石油工程-畢業(yè)論文螺桿泵合理轉速研究

石油工程——畢業(yè)論文_螺桿泵合理轉速研究目錄西安石油大學高等繼續(xù)教育畢業(yè)設計（論文）PAGEPAGE55高等繼續(xù)教育畢業(yè)設計（論文）題目_____螺桿泵合理轉速研究_________學生_________________________________聯(lián)系電話_________________________________指導教師_________________________________評閱人_________________________________教學站點_________________________________專業(yè)_________________________________完成日期________________________________摘要螺桿泵采油作為一種重要的機械舉升方法，具有很明顯的特點和優(yōu)勢，其應用數(shù)量與水平正呈明顯的上升趨勢。分析和研究螺桿泵合理轉速范圍，對指導油田實際生產、實現(xiàn)節(jié)能降耗有著重要工程實際意義。本文通過對螺桿泵發(fā)展歷史、國內外應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的調研，在介紹螺桿泵結構及工作原理的基礎上，對螺桿泵工作特性曲線及其特點進行了分析；理論分析了影響螺桿泵泵效和系統(tǒng)效率的主要因素，主要有砂粒、定子與轉子間配合間隙、溫度及轉速；通過給出螺桿泵進出口壓差計算公式和對抽油桿進行了受力分析，給出了確定螺桿泵合理轉速范圍的方法；利用給出的方法，編制了計算機程序，并進行了10口井的現(xiàn)場試驗研究，結果表明本方法有效、可行。在綜合分析理論研究及現(xiàn)場試驗結果的基礎上，提出了一些合理化建議，對延長螺桿泵壽命、指導螺桿泵井生產有一定應用價值。關鍵詞：螺桿泵工作特性曲線轉速泵效系統(tǒng)效率目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 11.1螺桿泵采油的發(fā)展歷史 11.2國內外應用現(xiàn)狀 21.3本文研究的意義及主要內容 3第2章螺桿泵的基本工作原理 52.1螺桿泵的基本工作原理 52.2螺桿泵相關參數(shù) 72.3螺桿泵工作特性曲線 102.4螺桿泵最佳/合理工作區(qū)的選擇 11第3章螺桿泵泵效和系統(tǒng)效率影響因素分析 133.1砂粒的影響 133.2定子與轉子間配合間隙對螺桿泵效率的影響 133.3溫度的影響 183.4轉速的影響 18第4章螺桿泵合理轉速的研究 204.1螺桿泵進出口壓差的計算 204.2抽油桿受力分析 224.3算例 274.4小結及建議 34結論 36參考文獻 37致謝 39附錄一 40附錄二 43第二章螺桿泵的工作原理及其舉升性能第1章概述1.1螺桿泵采油的發(fā)展歷史作為一種新型的機械采油方式——螺桿泵采油核心的螺桿泵已經有了較長的發(fā)展歷史，19世紀20年代中期法國人勒內·莫依諾發(fā)明設計出這種泵，30年代初期，莫依諾原理獲得專利權，很快便有很多公司開始生產螺桿泵[1]。1945年以來，螺桿泵在技術和制造工藝上都做了大量的改進和完善，繼法國之后，美國、前蘇聯(lián)以及加拿大等國家都開展了螺桿泵的研制和應用，50年代中期，莫依諾原理（MoynoTheory）被用于鉆井工業(yè)中，80年代初期，螺桿泵被用作石油工業(yè)中的人工舉升設備，美國的Kois&Myers公司是首批采油螺桿泵的制造商，他們把螺桿泵作為一種代替常規(guī)舉升工藝的替代技術推向市場。我國從80年代中期將螺桿泵引入到油田生產當中，1986年大慶油田從加拿大Griffin公司引進螺桿泵在油田試用，從此，國內廠家便開始了較系統(tǒng)地研制井下采油螺桿泵的工作。目前，井下采油螺桿泵大致可分為以下三種結構形式[2]：一是地面驅動采油螺桿泵，它是井下采油螺桿泵中最簡單的結構形式，也是國內外井下采油螺桿泵采用的主要結構形式，其主要的特點是螺桿泵在井下，而提供動力的裝置在地面之上，二者之間由抽油桿聯(lián)系起來。由于是利用抽油桿傳遞螺桿泵所需要的扭矩，因此在大排量情況下很難實現(xiàn)深井采油。為地面驅動單螺桿泵提供動力的裝置是驅動頭。驅動頭所需的動力主要由電動機或者液壓馬達提供。由電動機作動力的驅動頭，有的采用變頻調速，有的利用膠帶和減速器共同調速，還有的直接利用減速器調速。利用液壓馬達作動力調節(jié)螺桿泵的轉速非常方便。二是電動潛油單螺桿泵，它的最大特點是螺桿泵和驅動其工作的電機都處于地下，因而不需要抽油桿傳遞動力，特別適合于深井、斜井和水平井采油作業(yè)。較早開展這種泵研究工作的是前蘇聯(lián)和法國，近年來，美國等發(fā)達國家也開始重視電動潛油螺桿泵的開發(fā)，并在多砂、高粘深井、定向井、水平井中采用，取得了很好的效果，在某些情況下，電動潛油螺桿泵的使用壽命甚至比電動潛油離心泵高5倍。電動潛油螺桿泵壽命的提高，大大降低了采油成本，使一些原來經濟上無開采價值的油井有了良好的效益。電動潛油螺桿泵由螺桿泵、柔性軸、裝有軸承的密封短節(jié)、齒輪減速器和潛油電動機等組成。三是單螺桿液動機—單螺桿泵裝置，這種裝置將地面動力液送入井下的頂部螺桿襯套副中，以頂部螺桿襯套副作為動力，驅動底部螺桿襯套副旋轉，由底部螺桿襯套副作為泵來實現(xiàn)采油作業(yè)，目前，這種裝置在國外已投入現(xiàn)場應用，但數(shù)量很少。1.2國內外應用現(xiàn)狀在國外應用較普遍的是井下采油單螺桿泵[3-5]，目前井下采油單螺桿泵的最大下井深度已達到2438m，最大排量已達795m3/d，泵的平均凈舉升高度為900m～1550m，排量為80m3/d～160m3/d,在這種情況下泵的系統(tǒng)效率在63%左右，美國一家石油公司曾對螺桿泵采油系統(tǒng)、電動潛油離心泵和有桿泵抽油系統(tǒng)三種采油設備，在水驅采油井中進行同樣條件下的采油試驗，試驗結果表明，三種采油系統(tǒng)的效率分別為63.4%、52.4%、50.4%，其中螺桿泵采油系統(tǒng)的效率最高，此外螺桿泵采油系統(tǒng)的裝備投資費用比另外兩種采油裝備低20%～30%以上，螺桿泵定子的平均壽命為1年～2年，地面驅動部分的壽命在法國PCMPompes公司生產的地面驅動采油單螺桿泵的下井深度達到了2000m，排量為120m3/d美國Robbins&Myers公司生產的螺桿泵曾用于煤層氣井排水作業(yè)。由于水中含有大量的懸浮煤粉和砂，無法應用普通泵，最后選用了螺桿泵。泵的下入深度為800m～900m，平均轉速為338r/min，平均排液量為47m3/d，最大排液量達到了196m3/d。在最初的階段，水中固體顆粒濃度最高，螺桿泵定子的平均壽命仍能達到半年。一年以后，由于水中固體顆粒減少，定子和轉子的平均使用壽命分別達到了1年和1.5年，最長的定轉子使用壽命達4.7加拿大一家石油公司在極稠的油井中應用單螺桿泵采油，井下部分連續(xù)運轉了兩年沒有發(fā)生故障，地面部分五年內不需要檢修[6,7]。