地面驱动单螺杆泵采油系统技术讲座.ppt

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1、石油天然气工程学院,技术讲座报告,地面驱动单螺杆泵采油系统技术讲座,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,1,在随后的几十年内，法国的PCM公司、英国的Moyno泵有限责任公司、美国的Kois&Myers公司以及一些其他公司都在生产这种螺杆泵，并在许多工业领域得到广

2、泛的应用。同时也在石油工业的地面传输设备中得到了应用。,螺杆泵的发展历史较长，可以追溯到20世纪20年代中期，由法国的勒内.莫伊诺发明设计，并获得专利。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,2,20世纪80年代初期，美国的Kois&Myers公司率先在采油工程中把莫伊诺原理应用于人工举升，制造了首批采油螺杆泵，并把螺杆泵作为一种新型的人工举升技术推向市场。我国于80年代中期开展地面驱动螺杆泵采油的理论和技术研究，研制了设备并进行了现场应用。辽河油田1984年开始研制地面驱动螺杆泵抽油生产系统，1986年投入矿场试验。1986年大庆油田引进国外的螺杆泵开采稠油获得明显的效果；胜利、大港、南阳

3、和克拉玛依等油田也相继应用了地面驱动螺杆泵采油技术。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,3,螺杆泵与其它机械采油设备相比，具有以下优点：,（1）节省一次投资，螺杆泵与电动潜油泵、水力活塞泵和游梁式抽油机相比，其结构简单，价格低。,（2）地面装置结构简单，安装方便，可直接座在井口套管四通上，占地面积小。,（3）泵效高、节能、管理费用低。由于螺杆泵是容积泵，流量无脉动，轴向流动连续，流速稳定，因此它与游梁式抽油机相比，没有液柱和机械传动的惯性损失。泵容积效率可达90，它是现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,4,（4）适应粘度范围广，可以举

4、升稠油。一般来说，螺杆泵适合于粘度为 8000MPas（50）以下的各种含原油流体，因此多数稠油井都可应用。,（5）适应高含砂井。理论上看，螺杆泵可输送含砂量达80的砂浆。国产螺杆泵可以在含砂量3%左右的情况下正常生产。,（6）适应高含气井。螺杆泵不会气锁，故较适合于油气混输，但井下泵吸入口的游离气会占据一定的泵容积。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,5,（7）允许井口有较高回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压可控制在1.5MPa以内或更高，因此对边远井集输很有利。,（8）当发动机或电动机停转时，在某些情况下，砂沉积在泵的上部。与有杆泵比较，螺杆泵有更大的可能恢复工作。,第一节 螺

5、杆泵采油技术发展过程及其特点,6,螺杆泵采油存在的缺点,（1）定子由橡胶制造，最容易损坏，若定子寿命短，则检泵次数多，每次检泵，必须起下管柱，增加了检泵费用。,（2）泵需要流体润滑，如果供液不足造成抽空，泵过热将会引起定子弹性体老化，甚至烧毁。,（3）定子的橡胶不耐高温，不适合在注蒸汽井中应用。,（4）虽然它操作简单，若操作人员不经适当操作训练，操作不正确，也会造成泵损坏。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,7,（5）它与有杆泵比较，总压头较小。目前大多数现场应用是在井深 1000m左右的井。批量生产的泵装置压头都比较低。高压头泵排量较小，当下泵深度大于 2000m时，扭矩大，杆断脱率较

6、高，使井下作业工作量增大，技术还不过关。,（6）螺杆泵抽油杆以旋转方式运动，抽油杆与油管之间发生磨损碰撞，易造成抽油杆和油管的损坏，不适用于狗腿严重的井。,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,8,特 方法,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,9,特 方法,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第

