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石油工程——畢業(yè)論文_螺桿泵合理轉(zhuǎn)速研究目錄西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGEPAGE55高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目_____螺桿泵合理轉(zhuǎn)速研究_________學(xué)生_________________________________聯(lián)系電話_________________________________指導(dǎo)教師_________________________________評(píng)閱人_________________________________教學(xué)站點(diǎn)_________________________________專業(yè)_________________________________完成日期________________________________摘要螺桿泵采油作為一種重要的機(jī)械舉升方法,具有很明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用數(shù)量與水平正呈明顯的上升趨勢(shì)。分析和研究螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍,對(duì)指導(dǎo)油田實(shí)際生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗有著重要工程實(shí)際意義。本文通過(guò)對(duì)螺桿泵發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的調(diào)研,在介紹螺桿泵結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,對(duì)螺桿泵工作特性曲線及其特點(diǎn)進(jìn)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(zhuǎn)子間配合間隙、溫度及轉(zhuǎn)速;通過(guò)給出螺桿泵進(jìn)出口壓差計(jì)算公式和對(duì)抽油桿進(jìn)行了受力分析,給出了確定螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍的方法;利用給出的方法,編制了計(jì)算機(jī)程序,并進(jìn)行了10口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明本方法有效、可行。在綜合分析理論研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了一些合理化建議,對(duì)延長(zhǎng)螺桿泵壽命、指導(dǎo)螺桿泵井生產(chǎn)有一定應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:螺桿泵工作特性曲線轉(zhuǎn)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 21.3本文研究的意義及主要內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)子間配合間隙對(duì)螺桿泵效率的影響 133.3溫度的影響 183.4轉(zhuǎn)速的影響 18第4章螺桿泵合理轉(zhuǎn)速的研究 204.1螺桿泵進(jìn)出口壓差的計(jì)算 204.2抽油桿受力分析 224.3算例 274.4小結(jié)及建議 34結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 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(jī)械采油方式——螺桿泵采油核心的螺桿泵已經(jīng)有了較長(zhǎng)的發(fā)展歷史,19世紀(jì)20年代中期法國(guó)人勒內(nèi)·莫依諾發(fā)明設(shè)計(jì)出這種泵,30年代初期,莫依諾原理獲得專利權(quán),很快便有很多公司開(kāi)始生產(chǎn)螺桿泵[1]。1945年以來(lái),螺桿泵在技術(shù)和制造工藝上都做了大量的改進(jìn)和完善,繼法國(guó)之后,美國(guó)、前蘇聯(lián)以及加拿大等國(guó)家都開(kāi)展了螺桿泵的研制和應(yīng)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(shè)備,美國(guó)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(shù)推向市場(chǎng)。我國(guó)從80年代中期將螺桿泵引入到油田生產(chǎn)當(dāng)中,1986年大慶油田從加拿大Griffin公司引進(jìn)螺桿泵在油田試用,從此,國(guó)內(nèi)廠家便開(kāi)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(jié)構(gòu)形式[2]:一是地面驅(qū)動(dòng)采油螺桿泵,它是井下采油螺桿泵中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式,也是國(guó)內(nèi)外井下采油螺桿泵采用的主要結(jié)構(gòu)形式,其主要的特點(diǎn)是螺桿泵在井下,而提供動(dòng)力的裝置在地面之上,二者之間由抽油桿聯(lián)系起來(lái)。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(shí)現(xiàn)深井采油。為地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵提供動(dòng)力的裝置是驅(qū)動(dòng)頭。驅(qū)動(dòng)頭所需的動(dòng)力主要由電動(dòng)機(jī)或者液壓馬達(dá)提供。由電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)頭,有的采用變頻調(diào)速,有的利用膠帶和減速器共同調(diào)速,還有的直接利用減速器調(diào)速。利用液壓馬達(dá)作動(dòng)力調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速非常方便。二是電動(dòng)潛油單螺桿泵,它的最大特點(diǎn)是螺桿泵和驅(qū)動(dòng)其工作的電機(jī)都處于地下,因而不需要抽油桿傳遞動(dòng)力,特別適合于深井、斜井和水平井采油作業(yè)。較早開(kāi)展這種泵研究工作的是前蘇聯(lián)和法國(guó),近年來(lái),美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)始重視電動(dòng)潛油螺桿泵的開(kāi)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(dòng)潛油螺桿泵的使用壽命甚至比電動(dòng)潛油離心泵高5倍。電動(dòng)潛油螺桿泵壽命的提高,大大降低了采油成本,使一些原來(lái)經(jīng)濟(jì)上無(wú)開(kāi)采價(jià)值的油井有了良好的效益。電動(dòng)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(dòng)機(jī)等組成。三是單螺桿液動(dòng)機(jī)—單螺桿泵裝置,這種裝置將地面動(dòng)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(dòng)力,驅(qū)動(dòng)底部螺桿襯套副旋轉(zhuǎn),由底部螺桿襯套副作為泵來(lái)實(shí)現(xiàn)采油作業(yè),目前,這種裝置在國(guó)外已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,但數(shù)量很少。1.2國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀在國(guó)外應(yīng)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(dá)到2438m,最大排量已達(dá)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(guó)一家石油公司曾對(duì)螺桿泵采油系統(tǒng)、電動(dòng)潛油離心泵和有桿泵抽油系統(tǒng)三種采油設(shè)備,在水驅(qū)采油井中進(jìn)行同樣條件下的采油試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)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(fèi)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(qū)動(dòng)部分的壽命在法國(guó)PCMPompes公司生產(chǎn)的地面驅(qū)動(dòng)采油單螺桿泵的下井深度達(dá)到了2000m,排量為120m3/d美國(guó)Robbins&Myers公司生產(chǎn)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(wú)法應(yīng)用普通泵,最后選用了螺桿泵。泵的下入深度為800m~900m,平均轉(zhuǎn)速為338r/min,平均排液量為47m3/d,最大排液量達(dá)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(dá)到半年。