石油工程畢業(yè)論文螺桿泵合理轉(zhuǎn)速研究

1、 高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（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 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，其應(yīng)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(zhuǎn)速范圍，對指導(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。本文通過對螺桿泵發(fā)展歷史、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的調(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；通過給出螺桿泵進(jìn)出口壓差計算公式和對抽油桿進(jìn)行了受力分

2、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，編制了計算機(jī)程序，并進(jìn)行了10口井的現(xiàn)場試驗(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)場試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了一些合理化建議，對延長螺桿泵壽命、指導(dǎo)螺桿泵井生產(chǎn)有一定應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：螺桿泵 工作特性曲線 轉(zhuǎn)速 泵效 系統(tǒng)效率目 錄第1章 概 述11.1 螺桿泵采油的發(fā)展歷史11.2 國內(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1

3、33.1砂粒的影響133.2 定子與轉(zhuǎn)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(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)有了較長的發(fā)展歷史，19世紀(jì)20年代中期法國人勒內(nèi)·莫依諾發(fā)明設(shè)計出這種泵，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始生產(chǎn)螺桿泵1。1945年以來，螺桿泵在技術(shù)和制造工藝上都做了大量的

4、改進(jìn)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(yīng)用，50年代中期，莫依諾原理（moyno theory）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。我國從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，國內(nèi)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(jié)構(gòu)形式2：一是地面驅(qū)動采油螺桿泵，它是井下采油螺桿泵中最簡單的結(jié)構(gòu)

5、形式，也是國內(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(shí)現(xiàn)深井采油。為地面驅(qū)動單螺桿泵提供動力的裝置是驅(qū)動頭。驅(qū)動頭所需的動力主要由電動機(jī)或者液壓馬達(dá)提供。由電動機(jī)作動力的驅(qū)動頭，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)作動力調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速非常方便。二是電動潛油單螺桿泵，它的最大特點(diǎn)是螺桿泵和驅(qū)動其工作的電機(jī)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

6、前蘇聯(lián)和法國，近年來，美國等發(fā)達(dá)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(jīng)濟(jì)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(jī)等組成。三是單螺桿液動機(jī)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(qū)動底部螺桿襯套副旋轉(zhuǎn)，由底部螺桿襯套副作為泵來實(shí)現(xiàn)采油作業(yè)，目前，這種裝置在國外已投入現(xiàn)場應(yīng)用，但數(shù)量很少。1.2 國內(nèi)外應(yīng)

7、用現(xiàn)狀在國外應(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900m1550m，排量為80m3/d160m3/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(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)動部分的壽命在5年以上。推

8、薦螺桿泵的工作轉(zhuǎn)速在500r/min以下。法國pcm pompes公司生產(chǎn)的地面驅(qū)動采油單螺桿泵的下井深度達(dá)到了2000m，排量為120m3/d，使用情況良好。美國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，無法應(yīng)用普通泵，最后選用了螺桿泵。泵的下入深度為800m900m，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，最長的定轉(zhuǎn)子使用壽命達(dá)

9、4.7年，有多臺達(dá)到了3.8年。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，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(zhuǎn)子的

10、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(jī)械傳動的慣性損失，泵內(nèi)無閥件和復(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

11、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)動從吸入端向排出端移動，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800 mpa·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

12、腐蝕和耐熱等物理化學(xué)性質(zhì)，同時，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(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入高含水期，為了確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，外國的一些低滲透油田也進(jìn)入了開發(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，在今后的石油開采中，以螺桿泵作為舉升工具的采油井?dāng)?shù)量還會繼續(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

13、泵。大慶油田自1986年引進(jìn)首臺螺桿泵以來.經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收、自主開發(fā)3個階段.到目前為止.地而驅(qū)動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、對介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)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(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