7、九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,10,螺杆泵采油系统,地面驱动,井下驱动,皮带传动,直接传动,电驱动,液压驱动,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,地面驱动井下单螺杆泵,地面驱动部分,井下泵部分,电控部分,配套工具,其它井下管柱,11,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,电动螺杆泵采油系统,潜油电动机,保护器,螺杆泵,变压器,自动控制柜,12,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,电动螺杆泵采油系统,13,液压驱动螺杆泵采油系统,管汇,油水分离器,供液泵,旁通阀,液马达,地面系统,地下系统,封隔器,螺杆泵,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,目 录,第

8、一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,14,地面驱动螺杆泵采油系统示意图1.卡箍法兰；2.卡瓦；3.光杆；4.井口驱动装置；5.抽油杆；6.油管；7.套管；8.井下单螺杆泵,地面驱动井下单螺杆泵,驱动头,驱动动力设备,井口,螺杆泵,锚定工具,地面系统,地下系统,第二节 螺杆泵

9、采油系统的分类及组成,15,工作原理：,动力源将动力传递给驱动头，通过驱动头减速后，再由方卡子将动力传递给光杆，光杆与井底抽油杆连接将动力直接传至井底的螺杆泵。螺杆泵举升的原油沿抽油杆与油管的环形空间上升到井口，进入输油管道，井口上端有一盘根盒，密封住旋转的光杆。,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,16,一、螺杆泵地面驱动头,驱动头是地面的一个主要减速装置，它将动力源的高转速降低到适合螺杆泵及抽油杆的转速，一般为150500r/min，目前应用的驱动头的结构形式主要有四种，偏置式、平衡式、和一体式，其中平衡式稳定性好，油田应用较多。,偏置式,一体式,平衡式,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成

10、,17,电机卧置、锥齿传动,电机侧摆、锥齿传动,偏置式,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,18,二、动力源,螺杆泵采油系统采用的动力源有 电机；柴油机；液压马达；,其中电机通过皮带轮将动力传至驱动装置，操作简便、易于管理，是应用最广泛的一种；柴油机通过皮带将动力传给驱动装置，这种方式可用在无电网地区，但管理费也相应增加，国内有些油田已经采用。,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,19,三、井口密封,螺杆泵抽吸的液体到达井口，流入集油管线，其井口回压一般应保持1.0Mpa左右，以保证液体流送到计量间。从工程应用角度考虑，井口盘根密封最低压力不应小于1.0MP啊，由于洗井解堵时压力可

11、达到10.0Mpa；因此井口密封的短期最大压力应达到10.0Mpa。,GLB16/65型螺杆泵采油井口装置,上置式机械密封螺杆泵井口装置,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,20,四、防反转机构,螺杆泵在运转后，井下抽油杆柱积累了一部分变形能量，在加上液面深度与油管内的液体的高度差，在螺杆泵停机时，抽油杆柱将高速反转，如果不加以限制，势必会造成抽油杆柱的脱扣，因此，在螺杆泵驱动装置上应该安装防反转机构或采取其他措施。,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,五、螺杆泵,螺杆泵是井下的主要设备，它由定子和转子组成。其中定子是由橡胶衬套粘接在钢体外套内形成的，衬套的内表面是双螺旋曲面，它与

12、螺杆泵转子相配合。转子在定子内转动，实现抽吸功能。,21,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,22,单螺杆泵的转子每一截面都为圆，螺杆泵的单级工作压差主要靠定、转子间的过盈来实现的。过盈越大，单级工作压差越大，转子扭矩越大。过盈越小，单级工作压差越小。,所以螺杆泵定、转子间的过盈应该选合理值。过盈量的确定必须在掌握了定子橡胶物性，特别是橡胶的热胀、溶胀性能的基础上方能确定。另外，定子的磨损程度直接影响着螺杆泵的使用寿命。,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,23,六、防转锚,为了实现螺杆泵的定子和转子间的相对转动，在定子下端必须安装防转锚。当螺杆泵正常运转抽油时，抽油杆柱带动转子正