螺桿泵的工作壽命主要取決于定子襯套材料的性能，定子材料受到多種因素的影響，如溫度、芳香族化合物、H2S等，因此深入研究不同環(huán)境條件下的定子襯套材料是提高采油螺桿泵性能和工作壽命的關鍵。目前，國外主要研制了4種橡膠材料作為螺桿泵定子襯套副的材料，即丁腈橡膠、超高丙烯腈含量橡膠、氫化丁腈橡膠和含氟橡膠。含氟橡膠能適應較高的溫度，但機械性能不夠好，因此工作壽命不長，在定子橡膠中加入添加劑對減小螺桿—襯套副之間的摩擦很有益處，尤其在高含水含氣井中[8]。轉子的壽命也是影響螺桿泵工作壽命的因素之一。在磨蝕和腐蝕環(huán)境下表面硼化處理的轉子比表面鍍鉻的轉子壽命長得多，試驗已證明，表面硼化處理的轉子壽命是表面鍍鉻轉子的5倍。在原油開采中，螺桿泵采油井有抽油機井不可比擬的優(yōu)點：首先螺桿泵采油的地面設備簡單緊湊、操作安全可靠、管理方便、重量輕占地面積小、一次性投資少；其次由于螺桿泵是螺旋抽油的容積式泵，排量均勻無脈動，軸向流動流速穩(wěn)定，因此沒有液柱和機械傳動的慣性損失，泵內無閥件和復雜的流道，所以水力損失小，故障率低而且泵效高，成為現(xiàn)有機械采油設備中能耗最小、效率較高的機種之一，同時由于能均勻地排液和吸液，溶解氣不易從原油中析出，從而減少了氣體對泵效的影響，不會發(fā)生氣鎖，因此較適合高含氣井；再次螺桿泵是靠橡膠定子和鍍鉻轉子擠壓配合，使進入密封腔的流體隨轉子的轉動從吸入端向排出端移動，而且轉子和定子之間腔室位置的橫截面積和體積都是相同的，腔室移動排油不存在配合間隙和余隙容積問題，不可能發(fā)生砂卡、閥失效、氣鎖等有桿泵常見的故障，所以適合抽汲高粘度和高含砂原油，一般的螺桿泵適合輸送粘度為800mPa·s以下的流體，特殊的螺桿泵能輸送粘度更高的流體。與其他各種采油方式一樣，螺桿泵采油也有它自身的缺點：一是容易出現(xiàn)定子脫膠的問題，定子脫膠的原因是由于高速旋轉摩擦產生大量的熱，使被硫化的橡膠在高溫下老化而與鋼管脫離，這就要求橡膠定子具有良好的耐磨、耐腐蝕和耐熱等物理化學性質，同時，還應具有良好的機械性能；再者螺桿泵的排量低，螺桿泵采油系統(tǒng)的排量隨轉數(shù)的不同而不同。隨著我國各大油田開發(fā)的不斷發(fā)展，油田開發(fā)的難度不斷增加，如大慶油田的原油生產已經進入高含水期，為了確保穩(wěn)產、高產，外國的一些低滲透油田也進入了開發(fā)階段，在這種情況下舉升設備的重要性就日顯突出。螺桿泵以其優(yōu)越的性能在油田生產中的作用越來越顯著，目前，螺桿泵采油作為一種重要的油田舉升方法，其應用數(shù)量與水平正呈明顯的上升趨勢，在今后的石油開采中，以螺桿泵作為舉升工具的采油井數(shù)量還會繼續(xù)增加。前期投產的螺桿泵井需進一步挖掘潛力，提高舉升效率，即將投產的螺桿泵井需優(yōu)選具有較高舉升性能的螺桿泵。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.地而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、二元復合驅和稠油油井上表現(xiàn)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。1.3本文研究的意義及主要內容1.3.1研究意義螺桿泵采油技術具有低成本、低能耗和適應介質能力強的特點，近幾年來規(guī)模不斷擴大。螺桿泵的工作特性，既有柱塞泵硬特性的特點，也有離心泵軟特性的特點。從理論上講，螺桿泵轉速越高，理論排量越大，泵容積效率也越高。但在現(xiàn)場調參中發(fā)現(xiàn)，為了使螺桿泵的沉沒度保持在合理范圍內，對高沉沒度井進行上調參后，達到一定轉速后，隨著轉速的進一步增加，螺桿泵的容積效率呈下降趨勢。如果螺桿泵長期處于高速運轉狀態(tài)，轉子與定子之間的磨損加快，單位長度內的定轉子間的生熱量增大，引起橡膠，定轉子之間的扭矩增加，整個抽油系統(tǒng)的負荷上升。提高轉速的同時，桿管系統(tǒng)受力的疲勞程度也隨之增加，地面驅動裝置受力條件變差，電機實耗功率增加。當轉速低于一定值時，螺桿泵的容積效率很低，揚程不夠，滿足不了生產需要。得出螺桿泵容積效率、系統(tǒng)效率與轉速的合理匹配關系，對指導實際生產有著重要意義。1.3.2研究內容（1）在介紹螺桿泵結構及工作原理的基礎上，對螺桿泵工作特性曲線及其特點進行分析；（2）分析影響螺桿泵泵效和系統(tǒng)效率的主要因素；（3）給出確定螺桿泵合理轉速范圍的方法；（4）利用給出的方法，編制計算機程序，進行現(xiàn)場試驗研究。第2章螺桿泵的基本工作原理2.1螺桿泵的基本工作原理2.1.1螺桿泵的組成目前在國內外應用最為普遍的地面驅動井下單螺桿泵采油系統(tǒng)主要由地面驅動部分、井下泵部分、電控部分、配套工具等四部分組成[9,10]。如圖2-1所示。1-電控箱；2-電機；3-皮帶；4-方卡子；5-減速箱；6-壓力表；7-專用井口；8-抽油桿；9-抽油桿扶正器；10-油管扶正器；11-油管；12-螺桿泵；13-套管.圖2-1螺桿泵采油示意圖（1）地面驅動部分地面驅動裝置（驅動頭）是螺桿泵采油系統(tǒng)的主要地面設備，它是把動力傳遞給井下的螺桿泵轉子，使轉子實現(xiàn)自轉和公轉，實現(xiàn)抽汲原油的機械裝置。從變速形式上分，地面驅動裝置有無級調速和分級調速兩種類型。機械傳動的驅動裝置主要由以下幾部分組成：①減速箱。主要作用是傳遞動力并實現(xiàn)一級減速。它將電機的動力由輸入軸通過齒輪傳遞到輸出軸，輸出軸聯(lián)接變速箱，變速箱除了具有傳遞動力的作用外，還將抽油桿的軸向負荷傳遞到采油樹上。②電機。它是螺桿泵的動力源，將電能轉化為機械能。一般采用防爆型三相異步機。③密封盒。主要作用是防止井液流出，起密封井口的目的。④方卡子。主要作用是將減速箱輸出軸與光桿聯(lián)接起來。（2）井下泵部分井下泵部分主要由抽油桿、接頭、轉子、導向頭和油管、接箍、定子、尾管等組成。為了防止油管、定子脫扣，在尾管下部應安裝油管錨定裝置。定子是由丁腈橡膠硫化粘接在定子管內形成的，轉子由合金鋼調質后，經車銑、剖光、鍍鉻而成。轉子在定子內轉動，實現(xiàn)抽汲功能。（3）電控部分電控箱是螺桿泵井的控制部分，控制電機的啟、停。該裝置能自動顯示、記錄螺桿泵井正常生產時的電流、電壓等，有過載、欠載自動保護功能，確保油井的正常生產。（4）配套工具部分①專用井口。它簡化了采油樹，使用、維修、保養(yǎng)方便，同時增加了井口強度，減小了地面驅動裝置的振動，起到保護光桿和換密封盒時密封井口的作用。②特殊光桿。它強度大、防斷裂、光潔度高，有利于井口密封。③抽油桿防倒轉裝置。防止了抽油桿倒扣。④油管防脫裝置。錨定泵和油管，防止油管脫落。2.1.2螺桿泵采油系統(tǒng)工作原理螺桿泵采油系統(tǒng)工作時，由地面動力設備帶動抽油桿柱旋轉，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉子隨之一起轉動，井液從螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過地面管線輸送至計量站。