14、越高。但在現(xiàn)場調(diào)參中發(fā)現(xiàn)，為了使螺桿泵的沉沒度保持在合理范圍內(nèi)，對高沉沒度井進(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。如果螺桿泵長期處于高速運(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，整個抽油系統(tǒng)的負(fù)荷上升。提高轉(zhuǎn)速的同時，桿管系統(tǒng)受力的疲勞程度也隨之增加，地面驅(qū)動裝置受力條件變差，電機(jī)實(shí)耗功率增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一定值時，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，對指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有著重要意義。1.3.2 研究內(nèi)容（1）在介紹螺桿泵結(jié)構(gòu)及工作原理的

15、基礎(chǔ)上，對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，編制計算機(jī)程序，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(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內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的地面驅(qū)動井下單螺桿泵采油系統(tǒng)主要由地面驅(qū)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(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

16、（1）地面驅(qū)動部分地面驅(qū)動裝置（驅(qū)動頭）是螺桿泵采油系統(tǒng)的主要地面設(shè)備，它是把動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)動裝置有無級調(diào)速和分級調(diào)速兩種類型。機(jī)械傳動的驅(qū)動裝置主要由以下幾部分組成：減速箱。主要作用是傳遞動力并實(shí)現(xiàn)一級減速。它將電機(jī)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(fù)荷傳遞到采油樹上。電機(jī)。它是螺桿泵的動力源，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。一般采用防爆型三相異步機(jī)。密封盒。主要作用是防止井液流出，起密封井口的目的。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

17、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，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。該裝置能自動顯示、記錄螺桿泵井正常生產(chǎn)時的電流、電壓等，有過載、欠載自動保護(hù)功能，確保油井的正常生產(chǎn)。（4）配套工具部分 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(qiáng)度，減小了地面驅(qū)動裝置的振動，起到保護(hù)光桿和換密封盒時密封井口的作用。 特殊光桿。它強(qiáng)度大、防斷裂、

18、光潔度高，有利于井口密封。 抽油桿防倒轉(zhuǎn)裝置。防止了抽油桿倒扣。 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(shè)備帶動抽油桿柱旋轉(zhuǎn)，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動，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(zhuǎn)子多一條螺旋線，所以在轉(zhuǎn)子與定子間形成一個個互不連通的封閉腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)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(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

19、沿著自己的軸線旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(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)動時（行星運(yùn)動），密封腔室在軸線方向沿螺旋線運(yùn)動，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1

20、80°過程中，轉(zhuǎn)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(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(jìn)入第一個密封腔室，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(jī)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(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數(shù)和每級能夠承受（實(shí)現(xiàn)可靠密封）的

21、壓力大小。在螺桿泵結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(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)

22、效率可由下式計算 (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 動液面深度，m； 油壓，mpa； 套壓，mpa； 混合

23、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(jī)輸入功率，kw；根據(jù)螺桿泵采油系統(tǒng)工作特點(diǎn)，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(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

24、：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)效率的問題也就轉(zhuǎn)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(nèi)檢測試驗(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：容積效率曲線容積效率與揚(yáng)程的關(guān)系曲線；曲線：扭矩曲線轉(zhuǎn)子扭矩與揚(yáng)程的關(guān)系曲線；曲線：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

25、三條工作特性曲線如圖2-4所示16。05004003002001000100806040201214161820264810p, mpa, v, %m, n·m圖2-4 螺桿泵工作特征曲線2.4 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，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，容積效率緩慢降低，干摩擦變?yōu)橛袧櫽偷哪Σ?，機(jī)械效率升高；當(dāng)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(zhuǎn)子、定子間的摩擦變?yōu)橐后w之間

26、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，系統(tǒng)效率曲線上a、c兩點(diǎn)分別對應(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，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。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(diǎn)落在合理工作區(qū)外的左側(cè)，這時雖然容積效率幾乎為100%，但潤油不充分，機(jī)械效率非常低，

27、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(diào)研大量研究資料并經(jīng)過綜合考慮后，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。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(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%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(nèi)的密封線，常常嵌入定子的