13、转，并通过摩擦力带动定子和油管柱正转，此时连接在定子上的防转锚牙块伸出，与套管咬死，阻止油管柱和定子正转，从而实现螺杆泵定子和转子的相对运动。,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,24,七、防脱器,在下泵过程中，先将定子和油管柱下井后，再将转子和抽油杆柱下井。此时，由于转子外形为螺旋线，在下放过程中会发生旋转，而转子和抽油杆柱又连接在一起，若抽油杆柱不旋转势必会导致抽油杆脱扣，防脱器装在抽油杆和转子之间，当转子正向转动时，防脱器跟着转子转动，而上部的抽油杆则静止不动，这样在抽油杆和转子之间安装防脱器来防止脱扣现象的发生。,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,25,八、扶正器,为了使

14、螺杆泵和抽油杆柱保持稳定运转、不发生震动和杆管磨损，需要在油管柱和抽油杆柱上分别安装扶正器，扶正器是螺杆泵采油系统中不可缺少的井下配套工具,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,26,螺杆泵有单头螺杆泵和多头螺杆泵，现以单头

15、螺杆泵为例进行说明。,单头螺杆泵的任一断面都是半径为R的圆，螺杆断面的中心相对它的轴线有一个偏心距e，螺杆表面是正弦曲线abcd绕着它的轴线转动，并沿着轴线移动形成的。螺杆的螺矩为t，如果面对螺杆的一端，要使油液向前运动，当螺杆向右转动时，螺旋线采用左旋；当螺杆向左转动时，螺旋线采用右旋。,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,单头螺杆泵的定子常见的是由橡胶为衬套浇铸在钢体外套内形成的。衬套内表面是双螺旋线面。,衬套螺旋面的导程等于螺杆螺矩的两倍。衬套的断面轮廓是由半径为R（螺杆断面的半径）的半圆和两个直线段组成的。,定子衬套的形状,27,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,定子衬套的形状,28

16、,直线段长度等于两个半圆的中心距。因为螺杆断面圆的中心相对于它的轴线有一个偏心距e，而螺杆本身的轴线又相对衬套的轴线有同一个偏心距e，这样，两个半圆的中心距就是4e，衬套的内螺旋面就由上述的断面轮廓绕它的轴线转动并沿该轴线移动所形成的。,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,29,00、450、900、1350、1800位置的一侧液体完全被封闭（这种液体被封闭的情形称为液封闭）。,单螺杆泵的工作示意图,液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧，转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭腔数越增加，泵的排出压力就越高。,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,单螺杆

17、泵的工作示意图,A，B点为定子和转子的相应啮合点，从轴向看，形成了密封线接触，由于密封线的作用，转子和定子组成了一串独立的腔室，转子运动时（作行星运动），密封空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。泵入口面积和出口面积及腔室中任意横截面积的总和始终是相等的，液体在腔内没有局部压缩作用，从而确保连续、均衡、平稳地输送液体。,30,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,31,单头螺杆泵内液流的运动图,图a是一个完全密封腔室。图b是当转子转动900后，腔室按转 向移动到泵的压力侧，同时下一个腔室又在吸入侧产生。图c为转子转过1800以后的位置。这个连续输液的过程，以连续不断地打开和关闭腔

18、室而实现的。,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,高饱和丁晴橡胶耐芳香烃的溶胀性能差耐磨性能最好 温度适应范围135耐硫化氢和硫化铁性能较好 由于价格昂贵只有在特殊场合才使用,过高的丙烯晴丁晴橡胶非常好的耐油溶性原油比重是0.8

19、87到0.835耐温107机械性能、耐磨性能都是好的,中高丙烯晴丁晴橡胶原油比重大于0.887高含水或含水100%适应温度在+93.3 唯一适应含CO2流体的配方,32,一、螺杆泵定子采用的丁晴橡胶,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,33,定子橡胶机械物理和化学性能要求,螺杆泵工作在油井中高压、疲劳、摩擦、温度、含气，特别是流体中含有H2S 和CO2气体都对橡胶有影响。能否适应油井环境，螺杆泵定子橡胶机械物理化学性能起着决定作用。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,34,螺杆泵使用寿命受综合参数的影响，表中是有关的重要参数，除这些参数外其他参数如橡胶的抗老化性、温度特性也是很重要的。这些参数都是相