螺桿泵是靠空腔排油，由于定子比轉子多一條螺旋線，所以在轉子與定子間形成一個個互不連通的封閉腔室，當轉子在定子中旋轉時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端均勻地擠到排出端，同時，又在吸入端重新形成新的低壓空腔將原油吸入，這樣，封閉空腔隨著轉子的旋轉而不斷變換位置，并呈現(xiàn)周期性的重復出現(xiàn)，且轉子沿著自己的軸線旋轉的同時又平行于定子軸線并繞定子軸線沿一定的半徑作圓周滾動，從而將井內的流體由底部密封腔逐級推向頂部密封腔，并逐級提高壓力，這樣，把桿管環(huán)空中的流體連續(xù)不斷的舉升到地面[11,12]。如圖2-2所示，為單螺桿泵定子—轉子副，定子和轉子之間形成一系列的密封腔室，轉子運動時（行星運動），密封腔室在軸線方向沿螺旋線運動，按照旋向，輸送原油。由于轉子是由金屬材料制成，而定子是由彈性材料制成，所以兩者組成的密封腔室很容易在入口管路中獲得較高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在氣、液混輸時也能保持自吸能力。圖2-2螺桿泵定子-轉子副如圖2-3所示，為單螺桿泵采油系統(tǒng)的工作示意圖，圖中為轉子轉動180°過程中，轉子在定子中的位置。連續(xù)輸液的過程，是以連續(xù)不斷地打開和關閉密封腔室而實現(xiàn)的。當定子—轉子副中吸入的第一個密封腔室的容積增加時，在它和吸入端的壓差作用下，油流便進入第一個密封腔室，隨著轉子的轉動，這個密封腔室開始封閉，并向排出端移動。就這樣，油液通過一個又一個的密封腔室從吸入端被推擠到排出端，壓力不斷升高，排量非常均勻，從而形成穩(wěn)定的環(huán)空螺旋流動。因此，螺桿泵抽油井桿管環(huán)空中井液的流動形態(tài)與抽油機井不同，是典型的穩(wěn)定環(huán)空螺旋流動[13]。圖2-3螺桿泵工作示意圖2.2螺桿泵相關參數(shù)2.2.1螺桿泵的工作壓力螺桿泵的工作壓力取決于它的級數(shù)和每級能夠承受（實現(xiàn)可靠密封）的壓力大小。在螺桿泵結構參數(shù)確定的前提下，其級數(shù)取決于其長度，長度越大，級數(shù)越多。而每級能夠承受的壓力大小，則取決于定子和轉子的配合間隙（過盈）。2.2.2螺桿泵的理論排量螺桿泵的理論排量為 (2-1)式中——理論排量，m3/d；——偏心距，m；——轉子截面直徑，m；——定子導程，m；——轉子轉速，r/min.2.2.3螺桿泵的容積效率螺桿泵的容積效率也常稱為螺桿泵的泵效，可由下式計算： (2-2)式中——螺桿泵的實際排量，m3/d.式(2-1)和式(2-2)中偏心距、轉子截面直徑、定子導程都是螺桿泵的結構參數(shù)。結構參數(shù)確定后，螺桿泵的排量就只與轉速和容積效率有關。2.2.4螺桿泵的系統(tǒng)效率螺桿泵的系統(tǒng)效率可由下式計算 (2-3)式中——泵進出口壓差，，其中、分別為泵排出口和吸入口壓力，MPa；——轉子的工作扭矩，N·m.上述系統(tǒng)效率公式中，排出壓力與下泵的深度有關；取決于泵的沉沒度，也與下泵深度有一定的關系；轉子的工作扭矩與定子和轉子的配合間隙（過盈）有關，配合得越緊，摩擦阻力矩越大。2.2.5螺桿泵的水功率螺桿泵的水功率，即在一定的揚程下，將一定排量的井下液體舉升到地面所需要的功率，也稱為螺桿泵的有效功率，有 (2-4)式中——混合液密度，kg/m3；——螺桿泵的實際排量，m3/d；——螺桿泵有效舉升高度，m.其中 (2-5)式中——動液面深度，m；——油壓，MPa；——套壓，MPa；——混合液比重。2.2.6螺桿泵井系統(tǒng)效率我們定義螺桿泵井的系統(tǒng)效率為螺桿泵抽油系統(tǒng)的有效功率（即水功率）與輸入功率的比值，即 (2-6)式中——電動機輸入功率，kW；根據(jù)螺桿泵采油系統(tǒng)工作特點，以盤根盒為界可將其效率分為2部分，即地面效率和井下效率[14] (2-7)式中——地面效率，%；——井下效率，%.（1）地面效率地面部分的能量損失主要發(fā)生在電動機、減速箱和皮帶中，因此有 (2-8)式中——電機效率，%；——減速箱效率，%；——皮帶效率，%.（2）井下效率井下部分的能量損失主要在抽油桿、管柱和螺桿泵中，有 (2-9)式中——抽油桿效率，%；——管柱效率，%；——螺桿泵系統(tǒng)效率，%.因此，可得 (2-10)我們也可以這樣認為：就一般的生產井而言，在正常情況下，地面設備的效率不會太低[15]。大多數(shù)低效井的功率損耗主要在井下，尤其是泵系統(tǒng)效率的損耗。因此，提高全井系統(tǒng)效率的關鍵就在于降低井下的能量損耗，提高井下效率，即提高泵的系統(tǒng)效率，而如何提高全井系統(tǒng)效率的問題也就轉化成如何提高螺桿泵系統(tǒng)效率的問題。2.3螺桿泵工作特性曲線螺桿泵工作特征曲線是反映螺桿泵舉升性能的曲線，也可稱作螺桿泵的外特性曲線，它可以通過在室內檢測試驗裝置上，模擬井下工況而得到。螺桿泵工作特征曲線有三條曲線組成：曲線①：容積效率曲線——容積效率與揚程的關系曲線；曲線②：扭矩曲線——轉子扭矩與揚程的關系曲線；曲線③：系統(tǒng)效率曲線——系統(tǒng)效率與揚程的關系曲線。螺桿泵的三條工作特性曲線如圖2-4所示[16]。①①②③05004003002001000100806040201214161820264810Δp,MPaη,ηv,%M,N·m圖2-4螺桿泵工作特征曲線結論PAGE522.4螺桿泵最佳/合理工作區(qū)的選擇泵的容積效率隨壓力升高而降低，機械效率隨壓力升高而升高。因為在壓力較低時，橡膠密封性能較好，液體漏失量很小，轉子和定子橡膠幾乎直接接觸摩擦，由于橡膠的摩擦系數(shù)較大，摩擦損失也較大，機械效率低；當壓力升高到有一些液體漏失時，容積效率緩慢降低，干摩擦變?yōu)橛袧櫽偷哪Σ?，機械效率升高；當壓力繼續(xù)升高，有大量液體漏失時，容積效率開始大幅度下降，轉子、定子間的摩擦變?yōu)橐后w之間的摩擦，摩擦損失很小，機械效率很高，螺桿泵系統(tǒng)效率的高效區(qū)變寬，它的最高點大約在容積效率曲線的拐彎處附近。在這一區(qū)域，泵開始被“擊穿”，容積效率急劇下降，但還不是大量下降，機械效率己接近達到最大值，所以系統(tǒng)效率最高。如圖2-5的螺桿泵工作特性曲線所示，我們認為當容積效率為60%時，系統(tǒng)效率曲線上A、C兩點分別對應的、之間的區(qū)域為合理工作區(qū)域[17,18]。泵在井下工作時，若工作點落在合理工作區(qū)外的右側，泵的容積效率很低，甚至抽不出油，失去了螺桿泵高效節(jié)能的優(yōu)勢。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場使用時有發(fā)生。另一種情況是，泵的工作點落在合理工作區(qū)外的左側，這時雖然容積效率幾乎為100%，但潤油不充分，機械效率非常低，摩擦損失很大，系統(tǒng)效率也較低，而且易于使泵過早失效。通過調研大量研究資料并經過綜合考慮后，我們認為，合理工作區(qū)內的左側區(qū)域，即B點（理論上系統(tǒng)效率最高點）和A點分別對應、之間的區(qū)域為螺桿泵的最佳工作區(qū)域。泵在這一區(qū)域工作不但效率高，而且壽命長。