壓和排出，從而把井中的原油不斷地吸人，通過油管舉升到井口。 螺桿泵的工作原理 油管受力分析 油管受力模型

3、簡圖油管受力分析 從上述四個典型圖分析，抽油管柱主要存在以下幾個力扭力轉(zhuǎn)子扭矩M1；抽油桿磨油管M2；油管內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩M3拉壓力轉(zhuǎn)子正常工作時作用在定子上的拉、壓力F1(上提、下放時)；抽油桿作用在油管上的摩擦力F2；管柱自重F3；外加管柱拉、壓力F4；液體向上流動產(chǎn)生的摩擦力忽略；抽油桿自重F5；螺桿泵轉(zhuǎn)子與定子吸附在一塊時，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：反扣油管連螺桿泵定子，正扣抽油桿連轉(zhuǎn)子，無錨定工具 LxLMMMM)(321713FFFF模型二：模型二：扭力作用在防轉(zhuǎn)錨上 713FFFF模型三：模型三：扭力作用在支撐卡瓦上，其它忽略不計

4、)(34FFF模型四：模型四：扭力作用在張力錨上 34FFF油管錨定方式及受力分析油管錨定方式及受力分析 模型一：軸向自由，周向受扭，扭力的大小與抽油桿扭力計算相同，抽油桿的全部反作用力都作用在油管上，抽油桿工作時，扭力存在。當螺桿泵停止工作時，扭力釋放，油管下端螺桿泵處泵定子正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)都有可能，停機的次數(shù)越多，正、反轉(zhuǎn)交變的次數(shù)越多。轉(zhuǎn)子扭力越大，抽油桿的累計轉(zhuǎn)角越大。油管受扭累計轉(zhuǎn)角計算公式如下：在線彈性范圍內(nèi)，油管在扭矩M作用下，油管長為l，則兩橫截面間相對扭轉(zhuǎn)角為 )(ralGIMlppGIMl180（度/米）油管錨定方式及受力分析油管錨定方式及受力分析 模型二：軸向自由、周向錨定型。

5、油管自由懸掛，扭力由防轉(zhuǎn)錨承受，抽油時，抽油桿伸長，油管也隨著伸長；抽油桿縮短，油管也隨之縮短，桿、管伸縮量與定、轉(zhuǎn)子、油管、抽油桿幾何尺寸、材料及舉升壓差、下泵深度等參數(shù)有關(guān)。 計算方法如下： tqxLEEFL)(3油管錨定方式及受力分析油管錨定方式及受力分析 模型三：油管座封時，整個管柱受壓，扭力由支承卡瓦承受，作用在套管上。作用力除油管自重外，在頂部還加一個附加力F4。管柱在F3、F4的壓力下，使管柱產(chǎn)生彎曲。管柱失穩(wěn)后產(chǎn)生彎曲，油管彎曲狀態(tài)(如下圖) 失穩(wěn)計算方法如下： 22Enncrwcr抽油桿在油管內(nèi)受力狀態(tài)抽油桿在油管內(nèi)受力狀態(tài) 在上圖a中，抽油桿與油管不接觸，當套管彎到一定程度

6、抽油桿開始磨油管，但抽油桿彎曲程度小于油、套管彎曲程度，曲率半徑大于套管彎曲曲率半徑。 在圖b中，抽油桿摩擦油管情況取決于油、套管幾何尺寸以及油管的失穩(wěn)程度。套管內(nèi)徑與油管接箍外徑比值越大，失穩(wěn)程度越嚴重，抽油桿摩擦越嚴重。 在圖c中，套管中心線彎曲，油井存在狗腿度。油管失穩(wěn)后彎曲比直井嚴重的多，抽油桿摩油管也嚴重，抽油桿的狗腿度嚴重地受到套管狗腿度的影響。 螺桿泵的工作特性曲線螺桿泵的工作特性曲線 螺桿泵的工作特性影響因素螺桿泵的工作特性影響因素 過盈量的影響過盈量的影響螺桿泵的工作原理決定了要保證一定的泵效，就必須使定、轉(zhuǎn)子表面的接觸線保持充分密封，而密封的程度取決于轉(zhuǎn)子與定子間的過盈量。

7、因此，過盈量的大小直接影響泵效的高低。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速決定了螺桿泵的排量，在油井產(chǎn)能允許的條件下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，排量就越大。但是，轉(zhuǎn)速越高，抽油桿的離心力就越大，抽油桿的彎曲振動就越嚴重，抽油桿接箍與油管內(nèi)壁的摩擦力也就隨之增大，同時，舉升高度也將因沿程損失的增加和定子橡膠磨損的加速而下降。 螺桿泵的工作特性影響因素螺桿泵的工作特性影響因素 除了上述兩個因素之外，還應注意粘度的粘度的影響影響。由于螺桿泵在實際應中用以舉升原油，而且常常用于舉升稠油，因此，泵在舉升過程中的工作特性與舉升清水時的工作特性將會有很大差別。一方面，粘度增加使得漏失量減小，有利于提高泵的容積效率