20、互影响制约的，不能追求某一参数的高指标，而影响其他参数，推荐参数指标见表,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,35,二、定子橡胶在不同环境下的变化规律,(1)定子橡胶体积随温度的变化 螺杆泵定子橡胶对温度变化较敏感，而螺杆泵温度环境变化较大，在常规温度下橡胶体积随温度的变化率是常数，常数的大小与橡胶的配方有关。,体积随温度的变化,1、定子橡胶随温度的变化,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,36,定子形线也随温度发生变化，橡胶在定子中做内衬，随着环境温度的变化，橡胶体积也随之变化。但是由于定子橡胶约束在定子管内，橡胶的变化只能缩小内孔。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,37,(2)定子橡胶其他性质随温

21、度的变化,橡胶硬度是螺杆泵定子橡胶的一个重要参数，它直接影响到螺杆泵的单级承压能力。硬度越大，螺杆泵的单级承压能力也越大，橡胶的硬度也直接影响到定子橡胶的耐磨性，而橡胶的硬度受温度的影响较大，温度特别低时，橡胶易脆裂，温度适中时，随着温度的升高，橡胶的硬度变软；温度继续升高，橡胶还会软化，变为流体，甚至会燃烧。此外，硬度变低耐磨性能变差，使用寿命也随着温度的升高明显变低。一般来说，井底温度每提高10度，橡胶的使用寿命降低近一半。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,38,橡胶与原油同是高分子化合物，多数橡胶在原油中膨胀，为了缓解这一矛盾，螺杆泵使用丁晴橡胶，再加入一些添加剂，阻止或减缓定子橡胶的溶

22、胀，也就是说橡胶在原油中不仅会溶胀还会收缩，这主要取决于橡胶的配方。,（1）橡胶在原油中的变化规律,2、定子橡胶随流体性质的变化,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,39,（2）橡胶在水中的变化规律 橡胶在水中发生溶胀，质量和体积都发生变化，实验证明质量体积的变化率均为正值，即在水中成正溶胀。,（3）橡胶在油水中的变化规律 橡胶浸在油中或水中都出现溶胀，先浸在一种介质，后再浸在另外一种介质中，先遵循第一种介质的溶胀规律，后遵循另一介质的溶胀规律。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,40,（4）橡胶在原油含水变化时的溶胀规律,橡胶开始收缩后来又溶胀，含水越高体积变化率越大。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过

23、盈量,41,（5）橡胶的气浸,所有橡胶都有渗气性，螺杆泵在油井里工作时，在泵的吸入口处有游离气和溶解气存在，气体的渗透能力好于油和水，慢慢渗入橡胶中。当橡胶内渗满天然气环境压力变小时，橡胶内的气体膨胀，产生的内压大于外压。在内外压差作用下，气体外渗，而外渗的能力较差，气体压力短时间释放不了，产生鼓泡，它严重的影响了泵的使用寿命及工作特性。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,42,（6）目前常用的橡胶配方评价,较好的橡胶配方应具备以下特点,油水溶胀不能超过2%；油中缩小值不大于1%；橡胶粘接性能好，老化系数大，加工工艺好等；耐磨性能好，硬度大，单级承压能力大；扯断强度大，耐高温性能好；耐硫化氢、二

24、氧化碳气体的腐蚀。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,43,式中H泵的总压头 h单泵的单级压头 K螺杆泵定子的级数；,螺杆泵能否正常工作的关键是压 头是否够用,三、螺杆泵单级承压能力及其影响因素分析,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,44,螺杆泵级数确定之后单级承压能力是关键,螺杆泵的实际单级举升压力小于Hr时，泵的容积效率较高；如果单级举升压力大于Hr时，泵的容积效率会迅速下降，导致产量急速降低，不仅泵的效率低，甚至会把泵烧坏。所以设计时，应使螺杆泵的实际单级举升压力小于Hr。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,45,单级承压能力影响因素较多，包括定转子之间的过盈量、螺杆泵的转速、介质的粘度、橡胶