附錄一中給出了現(xiàn)場中常用的2種泵型（KGLB500-20和GLB800-18）在不同轉速下的工作特性曲線及其合理/最佳工作區(qū)，如附錄一中圖1～圖11所示。100%100%60%0圖2-5螺桿泵最佳/合理工作區(qū)示意圖第3章螺桿泵泵效和系統(tǒng)效率影響因素分析3.1砂粒的影響砂粒的影響包括砂粒的尺寸含量硬度和速度。較大的砂粒，不易通過螺桿泵內的密封線，常常嵌入定子的表面，泵運轉時磨損轉子；高含量的粉細砂以高速度沖擊轉子和定子，在螺桿泵轉子的谷頂磨出較深的溝槽。油井的含沙量對螺桿泵的使用壽命有較大的影響。螺桿泵的摩損于進入到螺桿泵內與轉子定子接觸砂粒的數(shù)量成正比關系。即：在不考慮機械方面的因素時，油井含砂量越大，螺桿泵壽命越短。砂粒的硬度高于轉子表面的硬度時，會將轉子表面的硬質涂層劃傷，從而損壞定子，通常砂粒硬度的增加會加劇螺桿泵的磨損。而且若轉子表面硬質鍍層脫落，特別是在酸性油井中，將加劇螺桿泵的腐蝕。螺桿泵內砂粒的速度對螺桿泵的影響分為兩個方面：可以預測的螺桿泵內部流速和不可以預測的砂粒的速度引起的螺桿泵內流體在空腔與空腔之間的相對滑動。3.2定子與轉子間配合間隙對螺桿泵效率的影響3.2.1結構參數(shù)的誤差螺桿泵結構參數(shù)是指偏心距、轉子直徑和導程。合理選擇這些參數(shù)能夠使螺桿泵定子與轉子具有合適的配合間隙，從而確保螺桿泵具有較好的舉升性能。螺桿泵定子與轉子之間的運動是嚙合運動，為了不發(fā)生干涉現(xiàn)象，實現(xiàn)高效可靠運行，在螺桿泵的加工過程中，必須保證定子與轉子具有較高的型線精度、尺寸精度和表面質量[19]。（1）偏心距的誤差當實際偏心距小于設計偏心距時，定子與轉子之間會出現(xiàn)間隙，相鄰兩個腔室連通，使某一級失去舉升能力；相反，當實際偏心距大于設計偏心距值，會使定子與轉子之間的過盈量很大，甚至會使嚙合運動發(fā)生干涉。因此，偏心距的誤差值應控制在定子與轉子的合理過盈量之內。（2）轉子直徑的誤差轉子直徑如果過小，表現(xiàn)為定子與轉子之間出現(xiàn)空隙，定子與轉子不接觸，相鄰腔室及相鄰兩級連通，失去舉升能力。對于舉升低粘度（小于100mPa·s）介質的螺桿泵，我們一般要求轉子直徑稍大，即實現(xiàn)過盈配合。轉子截面的圓度誤差反映為截圓直徑的不均勻性，具體表現(xiàn)為定子與轉子間在運轉的不同時刻，過盈量有所不同。如果圓度誤差較大，轉子的某個部位因為直徑較小，實現(xiàn)不了過盈配合，那么在運轉的某一時刻某一嚙合點會出現(xiàn)間隙，降低舉升能力；同時，過盈量的不均勻也會導致定子不同部位橡膠的磨損程度不同而降低螺桿泵的壽命，所以轉子截圓圓度是轉子型線精度的主要指標，應盡量提高轉子的截圓圓度。轉子截圓的不圓度（最大直徑與最小直徑之差）應不大于定子與轉子之間的合理過盈量。（3）導程的誤差導程誤差會使定子與轉子的嚙合位置發(fā)生變化，即發(fā)生干涉；同時，定子與轉子的配合也發(fā)生變化，即一邊過盈增加，一邊出現(xiàn)間隙。導程誤差偏大時，即使由于定子橡膠的軟特性使其嚙合運動發(fā)生干涉也能運轉，但要損失很多級的舉升能力，要達到舉升只有靠過盈，但是摩擦扭矩會大大增加，直接導致螺桿泵的效率很低。導程的誤差對螺桿泵的每一級以及整體而言，可用式（3-1）來限定。 (3-1)式中——導程的誤差——導程——過盈量——偏心距3.2.2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，就必須使定子、轉子表面的接觸線保持充分密封，而密封的程度取決于轉子與定子之間的過盈量。因此，過盈量的大小直接影響螺桿泵泵效的高低。圖3-1過盈量對容積效率的影響圖3-1曲線由上到下分別為過盈量為0.80mm、0.60mm和0.40mm。曲線表明不同過盈量下的容積效率的差別很大，因而將嚴重影響泵的系統(tǒng)效率。一方面，過盈量可獲較高的泵效，但是抽油桿的扭矩增加，易出現(xiàn)油管、抽油桿斷脫現(xiàn)象，并且定子橡膠磨損加劇，影響泵的壽命；另一方面，過盈量小雖然不宜出現(xiàn)上述問題，但泵的容積效率過低，將降低螺桿泵的系統(tǒng)效率。因此，要對過盈量進行合理地選擇。所謂合理的過盈量，就是在能夠保證一定的舉升壓力和容積效率的條件下的過盈量值。螺桿泵在結構上是由剛性轉子（一般由各種鋼材、陶瓷等材料制成）與彈性定子（一般由工業(yè)橡膠或塑料等材料制成）相對運動時形成密閉容腔；其工作原理為轉子繞著距定子中心一定偏心值（值）進行類似的行星運動，在此過程中所形成閉合容腔作軸向移動，從而帶動介質從入口處輸送到出口處。螺桿泵定子與轉子之間的運動是嚙合運動，定子與轉子之間的間隙過大，會使螺桿泵相鄰兩級連通，即某一級失去舉升能力；相反，間隙過小或者過盈量過大,會使嚙合運動發(fā)生干涉。螺桿泵定子與轉子之間的過盈值直接影響螺桿泵的工作扭矩、單級工作壓差和輸送介質的漏失量。過盈值越大，螺桿泵的工作扭矩也越大，介質漏失量降低，單級工作壓差就越高；過盈值越小，螺桿泵的工作扭矩越小，單級工作壓差也越低，螺桿泵的揚程越低。螺桿泵在井下工作時的總過盈值主要包括——螺桿泵給定的初始過盈值、由熱膨脹和原油溶脹造成的過盈值。表3-1給出了不同螺桿泵泵型定子與轉子間初始過盈值的推薦值。表3-1不同泵型的初始過盈值泵型初始過盈值(mm)泵型初始過盈值(mm)GLB40-420.15~0.30GLB280-200.21~0.42GLB75-400.15~0.30GLB500-140.21~0.42GLB120-270.20~0.40GLB800-140.24~0.48GLB200-330.25~0.50GLB1200-140.33~0.663.2.3定子橡膠的溶脹、溫脹及磨損螺桿泵工作在油井中，高壓、運轉疲勞、摩擦，流體中含氣，特別是流體中含二氧化碳、硫化氫氣體等對定子橡膠都有影響[20]。（1）定子橡膠的溶脹定子橡膠的溶脹會使螺桿泵定子與轉子之間的間隙變小，過盈量增大，干涉定子與轉子之間的嚙合運動，摩擦扭矩增大，使泵效降低，還會大大降低螺桿泵的使用壽命；另一方面，定子橡膠的溶脹，占據(jù)了空腔體積，使實際儲存油液的空腔體積變小，導致螺桿泵的容積效率降低[21]。下面我們分析一下定子橡膠溶脹導致的螺桿泵的容積效率損失。如圖3-2所示，為定子橡膠溶脹后的螺桿泵定子橫截面。溶脹前設計空腔溶脹前設計空腔溶脹后實際空腔圖3-2定子橫截面圖定子橡膠溶脹面積S及溶脹率W計算公式為 (3-2) (3-3)式中——定子橡膠溶脹面積——定子橡膠溶脹率——定子偏心距——定子導程——轉子半徑——定子內徑——溶脹厚度。根據(jù)螺桿泵的工作原理，定子在一個導程內與轉子形成一個完整的封閉腔室，其體積V為 (3-4)橡膠溶脹體積為 (3-5)則螺桿泵的容積效率損失量η′為 (3-6)因此，應該選用合適的橡膠，提高螺桿泵定子橡膠的耐油氣性能，減小螺桿泵定子橡膠的溶脹量[22]；根據(jù)油井的供液能力合理選擇螺桿泵泵型，使螺桿泵在合理的壓差下工作，以減小螺桿泵的容積效率損失，達到提高螺桿泵舉升性能的目的；在橡膠溶脹率一定的條件下，盡可能地減少螺桿泵定子注膠時的橡膠用量，以減小橡膠溶脹量，提高螺桿泵的容積效率[23]，進而提高螺桿泵的舉升性能。