8、和系統(tǒng)效率;另一方面，粘度的增加將使流動阻力增大而降低泵的充滿程度和舉升高度，泵的容積效率和系統(tǒng)效率也隨之降低。同時，泵的摩擦增大將增加阻力扭矩。因此，在實際應用中，應充分注意粘度的影響。 螺桿泵的理論排量螺桿泵的理論排量 如下圖所示，螺桿任一斷面都是半徑為 r的圓，整個螺桿的形狀可看成是由很多半徑為r的極薄圓盤組成，這些圓盤的中心O1是以偏心距e繞螺桿本身的軸線O2z一邊旋轉(zhuǎn)一邊按一定的螺距t向前移動。即圓盤圓心O1的軌跡是螺距為t、偏心距為e的螺旋線。 襯套的材料是橡膠，它的斷面是由兩個半徑為r(等于螺桿斷面半徑)的半圓和兩個長度為4e的直線段組成的長圓形，如右圖所示。襯套的雙線內(nèi)螺旋面就

9、是由上述斷面繞襯套的軸線Oz旋轉(zhuǎn)的同時，按一定的導程T2t向前移動所形成的。 螺桿泵的理論排量螺桿泵的理論排量 螺桿在襯套中的位置不同時，它們之間的接觸點也就不同。當螺桿斷面在襯套長圓形斷面的兩端時，螺桿和襯套的接觸為半圓弧線；而在襯套的其它位置時，螺桿和襯套僅有兩點接觸。由于螺桿和襯套是連續(xù)嚙合的，這些接觸點就構(gòu)成了密封線，在襯套的一個導程T內(nèi)便形成一個密封腔室。這樣，在沿單螺桿泵的全長上，襯套內(nèi)螺旋面與螺桿的螺旋面形成了一個個封閉腔室。可見，襯套螺桿副的長度至少為襯套的一個導程，才能形成完整的密封腔。 泵每轉(zhuǎn)排量為泵每轉(zhuǎn)排量為 Tedqp4泵的理論排量為 TendQpt5760螺桿泵的容積

10、效率和系統(tǒng)效率螺桿泵的容積效率和系統(tǒng)效率 泵的實際排量Q與理論排量Qt的比值，稱為泵的容積效率，記作v，用公式表達為 tvQQ泵的容積效率實質(zhì)上是一個排量系數(shù)，它與泵的揚程、轉(zhuǎn)子與定子間配合的過盈量、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及舉升液體的粘度等參數(shù)有關(guān)，是一個多變量函數(shù)。因此，目前泵的容積效率多用回歸分析方法求其具體的表達式 螺桿泵的容積效率和系統(tǒng)效率螺桿泵的容積效率和系統(tǒng)效率 泵的系統(tǒng)效率定義為泵的有功功率 (水力功率)Ph與泵的輸入功率Pin之比，即 inhPPUIPPinh3-310310lgHQ螺桿泵的扭矩螺桿泵的扭矩 由于螺桿泵的吸大端和排出端存在壓差，所以螺桿一襯套副中的液體將對螺桿施加力的作用

11、。同時，定、轉(zhuǎn)子間存在過盈量，將會使定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生摩擦阻力扭矩。 轉(zhuǎn)子有功扭矩轉(zhuǎn)子有功扭矩 PTedMp2定子與轉(zhuǎn)子間定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩的摩擦扭矩 )(ofrfrkM螺桿泵的扭矩螺桿泵的扭矩啟啟動動扭扭矩矩螺桿泵的空載運轉(zhuǎn)扭矩一般很小，但長時間靜止的螺桿泵啟動時需要的扭矩卻非常大，為空載運轉(zhuǎn)時扭矩的2030倍，為滿載荷工作時扭矩的2 3倍。啟動扭矩的大小，與螺桿泵密封線的長度、定轉(zhuǎn)子間的過盈量以及橡膠的硬度和工作壓力有關(guān)，還與靜止時間的長短以及摩擦面的粗糙度有關(guān)。級數(shù)越多、粗糙度越大、橡膠硬度越高，以及定、轉(zhuǎn)子間過盈量越大、泵的工作壓力越高，泵的啟動扭矩也就越大。從使用的角度出發(fā)，應該盡量