一年以后,由于水中固體顆粒減少,定子和轉(zhuǎn)子的平均使用壽命分別達(dá)到了1年和1.5年,最長(zhǎng)的定轉(zhuǎn)子使用壽命達(dá)4.7加拿大一家石油公司在極稠的油井中應(yīng)用單螺桿泵采油,井下部分連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了兩年沒(méi)有發(fā)生故障,地面部分五年內(nèi)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(guān)鍵。目前,國(guó)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(yīng)較高的溫度,但機(jī)械性能不夠好,因此工作壽命不長(zhǎng),在定子橡膠中加入添加劑對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子比表面鍍鉻的轉(zhuǎn)子壽命長(zhǎng)得多,試驗(yàn)已證明,表面硼化處理的轉(zhuǎn)子壽命是表面鍍鉻轉(zhuǎn)子的5倍。在原油開(kāi)采中,螺桿泵采油井有抽油機(jī)井不可比擬的優(yōu)點(diǎn):首先螺桿泵采油的地面設(shè)備簡(jiǎn)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(wú)脈動(dòng),軸向流動(dòng)流速穩(wěn)定,因此沒(méi)有液柱和機(jī)械傳動(dòng)的慣性損失,泵內(nèi)無(wú)閥件和復(fù)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(jī)械采油設(shè)備中能耗最小、效率較高的機(jī)種之一,同時(shí)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(duì)泵效的影響,不會(huì)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(zhuǎn)子擠壓配合,使進(jìn)入密封腔的流體隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)從吸入端向排出端移動(dòng),而且轉(zhuǎn)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(dòng)排油不存在配合間隙和余隙容積問(wèn)題,不可能發(fā)生砂卡、閥失效、氣鎖等有桿泵常見(jiàn)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(diǎn):一是容易出現(xiàn)定子脫膠的問(wèn)題,定子脫膠的原因是由于高速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)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(xué)性質(zhì),同時(shí),還應(yīng)具有良好的機(jī)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(zhuǎn)數(shù)的不同而不同。隨著我國(guó)各大油田開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展,油田開(kāi)發(fā)的難度不斷增加,如大慶油田的原油生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入高含水期,為了確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn),外國(guó)的一些低滲透油田也進(jìn)入了開(kāi)發(fā)階段,在這種情況下舉升設(shè)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(chǎn)中的作用越來(lái)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(yīng)用數(shù)量與水平正呈明顯的上升趨勢(shì),在今后的石油開(kāi)采中,以螺桿泵作為舉升工具的采油井?dāng)?shù)量還會(huì)繼續(xù)增加。前期投產(chǎn)的螺桿泵井需進(jìn)一步挖掘潛力,提高舉升效率,即將投產(chǎn)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(jìn)首臺(tái)螺桿泵以來(lái).經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收、自主開(kāi)發(fā)3個(gè)階段.到目前為止.地而驅(qū)動(dòng)桿式螺桿泵采油技術(shù)已基本成熟配套.成為繼游梁式抽油機(jī)和電潛泵之后的主力人工舉升方式.而且在聚合物驅(qū)、二元復(fù)合驅(qū)和稠油油井上表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。與其它人工舉升方式相比.螺桿泵低投資、低能耗、對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)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(nèi)容1.3.1研究意義螺桿泵采油技術(shù)具有低成本、低能耗和適應(yīng)介質(zhì)能力強(qiáng)的特點(diǎn),近幾年來(lái)規(guī)模不斷擴(kuò)大。螺桿泵的工作特性,既有柱塞泵硬特性的特點(diǎn),也有離心泵軟特性的特點(diǎn)。從理論上講,螺桿泵轉(zhuǎn)速越高,理論排量越大,泵容積效率也越高。但在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參中發(fā)現(xiàn),為了使螺桿泵的沉沒(méi)度保持在合理范圍內(nèi),對(duì)高沉沒(méi)度井進(jìn)行上調(diào)參后,達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后,隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加,螺桿泵的容積效率呈下降趨勢(shì)。如果螺桿泵長(zhǎng)期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),轉(zhuǎn)子與定子之間的磨損加快,單位長(zhǎng)度內(nèi)的定轉(zhuǎn)子間的生熱量增大,引起橡膠,定轉(zhuǎn)子之間的扭矩增加,整個(gè)抽油系統(tǒng)的負(fù)荷上升。提高轉(zhuǎn)速的同時(shí),桿管系統(tǒng)受力的疲勞程度也隨之增加,地面驅(qū)動(dòng)裝置受力條件變差,電機(jī)實(shí)耗功率增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí),螺桿泵的容積效率很低,揚(yáng)程不夠,滿足不了生產(chǎn)需要。得出螺桿泵容積效率、系統(tǒng)效率與轉(zhuǎn)速的合理匹配關(guān)系,對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有著重要意義。1.3.2研究?jī)?nèi)容(1)在介紹螺桿泵結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,對(duì)螺桿泵工作特性曲線及其特點(diǎn)進(jìn)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(zhuǎn)速范圍的方法;(4)利用給出的方法,編制計(jì)算機(jī)程序,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的地面驅(qū)動(dòng)井下單螺桿泵采油系統(tǒng)主要由地面驅(qū)動(dòng)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(jī);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(qū)動(dòng)部分地面驅(qū)動(dòng)裝置(驅(qū)動(dòng)頭)是螺桿泵采油系統(tǒng)的主要地面設(shè)備,它是把動(dòng)力傳遞給井下的螺桿泵轉(zhuǎn)子,使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)抽汲原油的機(jī)械裝置。從變速形式上分,地面驅(qū)動(dòng)裝置有無(wú)級(jí)調(diào)速和分級(jí)調(diào)速兩種類型。機(jī)械傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置主要由以下幾部分組成:①減速箱。主要作用是傳遞動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速。它將電機(jī)的動(dòng)力由輸入軸通過(guò)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(dòng)力的作用外,還將抽油桿的軸向負(fù)荷傳遞到采油樹(shù)上。②電機(jī)。它是螺桿泵的動(dòng)力源,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。一般采用防爆型三相異步機(jī)。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(lái)。(2)井下泵部分井下泵部分主要由抽油桿、接頭、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)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(yīng)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(nèi)形成的,轉(zhuǎn)子由合金鋼調(diào)質(zhì)后,經(jīng)車銑、剖光、鍍鉻而成。轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)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(jī)的啟、停。