25、的硬度等，但关键是定转子之间的过盈量。,1、定转子之间的过盈量的影响,由于橡胶与金属相比相对较软，螺杆泵工作就是靠定转子之间的过盈承压。螺杆泵的形腔，理论上是线形密封，压缩的越狠橡胶的变形量越大，也就是过盈量越大，从而形成面密封,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,46,过盈量123即过盈量越大，在同一压头下扭矩越大。过盈过大不仅效率降低，还会导致螺杆泵不能正常工作。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,47,由于被抽汲流体在螺杆泵举升过程总的粘滞影响，转速越大，单级承压能力越大；如图1-17所示n3n2n1，在单级压头设计时，应考虑螺杆泵的转速。,2、转速对单级承压能力的影响,第五节 螺杆泵定子橡胶

26、及过盈量,48,3、抽汲流体粘度对单级承压能力的影响,在螺杆泵抽汲的流体种，粘度有较大的区别。温度变化，原油粘度变化较大，流体性质不同，粘度则不同。如含水、含气流体粘度变小，如含降粘剂、含聚丙烯酰铵等，都使螺杆泵特性曲线发生变化，变化趋势如图。流体粘度越大，相同压头条件下容积效率越高。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,49,4、橡胶的硬度对泵容积效率的影响,橡胶与金属形成密封线（面），硬度越小，在同样压力条件下变形量越大，则单级承压能力就越小，否则越大。不同硬度的特性曲线如图1-19所示A1A2A3,一般在邵氏硬度6570，可设计单承压0.50.7MPa，硬度8090，可设计单承压0.81.0

27、MPa。非耐油橡胶可设计较大硬度，以提高单级承压能力和耐磨性。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,50,5、定、转子成形精度的影响,无论什么形状的密封，若成形精度降低，密封性能则明显降低。定、转子之间的动密封更是如此，随着成形精度的降低，泵的容积效率明显下降。它的降低与前几项不同，它从压头很低时就开始降低。如图1-20，F1F2F3F4，同样举升压头的条件下，精度越高，泵的容积效率越高。,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系

28、统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,51,一、螺杆泵的理论排量,当螺杆泵（转子）转动一周（2）时，封闭腔中的液体将沿轴线移动T的距离，在任意横截面中，液体占有的面积为定子橡胶衬套截面所包围的空腔截面与螺杆泵截面积之差，即，因此螺杆每转一周的理论排量q为 故泵的理论流量为,1单螺杆泵的理论排量,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,52,2单螺杆泵的实际排量,螺杆泵为容积泵，在实际工作中，容积效率（具有过盈值的泵）一般取0.80.85，对于负过

29、盈的泵取0.7。在工作过程中橡胶受温度影响，在计算实际排量时要考虑温升的影响。则螺杆泵的实际排量为,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,53,二、螺杆泵的水力功率及泵的轴功率,1.泵的水力功率,式中：为流体密度，kgm3；H为压头，m；Q为泵的排量，m3d；NH为泵的水力功率，kW。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,54,2.泵的轴功率,式中：为泵的效率，与泵流量、压力、介质粘度转速有关，小数；NA为泵的轴功率，kw。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,55,三、转子轴向力,式中：t为转子螺距；为受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离。,设转子螺旋面上某点所受的正压力为dF，则其轴向分量dFa与周向