12、減少泵在長時間靜止后啟動；從設計制造的角度出發(fā)，應適當降低橡膠的硬度和過盈量，并選用便轉(zhuǎn)子和定子橡膠摩擦系數(shù)較小的涂鍍材料。同時，降低轉(zhuǎn)子和定子表面的粗糙度也是十分重要的。螺桿泵的選擇螺桿泵的選擇 螺桿泵的選擇，首先首先應根據(jù)油井的產(chǎn)能確定出油井的產(chǎn)量，并確定所用螺桿泵的排量；其次其次是根據(jù)泵的工作特性曲線確定在保證該排量下泵的舉升高度大小，并根據(jù)油井條件計算出所需泵的級數(shù)，同時同時還要根據(jù)需要以及油井的實際條件確定合理的過盈量；最后最后，根據(jù)負載大小選擇抽泊桿的材料與規(guī)格，電動機以及其它附屬部件。 螺桿泵的選擇螺桿泵的選擇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的確定 介質(zhì)的粘度將影響泵的充滿系數(shù)。當泵旋轉(zhuǎn)時

13、，在泵吸入口處空腔容積逐漸變大，這時，只要有一定的壓差液體便可迅速充滿空腔。當液體的粘度較大時，其流動性變差，使得充滿系數(shù)降低從而降低泵的容積效率，并且隨著液體粘度的增加，這種影響程度增大。 在高含砂油井中，泵的壽命取決于定子橡膠的疲勞強度。由于定子和轉(zhuǎn)子間有一定的過盈量，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)時定子橡膠將受到周期性地壓縮，從而產(chǎn)生摩擦面的溫升和疲勞。摩擦面的溫升往往可達到比介質(zhì)溫度高幾十度，它加速了橡膠分子鏈的重新組合，使彈性模數(shù)減小，從而降低其疲勞特性及金屬和橡膠結(jié)合面上粘結(jié)劑的強度。這個溫升值和壓縮疲勞隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。介質(zhì)的粘度磨蝕條件和定子橡膠的疲勞強度螺桿泵的選擇螺桿泵的選擇泵級數(shù)和定

14、、轉(zhuǎn)子長度的確定泵級數(shù)和定、轉(zhuǎn)子長度的確定 級數(shù)Z可根據(jù)油井實際需要的泵揚程H和單級揚程Hj來確定jHHZ 定子和轉(zhuǎn)子的長度由泵的級數(shù)和襯套的導程來決定。ZTLs螺桿泵的選擇螺桿泵的選擇合理過盈量的確定合理過盈量的確定 定子和轉(zhuǎn)子間的過盈配合1一定子鋼套；2一定子橡膠；3一轉(zhuǎn)子螺桿泵在井下工作時，其總過盈量由初始過盈量o、由熱膨脹產(chǎn)生的過盈量1、以及由于浸油溶脹而產(chǎn)生的過盈量2三部分組成?？傔^盈量a可根據(jù)泵和油井條件估算，1和2可由實驗來確定。這樣，便可確定出初始過盈量o，從而可為設計制造提供依據(jù)。 螺桿泵抽油合理工況參數(shù)分析螺桿泵抽油合理工況參數(shù)分析 螺螺桿桿泵泵系系統(tǒng)統(tǒng)的的合合理理轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速

15、 螺桿泵轉(zhuǎn)速越高，泵效越高。螺桿泵轉(zhuǎn)速越高，泵的舉升壓頭越高。泵的轉(zhuǎn)速越高，泵的理論排量越大。在壓頭相同、排量相同的條件下，高轉(zhuǎn)速時扭矩小。 有利因素不利因素螺桿泵轉(zhuǎn)速提高，增加螺桿泵定轉(zhuǎn)子的磨損。轉(zhuǎn)速越高，定、轉(zhuǎn)子之間的扭矩增加，整個抽油系統(tǒng)的負荷上升。螺桿泵轉(zhuǎn)速大，抽油桿與油管的摩擦力增大，加劇油管、抽油桿的摩損。螺桿泵轉(zhuǎn)速提高，桿管系統(tǒng)受力的疲勞程度增加。地面驅(qū)動裝置受力條件變差，電機功率變大。螺桿泵抽油合理工況參數(shù)分析螺桿泵抽油合理工況參數(shù)分析 螺螺桿桿泵泵系系統(tǒng)統(tǒng)的的合合理理電電機機功功率率 電機驅(qū)動功率應考慮螺桿泵光桿所需實際功率，也就是正常工作時的功率。正常工作時的啟動功率，一般電機的啟動電流是電機正常電流的三倍，為了保證在電機啟動時不燒電機，應留有保險系數(shù)。 螺桿泵停泵，用防反轉(zhuǎn)止動，扭矩不釋放，再啟動電機時，實際是滿載啟動，這時啟動扭矩較大?？紤]上述因素后，電機功率不能取的太小，以免特殊情況時會燒電機。若選擇電機過 大，電機在工作時利用率太低，電機效率低。另外，油井啟抽時多數(shù)泵抽壓差較小，負荷較 小，綜合各種因素考慮，選擇電機功率應是正常工作時功率的1.52倍。 螺桿泵抽油