該裝置能自動(dòng)顯示、記錄螺桿泵井正常生產(chǎn)時(shí)的電流、電壓等,有過(guò)載、欠載自動(dòng)保護(hù)功能,確保油井的正常生產(chǎn)。(4)配套工具部分①專用井口。它簡(jiǎn)化了采油樹(shù),使用、維修、保養(yǎng)方便,同時(shí)增加了井口強(qiáng)度,減小了地面驅(qū)動(dòng)裝置的振動(dòng),起到保護(hù)光桿和換密封盒時(shí)密封井口的作用。②特殊光桿。它強(qiáng)度大、防斷裂、光潔度高,有利于井口密封。③抽油桿防倒轉(zhuǎn)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(shí),由地面動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng)抽油桿柱旋轉(zhuǎn),連接于抽油桿底端的螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng),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(guò)地面管線輸送至計(jì)量站。螺桿泵是靠空腔排油,由于定子比轉(zhuǎn)子多一條螺旋線,所以在轉(zhuǎn)子與定子間形成一個(gè)個(gè)互不連通的封閉腔室,當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)時(shí),封閉空腔沿軸線方向由吸入端均勻地?cái)D到排出端,同時(shí),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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而不斷變換位置,并呈現(xiàn)周期性的重復(fù)出現(xiàn),且轉(zhuǎn)子沿著自己的軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)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(dòng),從而將井內(nèi)的流體由底部密封腔逐級(jí)推向頂部密封腔,并逐級(jí)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(zhuǎn)子副,定子和轉(zhuǎn)子之間形成一系列的密封腔室,轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)(行星運(yùn)動(dòng)),密封腔室在軸線方向沿螺旋線運(yùn)動(dòng),按照旋向,輸送原油。由于轉(zhuǎn)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(shí)也能保持自吸能力。圖2-2螺桿泵定子-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)180°過(guò)程中,轉(zhuǎn)子在定子中的位置。連續(xù)輸液的過(guò)程,是以連續(xù)不斷地打開(kāi)和關(guān)閉密封腔室而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定子—轉(zhuǎn)子副中吸入的第一個(gè)密封腔室的容積增加時(shí),在它和吸入端的壓差作用下,油流便進(jìn)入第一個(gè)密封腔室,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)密封腔室開(kāi)始封閉,并向排出端移動(dòng)。就這樣,油液通過(guò)一個(gè)又一個(gè)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(dòng)。因此,螺桿泵抽油井桿管環(huán)空中井液的流動(dòng)形態(tài)與抽油機(jī)井不同,是典型的穩(wěn)定環(huán)空螺旋流動(dòng)[13]。圖2-3螺桿泵工作示意圖2.2螺桿泵相關(guān)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(jí)數(shù)和每級(jí)能夠承受(實(shí)現(xiàn)可靠密封)的壓力大小。在螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下,其級(jí)數(shù)取決于其長(zhǎng)度,長(zhǎng)度越大,級(jí)數(shù)越多。而每級(jí)能夠承受的壓力大小,則取決于定子和轉(zhuǎn)子的配合間隙(過(guò)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(zhuǎn)子截面直徑,m;——定子導(dǎo)程,m;——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jì)算: (2-2)式中——螺桿泵的實(shí)際排量,m3/d.式(2-1)和式(2-2)中偏心距、轉(zhuǎn)子截面直徑、定子導(dǎo)程都是螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,螺桿泵的排量就只與轉(zhuǎn)速和容積效率有關(guān)。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(jì)算 (2-3)式中——泵進(jìn)出口壓差,,其中、分別為泵排出口和吸入口壓力,MPa;——轉(zhuǎn)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(guān);取決于泵的沉沒(méi)度,也與下泵深度有一定的關(guān)系;轉(zhuǎn)子的工作扭矩與定子和轉(zhuǎn)子的配合間隙(過(guò)盈)有關(guān),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(yáng)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(shí)際排量,m3/d;——螺桿泵有效舉升高度,m.其中 (2-5)式中——?jiǎng)右好嫔疃龋琺;——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(dòng)機(jī)輸入功率,kW;根據(jù)螺桿泵采油系統(tǒng)工作特點(diǎn),以盤(pán)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(dòng)機(jī)、減速箱和皮帶中,因此有 (2-8)式中——電機(jī)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(rèn)為:就一般的生產(chǎn)井而言,在正常情況下,地面設(shè)備的效率不會(huì)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(guān)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(wèn)題也就轉(zhuǎn)化成如何提高螺桿泵系統(tǒng)效率的問(wèn)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(guò)在室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)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(yáng)程的關(guān)系曲線;曲線②:扭矩曲線——轉(zhuǎn)子扭矩與揚(yáng)程的關(guān)系曲線;曲線③:系統(tǒng)效率曲線——系統(tǒng)效率與揚(yáng)程的關(guān)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(jié)論P(yáng)AGE522.4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(jī)械效率隨壓力升高而升高。因?yàn)樵趬毫^低時(shí),橡膠密封性能較好,液體漏失量很小,轉(zhuǎn)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(jī)械效率低;當(dāng)壓力升高到有一些液體漏失時(shí),容積效率緩慢降低,干摩擦變?yōu)橛袧?rùn)油的摩擦,機(jī)械效率升高;當(dāng)壓力繼續(xù)升高,有大量液體漏失時(shí),容積效率開(kāi)始大幅度下降,轉(zhuǎn)子、定子間的摩擦變?yōu)橐后w之間的摩擦,摩擦損失很小,機(jī)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(diǎn)大約在容積效率曲線的拐彎處附近。在這一區(qū)域,泵開(kāi)始被“擊穿”,容積效率急劇下降,但還不是大量下降,機(jī)械效率己接近達(dá)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(rèn)為當(dāng)容積效率為60%時(shí),系統(tǒng)效率曲線上A、C兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的、之間的區(qū)域?yàn)楹侠砉ぷ鲄^(qū)域[17,18]。泵在井下工作時(shí),若工作點(diǎn)落在合理工作區(qū)外的右側(cè),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(shì)。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)有發(fā)生。另一種情況是,泵的工作點(diǎn)落在合理工作區(qū)外的左側(cè),這時(shí)雖然容積效率幾乎為100%,但潤(rùn)油不充分,機(jī)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(guò)早失效。