（2）定子橡膠的溫脹及磨損在螺桿泵的工作過程中，螺桿泵的定子與轉子之間存在多個緊密接觸的密封界面，隨著螺桿泵工作壓力的增高，定子橡膠會撐開，密封界面處間隙增大，使螺桿泵的回流量（內泄）增大；當螺桿泵在額定工作壓力以下工作時，定子與轉子接觸得很緊密，使轉子在旋轉時摩擦力很大，導致定子與轉子的密封界面產生大量的摩擦熱，并積聚在泵腔內部，使定子與轉子表面急劇升溫。高溫的地下油液以及摩擦熱的生成，使螺桿泵內過流部件長期處于較高溫度下工作，定子橡膠受熱后產生變形和膨脹，進而加劇了定子和轉子密封界面處的摩擦熱的生成，這種惡性循環(huán)的發(fā)展，必然加速定子內表面橡膠的老化和磨損，降低螺桿泵的使用壽命。在這種情況下，如果采用硬質定子，并保證定子與轉子之間有一較小間隙存在，摩擦熱將不再產生。當然，在設計螺桿泵定子與轉子之間的間隙時，必須保證螺桿泵在額定壓力和轉速下工作時的回流量在規(guī)定的設計指標以下；而硬質定子材料的選擇，必須綜合考慮材料的熱膨脹、摩擦系數(shù)、耐磨性及與輸送介質的相容性。實踐證明，這種設計既可保證間隙的存在，又可保證螺桿泵的自吸和輸送能力[24][25]。3.3溫度的影響溫度的影響對螺桿泵有好的一面，也有壞的一面，不利的因素占的比例大。溫度高，使油流特性變好，結蠟減緩，粘度降低，油流沿程損失降低，使螺桿泵的舉升壓頭降低。但是溫度增高，會使定子橡膠發(fā)生溫脹加快損壞，降低螺桿泵的舉升性能，減少了螺桿泵的使用壽命，溫度越高，定子與轉子之間的摩擦力增加量越大，也使得螺桿泵的系統(tǒng)工況變差。螺桿泵工作時，受環(huán)境溫度的變化因素主要有下面幾個方面：（1）地層。螺桿泵下入深度越深，即下泵深度越大，環(huán)境溫度越高；（2）螺桿泵舉升流體與橡膠摩擦產生大量的熱量。流體與定子橡膠摩擦產生的熱量，會使螺桿泵的定子橡膠急劇升溫，升溫的幅度與螺桿泵抽汲油量、流體的粘度、摩擦力的大小、舉升壓差等多方面的因素有關。（3）油井作業(yè)時，也會使螺桿泵的溫度發(fā)生變化。如注蒸汽，可使螺桿泵定子橡膠的溫度大幅度升高；如注水、泥漿等都會使螺桿泵的溫度下降?？傊?，螺桿泵的定子橡膠溫度受綜合因素的影響。螺桿泵不工作時，允許的溫度偏高，螺桿泵在工作的過程中不允許存在超過定子橡膠的許用溫度。下泵后，螺桿泵定子橡膠的溫度變化是一個重要的因素，不容忽視。3.4轉速的影響從螺桿泵工作特性曲線可以看出，如圖2-4所示，螺桿泵的系統(tǒng)效率隨著舉升高度的增加而升高，當系統(tǒng)效率達到最大時，再增加舉升高度，泵的容積效率和系統(tǒng)效率呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢。為此，為保持較高的系統(tǒng)效率，下泵深度應維持在合理范圍。對于新井、電轉螺井或抽轉螺井而言，投產前合理的下泵深度設計尤為重要。另一方面，對于已經處在生產狀態(tài)中的螺桿泵井來說，在螺桿泵結構參數(shù)（包括導程、轉子直徑、偏心距、過盈量）、定子橡膠確定的條件下，以及生產過程中井下條件、生產設備基本一定的條件下，螺桿泵工作參數(shù)的調整，即轉速的調整就成為影響螺桿泵容積效率和系統(tǒng)效率的最主要因素。螺桿泵轉子的轉速大小直接影響螺桿泵的舉升效率和螺桿泵的壽命。螺桿泵的轉速過低，將會發(fā)生卡泵現(xiàn)象；反過來，轉速過高，會使螺桿泵抽空。由螺桿泵理論排量計算公式（2-1）可知，在螺桿泵結構參數(shù)，，確定下來后，排量只與轉速成正比。因此，理論上，要實現(xiàn)較大的排量只要提高轉子的轉速。然而，轉速的調整不但會影響排量的變化，同時也會影響到沉沒度的變化，進而影響螺桿泵的有效舉升高度，影響泵的系統(tǒng)效率及全井系統(tǒng)效率。有的文獻研究認為螺桿泵井合理沉沒度一般低于400m[26]；有的認為合理沉沒度應控制在200m-300m[27,28]；有的認為沉沒度應控制在200m-500m[29]；也有的認為沉沒度應控制在200m～400m[30]。綜合以上文獻的研究成果，結合現(xiàn)場實際生產數(shù)據(jù)，我們認為，螺桿泵井沉沒度在200m～第4章螺桿泵合理轉速的研究4.1螺桿泵進出口壓差的計算根據(jù)螺桿泵的工作原理，泵進出口壓差的確定可用如下的計算公式： (4-1)式中——油管與抽油桿所形成的環(huán)空中流體的平均密度，kg/m3；——油管與套管所形成的環(huán)空中流體的平均密度，kg/m3；——泵出口至井口的距離，m；——沉沒度，m；——井口套壓，Pa；——井口油壓，Pa；——泵出口至井口流體流動的摩擦阻力損失，Pa.由于螺桿泵的工作方式是靠電機以膠帶傳動或直接傳動兩種方式驅動抽油桿和轉子旋轉，將原油舉升到地面，因此，可以把沿程摩阻損失看成由原油沿泵以上的油管和抽油桿的環(huán)形空間向上流動的沿程水頭損失和局部水頭損失之和、抽油桿在原油中轉動時產生的粘性阻力、轉子在定子中轉動時所造成的摩擦損失所組成。由水力學知識，沿程水頭損失為 (4-2) (4-3) (4-4) (4-5)式中——泵的實際排量，m3/s；——流體的平均粘度，Pa·s；——油的粘度，Pa·s；——水的粘度，Pa·s；——局部阻力系數(shù)；——抽油桿接箍個數(shù)。則 (4-6)其中，為當量直徑，m；式中——油管與抽油桿所形成的環(huán)空中流體密度，kg/m3；——抽油桿的直徑，m；——油管的直徑，m.根據(jù)流體力學知識，作用在抽油桿上的轉動阻力矩為 (4-7)式中——抽油桿的角速度，rad/s.克服該阻力矩消耗的功為 (4-8)該功率等效的液柱舉升高度為 (4-9)則 (4-10)泵內摩阻力矩=1.5（N·m），由此得 (4-11)則 (4-12)4.2抽油桿受力分析4.2.1抽油桿所受軸向力螺桿泵抽油井工作過程中，管柱受力狀況與抽油機井不同，由于螺桿泵連續(xù)穩(wěn)定地抽汲原油，管柱不承受交變的液柱載荷。抽油桿所受的軸向力有5種：抽油桿的重力、抽油桿在井液中的浮力、螺桿泵進出口壓力差作用在轉子上的軸向力、井液向上流動對抽油桿產生的摩擦力及溫度效應所引起的軸向力。根據(jù)抽油桿受力時的力學特點,在建立模型時假設：抽油桿在井下為剛性桿柱并且在抽油桿截取的微單元體上，線密度及截面積相同。則抽油桿柱所受的軸向力為： (4-13)式中——抽油桿自重，N；——流體壓力作用在轉子上的軸向力，N；——抽油桿浮力，N；——采出液流動時對抽油桿的軸向摩擦力，N.（1）抽油桿柱的自身重量 (4-14)式中——桿柱頂部載荷，N；——抽油桿線密度，kg/m3；——抽油桿柱長度，m；——抽油桿柱半徑，m.（2）流體壓力作用在轉子上的軸向力，即泵壓頭作用在螺桿泵的轉子上對抽油桿柱產生的軸向力 (4-15)式中——流體壓力作用在轉子上的軸向力，N；——螺桿泵的偏心矩，m；——螺桿泵的轉子截面半徑，m；——螺桿泵進出口壓差，Pa.（3）抽油桿在井液中的浮力 (4-16)式中——抽油桿所受的浮力，N；——第1段每米抽油桿同體積的井液的重量，N/m；（4）流體向上流動對抽油桿向上的摩擦力 (4-17)其中 ， 式中——桿柱摩擦載荷，N；——流體的粘度，Pa·s；；——流體的平均流速，m/s.4.2.2抽油桿負載扭矩地面驅動的單螺桿泵抽油井是由地面動力驅動抽油桿帶動其轉子在定子內旋轉，從而將原油從井下舉升到地面的抽油設備。