28、表面，泵運(yùn)轉(zhuǎn)時磨損轉(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，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，會將轉(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)砂粒的速度對螺桿泵的影響分為兩個方面：可以預(yù)測的螺桿泵內(nèi)部流速和不可以預(yù)測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滑動。3.2 定子與

29、轉(zhuǎn)子間配合間隙對螺桿泵效率的影響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)動是嚙合運(yùn)動，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)計偏心距時，定子與轉(zhuǎn)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(dāng)實(shí)際偏心距大于設(shè)計偏心距值，會使定子與轉(zhuǎn)子之間的過盈量很大，甚至?xí)箛Ш线\(yùn)動發(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

30、合理過盈量之內(nèi)。（2）轉(zhuǎn)子直徑的誤差轉(zhuǎn)子直徑如果過小，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連通，失去舉升能力。對于舉升低粘度（小于100 mpa·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)的不同時刻，過盈量有所不同。如果圓度誤差較大，轉(zhuǎn)子的某個部位因?yàn)橹睆捷^小，實(shí)現(xiàn)不了過盈配合，那么在運(yùn)轉(zhuǎn)的某一時刻某一嚙合點(diǎn)會出現(xiàn)間隙，降低舉升能力；同時，過盈量的不均勻也會導(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

31、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)子之間的合理過盈量。（3）導(dǎo)程的誤差導(dǎo)程誤差會使定子與轉(zhuǎn)子的嚙合位置發(fā)生變化，即發(fā)生干涉；同時，定子與轉(zhuǎn)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(dǎo)程誤差偏大時，即使由于定子橡膠的軟特性使其嚙合運(yùn)動發(fā)生干涉也能運(yùn)轉(zhuǎn)，但要損失很多級的舉升能力，要達(dá)到舉升只有靠過盈，但是摩擦扭矩會大大增加，直接導(dǎo)致螺桿泵的效率很低。導(dǎo)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(dǎo)程的誤差 導(dǎo)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(zhuǎn)子表面的接觸線

32、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(yán)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(jìn)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

33、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）相對運(yùn)動時形成密閉容腔；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，在此過程中所形成閉合容腔作軸向移動，從而帶動介質(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)動是嚙合運(yùn)動，定子與轉(zhuǎn)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(yùn)動發(fā)生干涉。螺桿泵定子與轉(zhuǎn)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(zhì)的漏失量。過盈值越大，螺桿泵的工作扭矩也越大，介質(zhì)漏失量降低，單級工作壓差就越高；過盈值越小，螺桿泵的工作

34、扭矩越小，單級工作壓差也越低，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(zhuǎn)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)glb40-420.150.30glb280-200.210.42glb75-400.150.30glb500-140.210.42glb120-270.200.40glb800-140.240.48glb200-330.250.50glb1200-140.330.663.2.3 定子橡膠的溶脹、溫脹及磨損螺桿泵工作在油井

35、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(zhuǎn)子之間的間隙變小，過盈量增大，干涉定子與轉(zhuǎn)子之間的嚙合運(yùn)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(shí)際儲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計算公式為 (3-2) (3-3)式中 定子橡

36、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，定子在一個導(dǎo)程內(nèi)與轉(zhuǎn)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

37、溫脹及磨損在螺桿泵的工作過程中，螺桿泵的定子與轉(zhuǎn)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(nèi)泄）增大；當(dāng)螺桿泵在額定工作壓力以下工作時，定子與轉(zhuǎn)子接觸得很緊密，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時摩擦力很大，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)過流部件長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

38、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)計螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙時，必須保證螺桿泵在額定壓力和轉(zhuǎn)速下工作時的回流量在規(guī)定的設(shè)計指標(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)計既可保證間隙的存在，又可保證螺桿泵的自吸和輸送能力2425。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(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

39、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，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(chǎn)生大量的熱量。流體與定子橡膠摩擦產(chǎn)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(guān)。（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。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，允許的溫度偏高，螺桿泵在工作的過程中不允