通過(guò)調(diào)研大量研究資料并經(jīng)過(guò)綜合考慮后,我們認(rèn)為,合理工作區(qū)內(nèi)的左側(cè)區(qū)域,即B點(diǎn)(理論上系統(tǒng)效率最高點(diǎn))和A點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)、之間的區(qū)域?yàn)槁輻U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(zhǎng)。附錄一中給出了現(xiàn)場(chǎng)中常用的2種泵型(KGLB500-20和GLB800-18)在不同轉(zhuǎn)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(guò)螺桿泵內(nèi)的密封線,常常嵌入定子的表面,泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損轉(zhuǎn)子;高含量的粉細(xì)砂以高速度沖擊轉(zhuǎn)子和定子,在螺桿泵轉(zhuǎn)子的谷頂磨出較深的溝槽。油井的含沙量對(duì)螺桿泵的使用壽命有較大的影響。螺桿泵的摩損于進(jìn)入到螺桿泵內(nèi)與轉(zhuǎn)子定子接觸砂粒的數(shù)量成正比關(guān)系。即:在不考慮機(jī)械方面的因素時(shí),油井含砂量越大,螺桿泵壽命越短。砂粒的硬度高于轉(zhuǎn)子表面的硬度時(shí),會(huì)將轉(zhuǎn)子表面的硬質(zhì)涂層劃傷,從而損壞定子,通常砂粒硬度的增加會(huì)加劇螺桿泵的磨損。而且若轉(zhuǎn)子表面硬質(zhì)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(nèi)砂粒的速度對(duì)螺桿泵的影響分為兩個(gè)方面:可以預(yù)測(cè)的螺桿泵內(nèi)部流速和不可以預(yù)測(cè)的砂粒的速度引起的螺桿泵內(nèi)流體在空腔與空腔之間的相對(duì)滑動(dòng)。3.2定子與轉(zhuǎn)子間配合間隙對(duì)螺桿泵效率的影響3.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)是指偏心距、轉(zhuǎn)子直徑和導(dǎo)程。合理選擇這些參數(shù)能夠使螺桿泵定子與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子之間的運(yùn)動(dòng)是嚙合運(yùn)動(dòng),為了不發(fā)生干涉現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)高效可靠運(yùn)行,在螺桿泵的加工過(guò)程中,必須保證定子與轉(zhuǎn)子具有較高的型線精度、尺寸精度和表面質(zhì)量[19]。(1)偏心距的誤差當(dāng)實(shí)際偏心距小于設(shè)計(jì)偏心距時(shí),定子與轉(zhuǎn)子之間會(huì)出現(xiàn)間隙,相鄰兩個(gè)腔室連通,使某一級(jí)失去舉升能力;相反,當(dāng)實(shí)際偏心距大于設(shè)計(jì)偏心距值,會(huì)使定子與轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈量很大,甚至?xí)箛Ш线\(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。因此,偏心距的誤差值應(yīng)控制在定子與轉(zhuǎn)子的合理過(guò)盈量之內(nèi)。(2)轉(zhuǎn)子直徑的誤差轉(zhuǎn)子直徑如果過(guò)小,表現(xiàn)為定子與轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)空隙,定子與轉(zhuǎn)子不接觸,相鄰腔室及相鄰兩級(jí)連通,失去舉升能力。對(duì)于舉升低粘度(小于100mPa·s)介質(zhì)的螺桿泵,我們一般要求轉(zhuǎn)子直徑稍大,即實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子間在運(yùn)轉(zhuǎn)的不同時(shí)刻,過(guò)盈量有所不同。如果圓度誤差較大,轉(zhuǎn)子的某個(gè)部位因?yàn)橹睆捷^小,實(shí)現(xiàn)不了過(guò)盈配合,那么在運(yùn)轉(zhuǎn)的某一時(shí)刻某一嚙合點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)間隙,降低舉升能力;同時(shí),過(guò)盈量的不均勻也會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)子截圓圓度是轉(zhuǎn)子型線精度的主要指標(biāo),應(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)子的截圓圓度。轉(zhuǎn)子截圓的不圓度(最大直徑與最小直徑之差)應(yīng)不大于定子與轉(zhuǎn)子之間的合理過(guò)盈量。(3)導(dǎo)程的誤差導(dǎo)程誤差會(huì)使定子與轉(zhuǎn)子的嚙合位置發(fā)生變化,即發(fā)生干涉;同時(shí),定子與轉(zhuǎn)子的配合也發(fā)生變化,即一邊過(guò)盈增加,一邊出現(xiàn)間隙。導(dǎo)程誤差偏大時(shí),即使由于定子橡膠的軟特性使其嚙合運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉也能運(yùn)轉(zhuǎn),但要損失很多級(jí)的舉升能力,要達(dá)到舉升只有靠過(guò)盈,但是摩擦扭矩會(huì)大大增加,直接導(dǎo)致螺桿泵的效率很低。導(dǎo)程的誤差對(duì)螺桿泵的每一級(jí)以及整體而言,可用式(3-1)來(lái)限定。 (3-1)式中——導(dǎo)程的誤差——導(dǎo)程——過(guò)盈量——偏心距3.2.2過(guò)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(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)子與定子之間的過(guò)盈量。因此,過(guò)盈量的大小直接影響螺桿泵泵效的高低。圖3-1過(guò)盈量對(duì)容積效率的影響圖3-1曲線由上到下分別為過(guò)盈量為0.80mm、0.60mm和0.40mm。曲線表明不同過(guò)盈量下的容積效率的差別很大,因而將嚴(yán)重影響泵的系統(tǒng)效率。一方面,過(guò)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(guò)盈量小雖然不宜出現(xiàn)上述問(wèn)題,但泵的容積效率過(guò)低,將降低螺桿泵的系統(tǒng)效率。因此,要對(duì)過(guò)盈量進(jìn)行合理地選擇。所謂合理的過(guò)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(guò)盈量值。螺桿泵在結(jié)構(gòu)上是由剛性轉(zhuǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)形成密閉容腔;其工作原理為轉(zhuǎn)子繞著距定子中心一定偏心值(值)進(jìn)行類似的行星運(yùn)動(dòng),在此過(guò)程中所形成閉合容腔作軸向移動(dòng),從而帶動(dòng)介質(zhì)從入口處輸送到出口處。螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的運(yùn)動(dòng)是嚙合運(yùn)動(dòng),定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙過(guò)大,會(huì)使螺桿泵相鄰兩級(jí)連通,即某一級(jí)失去舉升能力;相反,間隙過(guò)小或者過(guò)盈量過(guò)大,會(huì)使嚙合運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈值直接影響螺桿泵的工作扭矩、單級(jí)工作壓差和輸送介質(zhì)的漏失量。過(guò)盈值越大,螺桿泵的工作扭矩也越大,介質(zhì)漏失量降低,單級(jí)工作壓差就越高;過(guò)盈值越小,螺桿泵的工作扭矩越小,單級(jí)工作壓差也越低,螺桿泵的揚(yáng)程越低。螺桿泵在井下工作時(shí)的總過(guò)盈值主要包括——螺桿泵給定的初始過(guò)盈值、由熱膨脹和原油溶脹造成的過(guò)盈值。表3-1給出了不同螺桿泵泵型定子與轉(zhuǎn)子間初始過(guò)盈值的推薦值。表3-1不同泵型的初始過(guò)盈值泵型初始過(guò)盈值(mm)泵型初始過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)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(duì)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(huì)使螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙變小,過(guò)盈量增大,干涉定子與轉(zhuǎn)子之間的嚙合運(yùn)動(dòng),摩擦扭矩增大,使泵效降低,還會(huì)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(shí)際儲(chǔ)存油液的空腔體積變小,導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)空腔溶脹前設(shè)計(jì)空腔溶脹后實(shí)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(jì)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(dǎo)程——轉(zhuǎn)子半徑——定子內(nèi)徑——溶脹厚度。