地面驅動螺桿泵抽油井在正常工作時，原動機通過抽油桿柱帶動螺桿泵旋轉，抽油桿柱受到五種扭矩的作用：抽油桿柱與井液的摩擦扭矩、轉子的有功扭矩、抽油桿柱與油管間的摩擦扭矩、定子與轉子間的摩擦扭矩及抽油桿的慣性扭矩，總的扭矩可表示為： (4-18)式中——轉子的有功扭矩，N·m；——定子與轉子間的摩擦扭矩，N·m；——抽油桿柱與井液的摩擦扭矩，N·m.（1）轉子的有功扭矩螺桿泵工作時通過螺桿－襯套副的作用，將轉子的機械能轉化成流體的壓能，每轉的能量轉化關系為： (4-19) (4-20)式中——轉子轉動一周的理論排量，m3；——螺桿泵吸入端與排出端流體壓差，Pa；——轉速，r/min；——泵的體積流量，m3/d.（2）定子與轉子間的摩擦扭矩單螺桿泵在井底工作時，轉子在定子內轉動，螺桿泵定子與轉子間存在過盈配合，所以定轉子間存在著摩擦，定子對轉子施加摩擦扭矩的作用，其扭矩可表示為： (4-21)式中——定子與轉子間的初始過盈產生的摩擦扭矩，N·m；——由定子熱脹而產生的摩擦矩，N·m；——由定子溶脹而產生的摩擦扭矩，N·m.為了使螺桿泵能夠正常工作，就必須使定子和轉子間的空腔保持良好的密封性，即必須有一定的過盈量，原因是：①受加工工藝技術的限制，不能保證定子和轉子具有完全理想的幾何形狀；②定子橡膠是彈性體，在一定壓差下會發(fā)生彈性變形和漏失；③由于轉子在運轉時會產生慣性力和液壓徑向力，這兩個力的合力將使轉子在合力的方向上壓縮定子橡膠而產生位移，從而使定子和轉子間的另一側產生間隙。螺桿泵的單級工作壓差主要是靠定子和轉子間的過盈量來實現(xiàn)的[29]，過盈量越大，單級工作壓差就越大，轉子的扭矩也就越大；過盈量越小，單級工作壓差就越小，滿足不了油井舉升的需要，因此，定子和轉子之間摩擦扭矩主要是由定子與轉子間的過盈量來決定的。通過對轉子與定子初始過盈量不同的螺桿泵的試驗，發(fā)現(xiàn)泵的初始摩擦扭矩與初始過盈量成正比，而與轉子的轉速成反比。對試驗數(shù)據(jù)進行回歸，得與、的關系式為：· (4-22)式中——轉子與定子初始過盈所產生的摩擦扭矩，N·m；——泵定子與轉子初始過盈值，mm；——轉速，r/min.定子與轉子間由于熱脹產生的摩擦扭矩為： (4-23)式中——定子橡膠的彈性模量，N/m；——襯套橡膠在井下因熱脹而增加的過盈量，m；——定子與轉子間的摩擦系數(shù)；——轉子截面半徑，m.螺桿泵定子和轉子由于井下橡膠熱脹所產生的摩擦扭矩，與橡膠的彈性和橡膠徑向熱脹量的乘積成正比，根據(jù)橡膠特性，當溫度升高時，定子橡膠硬度減小，橡膠的彈性模量減小，但溫度升高橡膠徑向熱脹量增大，這兩個變量綜合作用的結果使摩擦扭矩基本沒有變化。泵定子橡膠溶脹所產生的摩擦扭矩，在井下高溫高壓條件下原油使橡膠產生溶脹，油浸后泵的摩擦扭矩增加比較顯著。摩擦扭矩增加的原因有兩個：一是油浸介質中的輕質成分在高溫高壓條件下滲透到橡膠內部，使橡膠體積膨脹，增大了轉子和定子間的過盈值；二是油浸后橡膠的硬度增大，即可從油浸前的邵硬度65增加到油浸后的邵硬度70，定子的彈性模量也增加，泵的摩擦扭矩也隨著增大。此外，增大的扭矩還與泵轉速有關，認為當泵轉速從50r/min增加到250r/min時，油浸后的摩擦扭矩增量從45.5N·m增加到48N·m，取其平均值為47N·m。則克服泵內摩擦阻力所需的扭矩為： (4-24)（3）抽油桿柱在井液中旋轉所受摩擦力矩地面驅動螺桿泵工作時，地面驅動頭通過抽油桿柱帶動井下螺桿泵旋轉，抽油桿柱將會受到環(huán)空管道內油液的摩擦阻力矩的作用，假設抽油桿柱為等直徑，流體為牛頓流體，則抽油桿柱所受流體摩擦阻力矩為： (4-25)式中——流體平均粘度，Pa·s；——抽油桿半徑，m；——油管內半徑，m；——抽油桿長度，m.4.2.3抽油桿強度校核與設計分析在滿足強度極限的條件下，盡量選擇小直徑的抽油桿。根據(jù)受力分析，強度校核公式為： (4-26) (4-27) (4-28) (4-29)對于實心抽油桿抗扭結面模量； (4-30)對于空心抽油桿抗扭結面模量； (4-31) (4-32)式中——復合應力，MPa；——拉應力，MPa；——剪應力，MPa；——抗扭截面模量；——許用應力，MPa；——抽油桿截面積，mm2；——安全系數(shù)；——抽油桿屈服極限強度，MPa；——抽油桿內直徑，m.4.3算例根據(jù)上述研究分析，確定螺桿泵合理轉速范圍的步驟為：（1）在已知某型螺桿泵及井的相關參數(shù)的條件下，計算當前轉速下該泵型螺桿泵進出口壓差并對抽油桿進行受力分析；（2）根據(jù)該泵型螺桿泵在當前轉速下的工作特性曲線，判斷當前泵的工作點所處區(qū)域，如圖4-1所示；（3）結合考慮下泵深度、當前沉沒度，給出轉速調整方案；（4）如有必要，再重復步驟（1）～步驟（2），確定該螺桿泵合理轉速范圍。4.3.1算例1下面，針對GLB800-18型螺桿泵，給出其在B1-321-53井中的合理轉速。為簡便快捷地計算出泵進出口壓差，根據(jù)前面所述方法，編制了相應的計算程序。輸入相關參數(shù)后，調參前的結果如圖4-1所示：圖4-1調參前（n=98r/min）程序計算結果截圖GLB800-18型螺桿泵在不同轉速下的工作特性曲線參見附錄一中圖6～圖11所示。由圖4-1可知，泵的進出口壓差計算結果為2.844MPa，并結合圖2-5和附錄一中圖6分析后可以看出，理論上，此泵目前的工作點已經位于最佳工作區(qū)內，泵效及系統(tǒng)效率均較高，且經過計算校核后抽油桿安全系數(shù)為6.4，高于通常所要求的安全系數(shù)一般為3左右的最低標準。但是，可以看到，該井沉沒度較高，達到了614m，說明目前該井供液能力較強，且目前泵的進出口壓差2.844MPa與工作特性曲線理論上的泵系統(tǒng)效率最高點所對應的壓差3.9MPa相比還有一些差距，因此，決定對該井進行上調參，即增加泵的轉速，以期適當降低沉沒度、提高井的系統(tǒng)效率。將該井轉速從98r/min增加到117r/min。待生產穩(wěn)定后，輸入相關參數(shù)，調參后的計算結果如圖4-2所示：圖4-2調參后（n=117r/min）程序計算結果截圖由圖4-2可知，調參后泵的進出口壓差計算結果為3.663MPa，并結合圖2-5和附錄一中圖6分析后可以看出，理論上，此泵目前的工作點也位于最佳工作區(qū)內，并且與調參前相比更接近理論上泵系統(tǒng)效率最高點，經過計算校核后抽油桿的安全系數(shù)為5.4，也高于通常所要求的安全系數(shù)一般為3左右的最低標準。GLB800-18型螺桿泵及B1-321-53井相關參數(shù)調參前后對比可參見附錄二中表1～表2所示。從這兩表中也可以看到，調參后該井沉沒度從614m降到了519.4m，距離3.3節(jié)中提到的合理沉沒度范圍200m～400m也更近了一步，雖然泵效從58%降到了48%，但是產液量從64t/d增加到了65t/d，而且符合理論上螺桿泵工作特性曲線中容積效率曲線隨壓差增加而降低的趨勢特點，如圖2-4及附錄一中圖8～圖9所示。值得注意的是，調參后井的系統(tǒng)效率從13.7%增加到了24.2%，效果明顯。因此，我們認為，對于GLB800-18型螺桿泵，其在B1-321-53井中的最合理轉速為117r/min。