30、分量dFc的关系为,dF对转子轴线的扭矩为：,积分得到：,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,56,四、螺杆泵扭矩,1转子的有功扭矩,由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体存在一个压差，所以螺杆衬套中的液体将对螺杆泵定、转子施加力的作用。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,57,2定转子之间的摩擦扭矩,螺杆泵定、转子间存在过盈，转子在定子内转动，所以定、转子间存在着摩擦，定子对转子施加摩擦扭矩的作用,式中：K0为定子衬套橡胶的刚度；为衬套橡胶在井下因热胀、溶胀而增加的过盈量；K0可通过测试计算获得；0为初始过盈设计值；可通过地面模拟试验取得；f为橡胶与金属摩擦系数，是一定值。,第六节 螺杆泵的主要性能

31、参数计算,58,五、流体的流速,液体在螺杆泵内的轴向平均理论流动速度,液体在输送腔里流动路线是螺旋状的，因此，液体颗粒在T的全距离上具有更高的速度为：,式中：Qth为泵的理论排量，m3d；F为单螺杆泵的输送过流面积，m2。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,59,六、单螺杆泵特性曲线,下图是单螺杆特性曲线，图中表示出的关系有：排出压力-容积效率的关系，排出压力-机械效率的关系，排出压力-泵轴功率的关系。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,60,理论上讲，单螺杆泵的理论流量Qth=常数，与压力无关，但实际上随着压力的增加通过螺杆衬套的漏失量是增加的，所以单螺杆泵的实际流量随泵的扬程增高而减少。下

32、图所示为单螺杆泵的容积效率和轴功率随压力变化曲线。,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,61,在螺杆泵抽油的井下部件中，抽油杆柱是唯一的也是全部的转动件，受拉、压、扭、磨、疲劳等作用力的影响严重。它是抽油系统中最关键的部分。,一、

33、抽油杆柱受力分析,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,62,F1抽油杆自重，N；F2抽油杆所受的浮力，N；F3液体压差作用在转子上的轴向力，N；F4液体对抽油杆向上的摩擦力，N；F5由于过盈引起的定子对抽油杆的半干摩擦力，N。,1、直井抽油杆的轴向力模型,图1-24 杆柱系统结构受力示意图,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,63,M光杆扭矩，N.m；M0螺杆泵初始扭矩，N.m；M1螺杆泵的工作扭矩，N.m；M2抽油杆和井液的摩擦力，N.m；M3抽油杆的惯性扭矩以及扶正器的摩擦扭矩，N.m。,2、抽油杆的扭矩模型,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,64,二、螺杆泵工作中抽油杆柱的振动分析,抽油杆柱作为一

34、根旋转着的细长弹性杆件，至少存在3种主要振动形式，径向振动、横向振动及扭转振动。,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,65,1、螺杆泵采油井中抽油杆柱纵振固有频率分析,抽油杆柱的纵振主要是由杆柱所承受的轴向动载荷所激发的，若将螺杆泵油井中的抽油杆柱、油管-抽油杆环空中的液柱质量及螺杆考虑成一个整体振动系统，我们可提出纵向振动物理模型，,式中，A为杆柱横断面面积；E为扬氏弹性系数；M为螺杆以上液柱质量。,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,66,2、螺杆泵井抽油杆柱横向振动固有转速计算,一般认为，杆柱的横向振动固有频率计算比较容易实现，作法是，将每根抽油杆两端的接头作为弦的铰支点，铰支点之间的抽油杆作弦

35、振动。,式中，,A为抽油杆横截面积；I为抽油杆横截面惯性矩；u为离开坐标原点任意处抽油杆柱轴线的挠度；,横向共振的严重后果之一，是使直线的抽油杆柱，在旋转下横摆而弯曲。由于弯曲进而引起离心力的作用，进一步加剧了横摆和弯曲，最终导致共振杆段由绕自身轴线旋转(自转)状态变成绕油管中心轴线旋转(公转)。由于其旋转方式象弓箭绕弦旋转，故而一般称其为弓状旋转。弓状旋转还会增大上部杆柱的轴向拉力。,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,67,3、螺杆泵井中抽油杆柱扭转振动固有频率计算,在螺杆泵采油过程中，抽油杆柱的主要运动形式是自旋转，主要受力形式之一是扭转。杆柱承受扭力时的力学模型如图。,第七节 螺杆泵的抽油