根據(jù)螺桿泵的工作原理,定子在一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)與轉(zhuǎn)子形成一個(gè)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(yīng)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(dá)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(shí)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(jìn)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(guò)程中,螺桿泵的定子與轉(zhuǎn)子之間存在多個(gè)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(huì)撐開(kāi),密封界面處間隙增大,使螺桿泵的回流量(內(nèi)泄)增大;當(dāng)螺桿泵在額定工作壓力以下工作時(shí),定子與轉(zhuǎn)子接觸得很緊密,使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力很大,導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子的密封界面產(chǎn)生大量的摩擦熱,并積聚在泵腔內(nèi)部,使定子與轉(zhuǎn)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(nèi)過(guò)流部件長(zhǎng)期處于較高溫度下工作,定子橡膠受熱后產(chǎn)生變形和膨脹,進(jìn)而加劇了定子和轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)定子,并保證定子與轉(zhuǎn)子之間有一較小間隙存在,摩擦熱將不再產(chǎn)生。當(dāng)然,在設(shè)計(jì)螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙時(shí),必須保證螺桿泵在額定壓力和轉(zhuǎn)速下工作時(shí)的回流量在規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)以下;而硬質(zhì)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(zhì)的相容性。實(shí)踐證明,這種設(shè)計(jì)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(duì)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(jié)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(huì)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(zhuǎn)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(shí),受環(huán)境溫度的變化因素主要有下面幾個(gè)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(chǎn)生大量的熱量。流體與定子橡膠摩擦產(chǎn)生的熱量,會(huì)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(guān)。(3)油井作業(yè)時(shí),也會(huì)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(huì)使螺桿泵的溫度下降。總之,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(shí),允許的溫度偏高,螺桿泵在工作的過(guò)程中不允許存在超過(guò)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(gè)重要的因素,不容忽視。3.4轉(zhuǎn)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(dāng)系統(tǒng)效率達(dá)到最大時(shí),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(shì)。為此,為保持較高的系統(tǒng)效率,下泵深度應(yīng)維持在合理范圍。對(duì)于新井、電轉(zhuǎn)螺井或抽轉(zhuǎn)螺井而言,投產(chǎn)前合理的下泵深度設(shè)計(jì)尤為重要。另一方面,對(duì)于已經(jīng)處在生產(chǎn)狀態(tài)中的螺桿泵井來(lái)說(shuō),在螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括導(dǎo)程、轉(zhuǎn)子直徑、偏心距、過(guò)盈量)、定子橡膠確定的條件下,以及生產(chǎn)過(guò)程中井下條件、生產(chǎn)設(shè)備基本一定的條件下,螺桿泵工作參數(shù)的調(diào)整,即轉(zhuǎn)速的調(diào)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速過(guò)低,將會(huì)發(fā)生卡泵現(xiàn)象;反過(guò)來(lái),轉(zhuǎn)速過(guò)高,會(huì)使螺桿泵抽空。由螺桿泵理論排量計(jì)算公式(2-1)可知,在螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù),,確定下來(lái)后,排量只與轉(zhuǎn)速成正比。因此,理論上,要實(shí)現(xiàn)較大的排量只要提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。然而,轉(zhuǎn)速的調(diào)整不但會(huì)影響排量的變化,同時(shí)也會(huì)影響到沉沒(méi)度的變化,進(jìn)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(xiàn)研究認(rèn)為螺桿泵井合理沉沒(méi)度一般低于400m[26];有的認(rèn)為合理沉沒(méi)度應(yīng)控制在200m-300m[27,28];有的認(rèn)為沉沒(méi)度應(yīng)控制在200m-500m[29];也有的認(rèn)為沉沒(méi)度應(yīng)控制在200m~400m[30]。綜合以上文獻(xiàn)的研究成果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),我們認(rèn)為,螺桿泵井沉沒(méi)度在200m~第4章螺桿泵合理轉(zhuǎn)速的研究4.1螺桿泵進(jìn)出口壓差的計(jì)算根據(jù)螺桿泵的工作原理,泵進(jìn)出口壓差的確定可用如下的計(jì)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(méi)度,m;——井口套壓,Pa;——井口油壓,Pa;——泵出口至井口流體流動(dòng)的摩擦阻力損失,Pa.由于螺桿泵的工作方式是靠電機(jī)以膠帶傳動(dòng)或直接傳動(dòng)兩種方式驅(qū)動(dòng)抽油桿和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),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(dòng)的沿程水頭損失和局部水頭損失之和、抽油桿在原油中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的粘性阻力、轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所造成的摩擦損失所組成。由水力學(xué)知識(shí),沿程水頭損失為 (4-2) (4-3) (4-4) (4-5)式中——泵的實(shí)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(gè)數(shù)。則 (4-6)其中,為當(dāng)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(xué)知識(shí),作用在抽油桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)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(guò)程中,管柱受力狀況與抽油機(jī)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(jìn)出口壓力差作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力、井液向上流動(dòng)對(duì)抽油桿產(chǎn)生的摩擦力及溫度效應(yīng)所引起的軸向力。根據(jù)抽油桿受力時(shí)的力學(xué)特點(diǎn),在建立模型時(shí)假設(shè):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(zhuǎn)子上的軸向力,N;——抽油桿浮力,N;——采出液流動(dòng)時(shí)對(duì)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(zhǎng)度,m;——抽油桿柱半徑,m.