4.3.2算例2下面，繼續(xù)針對GLB800-18型螺桿泵，給出其在Z61-16井中的合理轉速。輸入相關參數(shù)后，調參前的結果如圖4-3所示：圖4-3調參前（n=122r/min）程序計算結果截圖GLB800-18型螺桿泵在不同轉速下的工作特性曲線參見附錄一中圖6～圖11所示。由圖4-3可知，泵的進出口壓差計算結果為5.665MPa，并結合圖2-5和附錄一中圖6分析后可以看出，理論上，此泵目前的工作點位于合理工作區(qū)內的偏右區(qū)域，經過計算校核后抽油桿安全系數(shù)為4，高于通常所要求的安全系數(shù)一般為3左右的最低標準。但是，可以看到，該井沉沒度較低，達到了187.2m，說明目前該井供液能力并不強，且目前泵的進出口壓差5.665MPa與工作特性曲線理論上的泵系統(tǒng)效率最高點所對應的壓差3.9MPa相比還有一定的差距，因此，決定對該井進行下調參，即減小泵的轉速，以期適當增加沉沒度、提高泵效和系統(tǒng)效率。將該井轉速從122r/min減小到103r/min。待生產穩(wěn)定后，輸入相關參數(shù)，調參后的計算結果如圖4-4所示：圖4-4調參后（n=103r/min）程序計算結果截圖由圖4-4可知，調參后泵的進出口壓差計算結果為4.508MPa，并結合圖2-5和附錄一中圖6分析后可以看出，理論上，此泵目前的工作點位于合理工作區(qū)內右側區(qū)域，但與調參前相比更接近理論上泵系統(tǒng)效率最高點，經過計算校核后抽油桿的安全系數(shù)為4.8，也高于通常所要求的安全系數(shù)一般為3左右的最低標準。GLB800-18型螺桿泵及Z61-16井相關參數(shù)調參前后對比可參見附錄二中表3～表4所示。從這兩表中也可以看到，調參后該井沉沒度從187.2m增加到了319.8m，落在3.3節(jié)中提到的合理沉沒度范圍200m～400m之內；泵效從61.6%增加到了71.1%，但是產液量僅從84t/d降到了82t/d，變化并不大，且符合理論上螺桿泵工作特性曲線中容積效率曲線隨壓差減小而增加的趨勢特點，如圖2-4及附錄一中圖8～圖9所示。調參后井的系統(tǒng)效率從27.2%提高到了29.5%。利用上述方法總共進行了10口井的現(xiàn)場試驗研究，各井調參前后主要參數(shù)對比如表4-1～表4-2所示。表4-1GLB800-18螺桿泵5口現(xiàn)場試驗井調參前后主要參數(shù)對比井號B1-321-53B1-321-54ZD7-7B1-311-70Z61-16下泵深度(m)862.1836.5879.3851.9775.6轉速(r/min)調參前98998080122調參后11711910367103動液面(m)調參前248.1284.3332.3554.9588.4調參后342.7362.7415.9602.4455.8沉沒度(m)調參前614.0552.2547.0297.0187.2調參后519.4473.8463.4249.5319.8產液量(t/d)調參前6468424384調參后6569544182容積效率(%)調參前58.061.6調參后48.050.9系統(tǒng)效率(%)調參前13.79.1616.029.227.2調參后24.218.1544.424.329.5泵進出口壓差(MPa)調參前2.843.263.803.925.67調參后3.663.944.093.544.51最佳工作區(qū)范圍(MPa)調參前0.8～4.00.8～4.00.8～3.90.8～3.90.9～4.4調參后0.9～4.40.9～4.40.8～4.00.7～3.80.8～4.0合理工作區(qū)范圍(MPa)調參前0.8～7.10.8～7.10.8～6.40.8～6.40.8～7.4調參后0.8～7.40.8～7.40.8～7.10.8～6.30.8～7.1表4-2KGLB500-20螺桿泵5口現(xiàn)場試驗井調參前后主要參數(shù)對比井號Z32-S501Z340-CS1G158-41B1-321-49C921-S316下泵深度(m)869.4897.4947.4828.5849.9轉速(r/min)調參前6780807960調參后901031039380動液面(m)調參前250.1332.1170.6260.6237.9調參后314.5502.4340.0361.6337.7沉沒度(m)調參前619.3565.3776.8568.0612.0調參后549.6394.9607.4467.0512.3產液量(t/d)調參前2039353525調參后3044373930容積效率(%)調參前42.069.566.262.349.7調參后47.260.948.758.940.7系統(tǒng)效率(%)調參前13.1018.076.4022.4512.64調參后17.5028.139.5015.289.06泵進出口壓差(MPa)調參前3.562.522.333.082.95調參后2.953.023.793.893.84最佳工作區(qū)范圍(MPa)調參前1.0～3.01.0～3.01.0～3.01.0～3.01.0～3.0調參后1.0～3.21.0～3.21.0～3.21.0～3.21.0～3.0合理工作區(qū)范圍(MPa)調參前1.0～4.41.0～4.41.0～4.41.0～4.41.0～4.4調參后1.0～4.41.0～4.41.0～5.41.0～5.41.0～4.4從表4-1和表4-2中可以看出，B1-321-53井、B1-321-54井、ZD7-7井、Z340-CS1井和G158-41井這5口井共同的特點是調參后與調參前相比轉速增加，沉沒度下降，泵效下降，但系統(tǒng)效率升高較為明顯。共同的原因在于，經過計算，調參前，泵的工作點落在了泵工作特性曲線中系統(tǒng)效率最高點左側的最佳工作區(qū)內，但距離系統(tǒng)效率最高點較遠；而調參后，泵的工作點向右側有所移動，更加靠近系統(tǒng)效率最高點，如圖2-5所示，這一趨勢引起的泵效和系統(tǒng)效率變化與工作特性曲線中該區(qū)域內泵效與系統(tǒng)效率隨壓差變化而變化的趨勢是相符的。B1-311-70井調參后與調參前相比轉速減小，沉沒度下降，泵效升高，但系統(tǒng)效率有所下降；Z61-16井調參后與調參前相比轉速減小，沉沒度增大，泵效升高，系統(tǒng)效率升高；Z32-S501井調參后與調參前相比轉速增加，沉沒度下降，但泵效與系統(tǒng)效率均升高。以上3口井調參前后變化的原因也可以通過泵工作特性曲線給出合理的解釋。值得注意的是，從表4-2中B1-321-49井調參前后的數(shù)據(jù)對比可以看出，轉速從79r/min增加到93r/min后，泵效反而從63.2%下降到58.9%，全井系統(tǒng)效率從22.45%下降到15.28%，但產液量卻從35t/d上升到39t/d，沉沒度從568.0m下降到467.0m。相似地，從表4-2中C921-S316井調參前后的數(shù)據(jù)對比也可以看出，轉速從60r/min增加到80r/min后，泵效反而從49.7%下降到40.7%，全井系統(tǒng)效率從12.64%下降到9.06%，但產液量卻從25t/d上升到30t/d，沉沒度從612.0m下降到512.3m。