36、杆受力分析,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,68,一、螺杆泵采油系统优化设计技术方案,螺杆泵采油系统的优化设计是以整个油井生产系统为研究对象，以各个子系统的协调为基础，以油井的生产能力为依据，以油井的产油量为目的，进行油井的优化设计，充分发挥油层和抽油设备的潜

37、力。,螺杆泵优化设计内容包括：确定油井的生产能力，确定油井生产系统的工作参数，确定油井的产量及有关辅助设备。,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,69,二、节点系统分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,70,图1-31 求解节点在井底的解,把求解点设在下泵深度处就把整个生产系统以井底为界分成两个部分：一部分为油藏中的流动；另一部分为从井底到分离器的管流系统。,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,71,井、泵参数优选原理图,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,72,三、螺杆泵泵型选择和生产参数的设计,螺杆泵优选泵型及参数的原则：,1、泵的工作点在最佳工作区域内，获得较高的机械效率；,2、泵抽应满足油

38、田开发方案的要求，把流压抽到规定的范围内；,3、在泵的压头、排量足够的前提下，尽量增加下泵深度，尽量降低流压，放大生产压差，提高油井产量；,4、在油井条件确定后，泵的压头、排量不能超过的太多，否则螺杆泵工作点离开最佳工作区域；,5、泵的理论排量必须大于泵入口处油、气、水三相流量。气液比较大的井，应采取套管放气，尽量增加下泵深度，减小气体影响程度；,6、螺杆泵在排量压头、抽油杆扭矩、径向尺寸满足的条件下，可采用中低转速80150r/min；在其他条件受到约束时，可通过提高泵的转速，以实现提高泵的排量和压头；,7、泵的压头不够时，可降低下泵深度，提高流压，降低转速，降低油井产液；,8、提高油井产液

39、量，可通过提高泵效，提高泵速、增大理论排量，增加泵的压头，增加下泵深度、提高油层压力，提高采液指数来实现。采取相反的措施将获得相反的结果；,9、当油井地层条件发生变化时，可通过调整泵系统的参数来适应，当泵抽条件发生变化时，也可通过调整地层参数来适应。,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,73,尾管的作用主要是配合螺杆泵的井下锚定,保证螺杆泵锚定后泵上油管处于拉伸状态,从而避免油管弯曲,提高泵效,降低能耗。因此,尾管的总重量应大于或等于固定锚的锚定压力。如果原油粘度大于100mPas,固定锚下要加筛管,以降低油流沿程阻力。,四、尾深的设计,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,74,五、抽油杆的设计,

40、地面驱动螺杆泵是由抽油杆完成动力传递，即电机做功转换为泵对流体做功。设计内容主要包括确定抽油杆的长度、各级抽油杆直径、材料以及如何组合等。,抽油杆长度,下泵深度,抽油杆直径,等强度理论，第四强度理论，力学模型,扶正器设计,扶正器间距的计算,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,75,对于泵型和抽油杆柱已经选择好的油井，抽油参数的设计主要是螺杆泵转速的设计。设计转速时既要考虑的油井动液面的高低，又要考虑到油井抽油杆柱的安全问题。因为抽油杆的扭矩以及轴向力都与转速相关。同时还要考虑泵的许用转速，保证泵的容积效率以及泵转子与定子的润滑。由螺杆泵的产量公式可以得出的转速为：,六、抽油参数的设计,第八节 螺

41、杆泵采油系统的优化设计,76,螺杆泵采油系统优化设计框图,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,77,一、目前常见的诊断方法,1电流法诊断油井故障,电流诊断法是通过测试驱动电机的电流变化来诊断泵工作状况。,优点：仪器简单，测量方便。缺点：不能区分整个采油系统各部分受