(2)流體壓力作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力,即泵壓頭作用在螺桿泵的轉(zhuǎn)子上對(duì)抽油桿柱產(chǎn)生的軸向力 (4-15)式中——流體壓力作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力,N;——螺桿泵的偏心矩,m;——螺桿泵的轉(zhuǎn)子截面半徑,m;——螺桿泵進(jìn)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(dòng)對(duì)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(fù)載扭矩地面驅(qū)動(dòng)的單螺桿泵抽油井是由地面動(dòng)力驅(qū)動(dòng)抽油桿帶動(dòng)其轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn),從而將原油從井下舉升到地面的抽油設(shè)備。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油井在正常工作時(shí),原動(dòng)機(jī)通過(guò)抽油桿柱帶動(dòng)螺桿泵旋轉(zhuǎn),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(zhuǎn)子的有功扭矩、抽油桿柱與油管間的摩擦扭矩、定子與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的有功扭矩,N·m;——定子與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的有功扭矩螺桿泵工作時(shí)通過(guò)螺桿-襯套副的作用,將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成流體的壓能,每轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為: (4-19) (4-20)式中——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的理論排量,m3;——螺桿泵吸入端與排出端流體壓差,Pa;——轉(zhuǎn)速,r/min;——泵的體積流量,m3/d.(2)定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩單螺桿泵在井底工作時(shí),轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子間存在過(guò)盈配合,所以定轉(zhuǎn)子間存在著摩擦,定子對(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子間的初始過(guò)盈產(chǎn)生的摩擦扭矩,N·m;——由定子熱脹而產(chǎn)生的摩擦矩,N·m;——由定子溶脹而產(chǎn)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(zhuǎn)子間的空腔保持良好的密封性,即必須有一定的過(guò)盈量,原因是:①受加工工藝技術(shù)的限制,不能保證定子和轉(zhuǎn)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(huì)發(fā)生彈性變形和漏失;③由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性力和液壓徑向力,這兩個(gè)力的合力將使轉(zhuǎn)子在合力的方向上壓縮定子橡膠而產(chǎn)生位移,從而使定子和轉(zhuǎn)子間的另一側(cè)產(chǎn)生間隙。螺桿泵的單級(jí)工作壓差主要是靠定子和轉(zhuǎn)子間的過(guò)盈量來(lái)實(shí)現(xiàn)的[29],過(guò)盈量越大,單級(jí)工作壓差就越大,轉(zhuǎn)子的扭矩也就越大;過(guò)盈量越小,單級(jí)工作壓差就越小,滿足不了油井舉升的需要,因此,定子和轉(zhuǎn)子之間摩擦扭矩主要是由定子與轉(zhuǎn)子間的過(guò)盈量來(lái)決定的。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子與定子初始過(guò)盈量不同的螺桿泵的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)泵的初始摩擦扭矩與初始過(guò)盈量成正比,而與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成反比。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得與、的關(guān)系式為:· (4-22)式中——轉(zhuǎn)子與定子初始過(guò)盈所產(chǎn)生的摩擦扭矩,N·m;——泵定子與轉(zhuǎn)子初始過(guò)盈值,mm;——轉(zhuǎn)速,r/min.定子與轉(zhuǎn)子間由于熱脹產(chǎn)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(guò)盈量,m;——定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù);——轉(zhuǎn)子截面半徑,m.螺桿泵定子和轉(zhuǎn)子由于井下橡膠熱脹所產(chǎn)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(dāng)溫度升高時(shí),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(gè)變量綜合作用的結(jié)果使摩擦扭矩基本沒(méi)有變化。泵定子橡膠溶脹所產(chǎn)生的摩擦扭矩,在井下高溫高壓條件下原油使橡膠產(chǎn)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(gè):一是油浸介質(zhì)中的輕質(zhì)成分在高溫高壓條件下滲透到橡膠內(nèi)部,使橡膠體積膨脹,增大了轉(zhuǎn)子和定子間的過(guò)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(zhuǎn)速有關(guān),認(rèn)為當(dāng)泵轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到250r/min時(shí),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(nèi)摩擦阻力所需的扭矩為: (4-24)(3)抽油桿柱在井液中旋轉(zhuǎn)所受摩擦力矩地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作時(shí),地面驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)抽油桿柱帶動(dòng)井下螺桿泵旋轉(zhuǎn),抽油桿柱將會(huì)受到環(huán)空管道內(nèi)油液的摩擦阻力矩的作用,假設(shè)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(nèi)半徑,m;——抽油桿長(zhǎng)度,m.4.2.3抽油桿強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)分析在滿足強(qiáng)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(qiáng)度校核公式為: (4-26) (4-27) (4-28) (4-29)對(duì)于實(shí)心抽油桿抗扭結(jié)面模量; (4-30)對(duì)于空心抽油桿抗扭結(jié)面模量; (4-31) (4-32)式中——復(fù)合應(yīng)力,MPa;——拉應(yīng)力,MPa;——剪應(yīng)力,MPa;——抗扭截面模量;——許用應(yīng)力,MPa;——抽油桿截面積,mm2;——安全系數(shù);——抽油桿屈服極限強(qiáng)度,MPa;——抽油桿內(nèi)直徑,m.4.3算例根據(jù)上述研究分析,確定螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍的步驟為:(1)在已知某型螺桿泵及井的相關(guān)參數(shù)的條件下,計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下該泵型螺桿泵進(jìn)出口壓差并對(duì)抽油桿進(jìn)行受力分析;(2)根據(jù)該泵型螺桿泵在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的工作特性曲線,判斷當(dāng)前泵的工作點(diǎn)所處區(qū)域,如圖4-1所示;(3)結(jié)合考慮下泵深度、當(dāng)前沉沒(méi)度,給出轉(zhuǎn)速調(diào)整方案;(4)如有必要,再重復(fù)步驟(1)~步驟(2),確定該螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍。4.3.1算例1下面,針對(duì)GLB800-18型螺桿泵,給出其在B1-321-53井中的合理轉(zhuǎn)速。為簡(jiǎn)便快捷地計(jì)算出泵進(jìn)出口壓差,根據(jù)前面所述方法,編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。輸入相關(guān)參數(shù)后,調(diào)參前的結(jié)果如圖4-1所示:圖4-1調(diào)參前(n=98r/min)程序計(jì)算結(jié)果截圖GLB800-18型螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下的工作特性曲線參見(jiàn)附錄一中圖6~圖11所示。由圖4-1可知,泵的進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果為2.844MPa,并結(jié)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(diǎn)已經(jīng)位于最佳工作區(qū)內(nèi),泵效及系統(tǒng)效率均較高,且經(jīng)過(guò)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。