40、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(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，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(yīng)維持在合理范圍。對于新井、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)計尤為重要。另一方面，對于已經(jīng)處在生產(chǎn)狀態(tài)中的螺桿泵井來說，在螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括導(dǎo)程、轉(zhuǎn)子直徑、偏心距、過盈量）、定子橡膠確定的條件下，以及生產(chǎn)過程中井下條件、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

41、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)速過低，將會發(fā)生卡泵現(xiàn)象；反過來，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)， ，確定下來后，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)整不但會影響排量的變化，同時也會影響到沉沒度的變化，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度一般低于400m26；有的認(rèn)為合理沉沒度應(yīng)控制在200m-300m27,28；有的認(rèn)為沉沒度應(yīng)控制在200

42、m-500m29；也有的認(rèn)為沉沒度應(yīng)控制在200m400m30。綜合以上文獻(xiàn)的研究成果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為，螺桿泵井沉沒度在200m400m是較為合理的。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(jī)以膠帶傳動或直接傳動兩種方式驅(qū)動抽油桿和轉(zhuǎn)子

43、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)動時產(chǎn)生的粘性阻力、轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動時所造成的摩擦損失所組成。由水力學(xué)知識，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，作用在

44、抽油桿上的轉(zhuǎn)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(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、井液向上流動對抽油桿產(chǎn)生的摩擦力及溫度效應(yīng)所引起的軸向力。根據(jù)抽油桿受力時的力學(xué)特點(diǎn),在建立模型時假設(shè)：抽油桿

45、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(zhuǎn)子上的軸向力，即泵壓頭作用在螺桿泵的轉(zhuǎn)子上對抽油桿柱產(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 (

46、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(fù)載扭矩地面驅(qū)動的單螺桿泵抽油井是由地面動力驅(qū)動抽油桿帶動其轉(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)動螺桿泵抽油井在正常工作時，原動機(jī)通過抽油桿柱帶動螺桿泵旋轉(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

47、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通過螺桿襯套副的作用，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，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動，螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子間存在過盈配合，所以定轉(zhuǎn)子間存在著摩擦，定子對轉(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)子間的初始過盈產(chǎn)生的

48、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，即必須有一定的過盈量，原因是： 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； 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； 由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生慣性力和液壓徑向力，這兩個力的合力將使轉(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。螺桿泵的單級工作壓差主要是靠定子和轉(zhuǎn)子間的過盈量來實(shí)現(xiàn)的29，過盈量越大，單級工作壓差就越大，轉(zhuǎn)子的扭矩也就越大；過盈

49、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(zhuǎn)子之間摩擦扭矩主要是由定子與轉(zhuǎn)子間的過盈量來決定的。通過對轉(zhuǎn)子與定子初始過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盈量成正比，而與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成反比。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得與、的關(guān)系式為：· (4-22)式中 轉(zhuǎn)子與定子初始過盈所產(chǎn)生的摩擦扭矩，n·m； 泵定子與轉(zhuǎn)子初始過盈值，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

50、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，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(jié)果使摩擦扭矩基本沒有變化。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：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)

51、為當(dāng)泵轉(zhuǎn)速從50 r/min增加到250 r/min時，油浸后的摩擦扭矩增量從45.5 n·m增加到48 n·m，取其平均值為47 n·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)動螺桿泵工作時，地面驅(qū)動頭通過抽油桿柱帶動井下螺桿泵旋轉(zhuǎn)，抽油桿柱將會受到環(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； 抽油桿長度，m.4.2.3 抽油桿強(qiáng)度校核與設(shè)計分析在滿足強(qiáng)度極限的條

52、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)對于實(shí)心抽油桿抗扭結(jié)面模量； (4-30)對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，計算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下該泵型螺桿泵進(jìn)出口壓差并對抽油桿進(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

53、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glb800-18型螺桿泵，給出其在b1-321-53井中的合理轉(zhuǎn)速。為簡便快捷地計算出泵進(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 = 98 r/min）程序計算結(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)過計算校核后抽油桿安全系數(shù)為6.4，高于通