42、力对电流的 影响，不容易判断故障的原因。,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,78,2憋压法诊断油井故障,螺杆泵井憋压是在油井开采时，关闭井口生产闸门，使采油泵至井口的油管内在较短的时间内憋起较高压力的操作过程。其目的是检验螺杆泵工作状况，以此诊断出各类故障。,优点：在检验方面有不可替代的一面；有一定的危害性。缺点：有一定的危害性。,3、液量变化法诊断油井故障,优点：作为分析的依据比较现实。缺点：获取信息有限。,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,79,4扭矩法诊断,扭矩法诊断就是对光杆进行扭矩测试，以光杆工作扭矩变化诊断螺杆泵的工况。测定光杆扭矩可以用三参数传感器测试。可测动扭矩

43、，也可测静扭矩。,式中：M为光杆实测扭矩；Mp为举升液体产生的扭矩；Mf为克服定子、转子间的摩擦扭矩；My为抽油杆与举升液体间摩擦阻力扭矩。,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,80,扭矩诊断汇总表,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,81,5载荷法诊断,载荷法诊断就是对光杆进行载荷测试，可测动载荷，也可测静载荷，以光杆工作载荷变化诊断螺杆泵的工况。,载荷诊断汇总表,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,82,二、光杆扭矩、轴向动载荷和转速三参数测试,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,83,安装在驱动头上与光杆卡箍之间的固定式三参数传感器,第九节 螺杆泵采油系统测试与工

44、况诊断技术,84,无线信号发射器，通过插键与传感器相连,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,85,无线信号接收器和数据采集计算机,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,86,可移动式三参数传感器与无线信号发射器,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,87,三参数传感器的垫铁与上、下举升接头,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,88,三、主要故障类型,油井处于正常的生产状态；抽油杆断脱；油管断脱；油管漏失严重；油管结蜡严重；螺杆泵定子脱落；螺杆泵定子磨损严重，油井漏失；螺杆泵定子溶涨；工作参数设置偏低；工作参数设置偏高。,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,89,四、故

45、障诊断步骤,对油井进行测试，取得表征油井状态的信号（即参数），这些信号被称为初始模式；筛选出有用的特征值，形成待检模式；将待检模式与样板模式对比（故障档案），确定故障类型。,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊断技术,90,诊断结果：参数偏低,实际情况：调参后泵效增加偏低,目 录,第一节 螺杆泵采油技术发展过程及其特点,第二节 螺杆泵采油系统的分类及组成,第三节 地面驱动单螺杆泵采油系统主要设备,第五节 螺杆泵定子橡胶及过盈量,第四节 螺杆泵采油系统工作理论基础,第六节 螺杆泵的主要性能参数计算,第七节 螺杆泵的抽油杆受力分析,第八节 螺杆泵采油系统的优化设计,第九节 螺杆泵采油系统测试与工况诊

46、断技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,91,1、螺杆泵专用抽油杆,插接式,大庆油田截止2002年底统计：最长运转周期773天,锥螺纹式,36mm,38mm,25mm,28mm,新井数 总井数,大庆油田截止2002年底统计：现场应用40口井，最长运转周期370天。,31,新井数 总井数,40,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,92,2、等壁厚定子螺杆泵采油技术,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,93,等壁厚定子螺杆泵技术特点分析,良好的散热特性，提高了螺杆泵的工作寿命,较小的受力变形，提高了泵的工作稳定性,单级承压高，提高了系统效率,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,94,3、螺杆泵驱动装置的研制,上置式机械密封,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,95,优选结构参数,提高性能价格比、机械效率和运行时率,油杯结构,彻底解决了油封漏油问题,机械密封,提高性能价格比、机械效率和运行时率,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,96,4、软启停无级调参驱动技术,软启停无级调速提高功率因数降低运行电流节能降耗,工频0.59 变频 0.75,平均12%,+0.16,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,97,5、宽V带机械无级调速驱动装置,第十节 螺杆泵举升工艺目前最新进展,