但是,可以看到,該井沉沒(méi)度較高,達(dá)到了614m,說(shuō)明目前該井供液能力較強(qiáng),且目前泵的進(jìn)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓差3.9MPa相比還有一些差距,因此,決定對(duì)該井進(jìn)行上調(diào)參,即增加泵的轉(zhuǎn)速,以期適當(dāng)降低沉沒(méi)度、提高井的系統(tǒng)效率。將該井轉(zhuǎn)速?gòu)?8r/min增加到117r/min。待生產(chǎn)穩(wěn)定后,輸入相關(guān)參數(shù),調(diào)參后的計(jì)算結(jié)果如圖4-2所示:圖4-2調(diào)參后(n=117r/min)程序計(jì)算結(jié)果截圖由圖4-2可知,調(diào)參后泵的進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果為3.663MPa,并結(jié)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(diǎn)也位于最佳工作區(qū)內(nèi),并且與調(diào)參前相比更接近理論上泵系統(tǒng)效率最高點(diǎn),經(jīng)過(guò)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。GLB800-18型螺桿泵及B1-321-53井相關(guān)參數(shù)調(diào)參前后對(duì)比可參見(jiàn)附錄二中表1~表2所示。從這兩表中也可以看到,調(diào)參后該井沉沒(méi)度從614m降到了519.4m,距離3.3節(jié)中提到的合理沉沒(méi)度范圍200m~400m也更近了一步,雖然泵效從58%降到了48%,但是產(chǎn)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(shì)特點(diǎn),如圖2-4及附錄一中圖8~圖9所示。值得注意的是,調(diào)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(rèn)為,對(duì)于GLB800-18型螺桿泵,其在B1-321-53井中的最合理轉(zhuǎn)速為117r/min。4.3.2算例2下面,繼續(xù)針對(duì)GLB800-18型螺桿泵,給出其在Z61-16井中的合理轉(zhuǎn)速。輸入相關(guān)參數(shù)后,調(diào)參前的結(jié)果如圖4-3所示:圖4-3調(diào)參前(n=122r/min)程序計(jì)算結(jié)果截圖GLB800-18型螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下的工作特性曲線參見(jiàn)附錄一中圖6~圖11所示。由圖4-3可知,泵的進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果為5.665MPa,并結(jié)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(diǎn)位于合理工作區(qū)內(nèi)的偏右區(qū)域,經(jīng)過(guò)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。但是,可以看到,該井沉沒(méi)度較低,達(dá)到了187.2m,說(shuō)明目前該井供液能力并不強(qiáng),且目前泵的進(jìn)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓差3.9MPa相比還有一定的差距,因此,決定對(duì)該井進(jìn)行下調(diào)參,即減小泵的轉(zhuǎn)速,以期適當(dāng)增加沉沒(méi)度、提高泵效和系統(tǒng)效率。將該井轉(zhuǎn)速?gòu)?22r/min減小到103r/min。待生產(chǎn)穩(wěn)定后,輸入相關(guān)參數(shù),調(diào)參后的計(jì)算結(jié)果如圖4-4所示:圖4-4調(diào)參后(n=103r/min)程序計(jì)算結(jié)果截圖由圖4-4可知,調(diào)參后泵的進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果為4.508MPa,并結(jié)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(diǎn)位于合理工作區(qū)內(nèi)右側(cè)區(qū)域,但與調(diào)參前相比更接近理論上泵系統(tǒng)效率最高點(diǎn),經(jīng)過(guò)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。GLB800-18型螺桿泵及Z61-16井相關(guān)參數(shù)調(diào)參前后對(duì)比可參見(jiàn)附錄二中表3~表4所示。從這兩表中也可以看到,調(diào)參后該井沉沒(méi)度從187.2m增加到了319.8m,落在3.3節(jié)中提到的合理沉沒(méi)度范圍200m~400m之內(nèi);泵效從61.6%增加到了71.1%,但是產(chǎn)液量?jī)H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(shì)特點(diǎn),如圖2-4及附錄一中圖8~圖9所示。調(diào)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(jìn)行了10口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,各井調(diào)參前后主要參數(shù)對(duì)比如表4-1~表4-2所示。表4-1GLB800-18螺桿泵5口現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井調(diào)參前后主要參數(shù)對(duì)比井號(hào)B1-321-53B1-321-54ZD7-7B1-311-70Z61-16下泵深度(m)862.1836.5879.3851.9775.6轉(zhuǎn)速(r/min)調(diào)參前98998080122調(diào)參后11711910367103動(dòng)液面(m)調(diào)參前248.1284.3332.3554.9588.4調(diào)參后342.7362.7415.9602.4455.8沉沒(méi)度(m)調(diào)參前614.0552.2547.0297.0187.2調(diào)參后519.4473.8463.4249.5319.8產(chǎn)液量(t/d)調(diào)參前6468424384調(diào)參后6569544182容積效率(%)調(diào)參前58.061.6調(diào)參后48.050.9系統(tǒng)效率(%)調(diào)參前13.79.1616.029.227.2調(diào)參后24.218.1544.424.329.5泵進(jìn)出口壓差(MPa)調(diào)參前2.843.263.803.925.67調(diào)參后3.663.944.093.544.51最佳工作區(qū)范圍(MPa)調(diào)參前0.8~4.00.8~4.00.8~3.90.8~3.90.9~4.4調(diào)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(diào)參前0.8~7.10.8~7.10.8~6.40.8~6.40.8~7.4調(diào)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(chǎng)試驗(yàn)井調(diào)參前后主要參數(shù)對(duì)比井號(hào)Z32-S501Z340-CS1G158-41B1-321-49C921-S316下泵深度(m)869.4897.4947.4828.5849.9轉(zhuǎn)速(r/min)調(diào)參前6780807960調(diào)參后901031039380動(dòng)液面(m)調(diào)參前250.1332.1170.6260.6237.9調(diào)參后314.5502.4340.0361.6337.7沉沒(méi)度(m)調(diào)參前619.3565.3776.8568.0612.0調(diào)參后549.6394.9607.4467.0512.3產(chǎn)液量(t/d)調(diào)參前2039353525調(diào)參后3044373930容積效率(%)調(diào)參前42.069.566.262.349.7調(diào)參后47.260.948.758.940.7系統(tǒng)效率(%)調(diào)參前13.1018.076.4022.4512.64調(diào)參后17.5028.139.5015.289.06泵進(jìn)出口壓差(MPa)調(diào)參前3.562.522.333.082.95調(diào)參后2.953.023.793.893.84最佳工作區(qū)范圍(MPa)調(diào)參前1.0~3.01.0~3.01.0~3.01.0~3.01.0~3.0調(diào)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(diào)參前1.0~4.41.0~4.41.0~4.41.0~4.41.0~4.4調(diào)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(diǎn)是調(diào)參后與調(diào)參前相比轉(zhuǎn)速增加,沉沒(méi)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(jīng)過(guò)計(jì)算,調(diào)參前,泵的工作點(diǎn)落在了泵工作特性曲線中系統(tǒng)效率最高點(diǎn)左側(cè)的最佳工作區(qū)內(nèi),但距離系統(tǒng)效率最高點(diǎn)較遠(yuǎn);而調(diào)參后,泵的工作點(diǎn)向右側(cè)有所移動(dòng),更加靠近系統(tǒng)效率最高點(diǎn),如圖2-5所示,這一趨勢(shì)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(nèi)泵效與系統(tǒng)效率隨壓差變化而變化的趨勢(shì)是相符的。