這兩口井增加轉速后，泵效、系統(tǒng)效率反而都下降了，這是什么原因呢？這是因為：計算泵進出口壓差后再結合該泵的工作特性曲線，如附錄一中圖1～圖2所示，該泵在調參之前轉速下工作點已經落在最佳工作區(qū)內系統(tǒng)效率最高點左側的區(qū)域且距離系統(tǒng)效率最高點非常接近，而增加轉速后，該泵在調參之后轉速下工作點卻落在了合理工作區(qū)內系統(tǒng)效率最高點偏右的區(qū)域且距離系統(tǒng)效率最高點較調參之前遠，因此在工作特性曲線上表示為泵效、系統(tǒng)效率均下降。4.4小結及建議綜合以上的分析研究，可以看出，轉速與螺桿泵容積效率、系統(tǒng)效率的關系非常復雜，并非單純的正比或反比關系甚至通用公式可以描述。為了提高螺桿泵泵效或系統(tǒng)效率，有時一味地增加螺桿泵轉速并不能達到目的，并且往往“事與愿違”。這就要求我們應該在深入了解螺桿泵基本工作原理的基礎上，根據(jù)螺桿泵工作特性曲線來判斷當前泵工作點所處區(qū)域，再結合具體情況進行增加或減小轉速的調整。同時，通過上面的現(xiàn)場試驗，我們還可以得出以下一些規(guī)律：（1）根據(jù)螺桿泵特性曲線的規(guī)律，經計算，如果泵的工作點落在合理工作區(qū)外的左側或者雖然落在最佳工作區(qū)內偏左的區(qū)域，但沉沒度較高，在500m以上，且當前泵的轉速較低（60r/min～100r/min），則可適當增加轉速以提高系統(tǒng)效率，但同時泵效會有所下降，但產液量會有所增加，則沉沒度會降低，趨向合理沉沒度區(qū)。對這樣的情況來說，具體調整轉速的規(guī)律為：若此時沉沒度在500m～700m，轉速增加20r/min左右較為合適，若沉沒度在700m以上，則轉速可增加得更高一些，但轉速調整最高不要超過122r/min，否則桿斷的可能性大大增加。（2）根據(jù)螺桿泵特性曲線的規(guī)律，經計算，如果泵的工作點落在合理工作區(qū)外的右側或者落在合理工作區(qū)內偏右的區(qū)域，但沉沒度較低，在250m以內，且當前泵的轉速較高（在100r/min以上），則可適當減小轉速以提高系統(tǒng)效率，同時泵效也會有所提高，但產液量會有所降低，則沉沒度會增加，趨于更合理。對這樣的情況來說，具體調整轉速的規(guī)律為：若此時沉沒度在100m～250m，轉速減小20r/min左右較為合適，若沉沒度在100m以下，則轉速可減小得更大一些。（3）根據(jù)螺桿泵特性曲線的規(guī)律，經計算，如果泵的工作點已經落在靠近理論上泵系統(tǒng)效率曲線最高點的區(qū)域內尤其是最佳工作區(qū)內偏右的區(qū)域，則我們可以認為目前該泵的轉速就是最佳的。建議：（1）螺桿泵井生產時，如果井下泵的下泵深度已經接近或超過該型泵的理論揚程，則最好采用中低轉速（60r/min～100r/min），以盡量降低井下的能量損耗，有利于延長泵的壽命。（2）螺桿泵井生產時，保證在中低轉速下（60r/min～100r/min）、沉沒度處于200m～400m這個合理的范圍內，有利于延長泵的壽命。（3）不是所有情況下增加螺桿泵轉速都能達到增加泵效或系統(tǒng)效率的目的，應該經過計算，再根據(jù)螺桿泵工作特性曲線，并結合實際情況，具體問題具體分析、處理。第三章螺桿泵舉升性能影響因素分析結論（1）介紹了螺桿泵的結構和工作原理，并對螺桿泵工作特性曲線及其特點進行了分析；（2）分析了影響螺桿泵泵效和系統(tǒng)效率的主要因素，主要有砂粒、定子與轉子間配合間隙、溫度及轉速；（3）給出了確定螺桿泵合理轉速范圍的方法；（4）利用給出的方法，編制了計算機程序，并進行了10口井的現(xiàn)場試驗研究，結果表明本方法有效、可行。（5）在綜合分析理論研究及現(xiàn)場試驗結果的基礎上，提出了一些合理化建議，對延長螺桿泵壽命、指導螺桿泵井生產有一定應用價值。參考文獻韓修廷，王秀玲，焦振強．螺桿泵采油原理及應用[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998：1-63．張建偉．井下采油單螺桿泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．石油機械，2000，28(8)：56-58．R.A.R.Mills.Progressingcavityoilwellpump–past,presentandfuture[J].TheJournalofCanadianPetroleumTechnology,1994,33(4):5-6.R.C.Chachula,D.G.Anderson.Slimhole,High-volume,PCPumpDevelopmentFor140mmCasedWellApplication[J].SPE30270,1995.F.L.James,W.W.HeraldandE.S.Robert.Fourteennewsystemsforbeam,progressing–cavity,plunger–liftpumpingandgaslift[J].Worldoil,2002,223(4):45-54.S.T.Klein.TheProgressingCavityPumpinCoalbedMethaneExtraction[J].SPE23454,1991.D.W.Wright,R.L.Adair.ProgressiveCavityPumpsDeliverHighestMechanicalEfficiency/LowestOperatingCostinMaturePermainBasinWaterflood[J].SPE25417,S.Klein.Advancesexpandapplicationorprogressivecavitypumps[J].TheAmericanOil&GasReporter,1995,38(6):83-85.萬幫烈．單螺桿式水力機械[M]．東營：石油大學出版社，1993：100-108．何存興．液壓元件[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1980：90-95．周連考，龔紹海，趙繼生．單螺桿泵的設計與試驗研究[J]．水泵技術．1999，3：19-25．BourkeJD.PCPStudyFocusesOnArtificialLiftApplication[J].PetroleumEngineerInternational,1993,(9):139-141.K.E.Brown.升舉法采油技術Ⅰ、Ⅱ[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1987：70-73．呂彥平，吳曉東，李遠超等．螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型以應用[J]．石油鉆采工藝，2006，28(1)：34-35．張志遠,古小紅,王麗麗．提高抽油機井系統(tǒng)效率的方法[J]．斷塊油氣田．2000，7(4)：12-13．齊振林，劉和，曹剛，魯明延等．螺桿泵采油技術問答[M]．北京：石油工業(yè)出版社