B1-311-70井調(diào)參后與調(diào)參前相比轉(zhuǎn)速減小,沉沒(méi)度下降,泵效升高,但系統(tǒng)效率有所下降;Z61-16井調(diào)參后與調(diào)參前相比轉(zhuǎn)速減小,沉沒(méi)度增大,泵效升高,系統(tǒng)效率升高;Z32-S501井調(diào)參后與調(diào)參前相比轉(zhuǎn)速增加,沉沒(méi)度下降,但泵效與系統(tǒng)效率均升高。以上3口井調(diào)參前后變化的原因也可以通過(guò)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(diào)參前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,轉(zhuǎn)速?gòu)?9r/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(chǎn)液量卻從35t/d上升到39t/d,沉沒(méi)度從568.0m下降到467.0m。相似地,從表4-2中C921-S316井調(diào)參前后的數(shù)據(jù)對(duì)比也可以看出,轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/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(chǎn)液量卻從25t/d上升到30t/d,沉沒(méi)度從612.0m下降到512.3m。這兩口井增加轉(zhuǎn)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?yàn)椋河?jì)算泵進(jìn)出口壓差后再結(jié)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(diào)參之前轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)已經(jīng)落在最佳工作區(qū)內(nèi)系統(tǒng)效率最高點(diǎn)左側(cè)的區(qū)域且距離系統(tǒng)效率最高點(diǎn)非常接近,而增加轉(zhuǎn)速后,該泵在調(diào)參之后轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)卻落在了合理工作區(qū)內(nèi)系統(tǒng)效率最高點(diǎn)偏右的區(qū)域且距離系統(tǒng)效率最高點(diǎn)較調(diào)參之前遠(yuǎn),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(jié)及建議綜合以上的分析研究,可以看出,轉(zhuǎn)速與螺桿泵容積效率、系統(tǒng)效率的關(guān)系非常復(fù)雜,并非單純的正比或反比關(guān)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(shí)一味地增加螺桿泵轉(zhuǎn)速并不能達(dá)到目的,并且往往“事與愿違”。這就要求我們應(yīng)該在深入了解螺桿泵基本工作原理的基礎(chǔ)上,根據(jù)螺桿泵工作特性曲線來(lái)判斷當(dāng)前泵工作點(diǎn)所處區(qū)域,再結(jié)合具體情況進(jìn)行增加或減小轉(zhuǎn)速的調(diào)整。同時(shí),通過(guò)上面的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),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(jīng)計(jì)算,如果泵的工作點(diǎn)落在合理工作區(qū)外的左側(cè)或者雖然落在最佳工作區(qū)內(nèi)偏左的區(qū)域,但沉沒(méi)度較高,在500m以上,且當(dāng)前泵的轉(zhuǎn)速較低(60r/min~100r/min),則可適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速以提高系統(tǒng)效率,但同時(shí)泵效會(huì)有所下降,但產(chǎn)液量會(huì)有所增加,則沉沒(méi)度會(huì)降低,趨向合理沉沒(méi)度區(qū)。對(duì)這樣的情況來(lái)說(shuō),具體調(diào)整轉(zhuǎn)速的規(guī)律為:若此時(shí)沉沒(méi)度在500m~700m,轉(zhuǎn)速增加20r/min左右較為合適,若沉沒(méi)度在700m以上,則轉(zhuǎn)速可增加得更高一些,但轉(zhuǎn)速調(diào)整最高不要超過(guò)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(jīng)計(jì)算,如果泵的工作點(diǎn)落在合理工作區(qū)外的右側(cè)或者落在合理工作區(qū)內(nèi)偏右的區(qū)域,但沉沒(méi)度較低,在250m以內(nèi),且當(dāng)前泵的轉(zhuǎn)速較高(在100r/min以上),則可適當(dāng)減小轉(zhuǎn)速以提高系統(tǒng)效率,同時(shí)泵效也會(huì)有所提高,但產(chǎn)液量會(huì)有所降低,則沉沒(méi)度會(huì)增加,趨于更合理。對(duì)這樣的情況來(lái)說(shuō),具體調(diào)整轉(zhuǎn)速的規(guī)律為:若此時(shí)沉沒(méi)度在100m~250m,轉(zhuǎn)速減小20r/min左右較為合適,若沉沒(méi)度在100m以下,則轉(zhuǎn)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(jīng)計(jì)算,如果泵的工作點(diǎn)已經(jīng)落在靠近理論上泵系統(tǒng)效率曲線最高點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)尤其是最佳工作區(qū)內(nèi)偏右的區(qū)域,則我們可以認(rèn)為目前該泵的轉(zhuǎn)速就是最佳的。建議:(1)螺桿泵井生產(chǎn)時(shí),如果井下泵的下泵深度已經(jīng)接近或超過(guò)該型泵的理論揚(yáng)程,則最好采用中低轉(zhuǎn)速(60r/min~100r/min),以盡量降低井下的能量損耗,有利于延長(zhǎng)泵的壽命。(2)螺桿泵井生產(chǎn)時(shí),保證在中低轉(zhuǎn)速下(60r/min~100r/min)、沉沒(méi)度處于200m~400m這個(gè)合理的范圍內(nèi),有利于延長(zhǎng)泵的壽命。(3)不是所有情況下增加螺桿泵轉(zhuǎn)速都能達(dá)到增加泵效或系統(tǒng)效率的目的,應(yīng)該經(jīng)過(guò)計(jì)算,再根據(jù)螺桿泵工作特性曲線,并結(jié)合實(shí)際情況,具體問(wèn)題具體分析、處理。第三章螺桿泵舉升性能影響因素分析結(jié)論(1)介紹了螺桿泵的結(jié)構(gòu)和工作原理,并對(duì)螺桿泵工作特性曲線及其特點(diǎn)進(jìn)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(zhuǎn)子間配合間隙、溫度及轉(zhuǎn)速;(3)給出了確定螺桿泵合理轉(zhuǎn)速范圍的方法;(4)利用給出的方法,編制了計(jì)算機(jī)程序,并進(jìn)行了10口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明本方法有效、可行。(5)在綜合分析理論研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了一些合理化建議,對(duì)延長(zhǎng)螺桿泵壽命、指導(dǎo)螺桿泵井生產(chǎn)有一定應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)韓修廷,王秀玲,焦振強(qiáng).螺桿泵采油原理及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)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(jī)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(wàn)幫烈.單螺桿式水力機(jī)械[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1993:100-108.何存興.液壓元件[M].北京:機(jī)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(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].水泵技術(shù).1999,3:19-25.BourkeJD.PCPStudyFocusesOnArtificialLiftApplication[J].PetroleumEngineerInternational,1993,(9):139-141.K.E.Brown.升舉法采油技術(shù)Ⅰ、Ⅱ[M].北京:石油工業(yè)出版社,1987:70-73.呂彥平,吳曉東,李遠(yuǎn)超等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型以應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2006,28(1):34-35.張志遠(yuǎn),古小紅,王麗麗.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的方法[J].?dāng)鄩K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(shù)問(wèn)答[M].北京:石油工業(yè)出版社

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