螺桿泵采油基礎知識及配套技術培訓教材

1、螺桿泵采油基礎知識及配套技術培訓教材螺桿泵采油基礎知識 及配套技術 張?zhí)炖?前 言 螺桿泵采油系統(tǒng)是近幾年迅速發(fā)展起來的機械采 油設備，在稠油和出砂采油井中該系統(tǒng)正成為替代抽油機采油的重要 方式。螺桿泵采油技術已日臻成熟，一方面，大批新型螺桿泵相繼問 世，螺桿泵及其配套設備制造質量得到明顯的提高，另一方面，螺桿 泵采油技術及管理水平也有一定進步。 大慶油田使用螺桿泵采油的油 井數量不斷增多。 如何進一步提高螺桿泵采油技術和管理水平， 已成 為國內外各油田普遍關注的問題。 第一章 螺桿泵采油系統(tǒng)的組 成及工作原理 第一節(jié) 螺桿泵采油系統(tǒng)的組成 螺桿泵采油系統(tǒng) 的組成：由電控部分、地面井口部分、井

2、下部分、配套工具部分的幾 部分組成。 1 、電控部分：螺桿泵井的控制部分，即電控箱，是控制 電機的起、停。 2 、地面井口部分：也是驅動裝置部分，將動力傳給 井下泵轉子使轉子實現行星運動，實現抽汲液、油的機械裝置。它包 括電機、機械密封、減速箱、支架、封井器、防反轉裝置、皮帶、皮 帶輪等。 3 、井下部分：即是螺桿泵，由定子和轉子組成。 4、配套 工具部分： （1）、抽油桿扶正環(huán) （ 2）、油管扶正器 （ 3）、抽油桿 防脫器 （4）、油管錨定器 （5）洗井器等 第二節(jié) 螺桿泵的 介紹： 1 、螺桿泵的轉子：螺桿泵的轉子是由合金鋼調質后經防腐耐 磨處理形成的一段螺紋狀金屬直桿。 轉子的任一截面

3、都是半徑為 R的 圓，每一截面中心相對整個轉子的中心位移都有一個偏心距 E，轉子 的螺距為 t 。 2 、螺桿泵的定子：螺桿泵定子是由丁晴橡膠襯套澆 鑄粘接在鋼體外套內形成的一種腔體裝置。 襯套內表面是雙螺旋曲面 （或多螺旋曲面）。定子的任一截面是由兩個半徑為 R的圓（等于轉 子截面圓的半徑） 和兩個直線段組成。 直線段的長度等于兩個半圓的 中心距，因為螺桿圓斷面的中心相對于它的軸線有一個偏心距 E，而 螺桿本身的軸線相對襯套的軸線又有同一個偏心距 E，這樣，兩個半 圓的中心距就等于 4E。襯套的內螺旋面和螺桿旋面的旋向相同，且 內螺旋的導程 T為螺桿螺距 t 的二倍，即 T=2t。 T t

4、e 當轉 子在定子襯套中所處位置不同時， 它們的接觸點也是不同的， 轉子截 面位于襯套長圓形斷面兩端時， 轉子與定子的接觸為半圓弧線， 而在 其它位置時，僅有兩點接觸。由于轉子和定子是連續(xù)嚙合的，這些接 觸點就構成了空間密封線， 在定子襯套的一個導程 T 內形成一個封閉 腔室。這樣，沿著螺桿泵的全長，在定子襯套內螺旋面和轉子表面形 成一系列封閉腔室，如圖 3 所示。當轉子轉動時，舉升介質便進入另 一個腔室，隨著轉子的轉動，這個腔室開始封閉，并沿著軸向排出端 移動，封閉腔室在排出端消失，同時在吸入端形成新的封閉腔室。由 于封閉腔室的不斷形成、 運動和消失， 使舉升介質通過一個一個封閉 腔室，從吸

5、入端擠到排出端，壓力不斷升高，排量保持不變。 第三 節(jié) 螺桿泵工作原理： 采油螺桿泵是單螺桿式水利機械的一種 , 是擺線內嚙合螺旋齒輪副的一種應用 . 螺桿泵的轉子、定子副是利用 擺線的多等效動點效應， 在空間形成封閉腔室， 當轉子和定子作相對轉動時，封閉腔室能作軸向移動，使其中的液體從一端移向另一端，實現機械能和液體能的相互轉化，從而實現舉升液體的作用。 第四 節(jié) 螺桿泵的表示方法 1 、型號的表示方法： 主要用螺桿泵的排 量和級數來表示：例如： GLB800-14GLB 桿式驅動井下單螺桿泵 800 泵每轉排量800毫升 14 泵的總級數為 14 級 2 、螺桿泵理論排量 800 型的計算

6、公式： 例如： GLB800-14 單螺桿泵的實際轉速 n=100轉/ 分理論排量公式： Q=800*100*1440*10-6=115.2m3/d； 3 、螺桿泵的理論排量由下式確定 Q=4EDTn=5.76x 10-6 EDTn 式中 Q 螺桿泵的理論排量， m3/d； E 轉子的偏心距， mm； D 轉子截圓直徑， mm， D=2R； T 定子導程， mm， T=2t ； n 轉子的轉速， r/min 。 t 轉子的螺距， mm 螺桿泵的實際排量 Q為 Q= Qv 式中v 螺桿泵的容積效率， %。由 上面兩個公式可以看出螺桿泵的理論排量或實際排量與螺桿泵的結 構參數 E、D、T和工作參數

7、 n 有關系。對現有螺桿泵的結構和作用情 況進行分析表明，在 E、D、T 三者間存在一定的聯(lián)系，就是在這三個 參數維持一定比值的條件下，螺桿泵才能保證高效率的長期的工作。 第二章 螺桿泵工作特性分析 第一節(jié) 螺桿泵 工作特性曲線 由螺桿泵的原理可知，其定、轉子間過盈在一定程度 上決定了單級承壓能力的大小， 如上圖所示， 過盈量將直接影響螺桿 泵工作特性。過盈小會降低舉升能力，而過盈大會增加定、轉子間的 摩擦，降低效率。因此，定、轉子間的過盈選擇是螺桿泵制造的關鍵技術之一。 從試驗曲線說明隨著轉速的提高， 在同一舉升高度條件 下，泵的容積效率升高； 在同一容積效率條件下， 泵的舉升高度增加。 但

8、另一方面，由于螺桿泵的定、轉子間有一定的過盈值，轉子在定子 內旋轉時，定子橡膠受到周期性壓縮， 產生摩擦面的自動升溫和疲勞。 在井溫比較高的情況下， 加速了橡膠分子鏈的重新組合， 使彈性模數 減小，從而降低疲勞特性及金屬套和橡膠結合面上粘結劑的強度， 也 加速定子橡膠的老化而縮短其壽命。 從試驗得知， 自動升溫值和壓縮 疲勞以及橡膠的老化是加載頻率 (即轉速 ) 的函數，因此，選擇泵的適 當轉速是很有必要的。 一般來說，近幾年設計的地面驅動采油螺桿泵， 最高轉速均在 300r/min 左右，而最常用的轉速為 50200r/min 。 對 于高含砂油井，磨蝕是限制泵轉速的又一重要因素。在磨蝕工況

9、下， 定子橡膠的磨損量與轉速的平方成正比。因此，在高含砂油井，螺桿 泵不宜高速運轉。 第二節(jié) 影響螺桿泵工作特性的幾個因素 1 、 定、轉子加工質量對螺桿泵特性的影響 定子內腔直線度對泵特性的 影響 轉子直線度對泵特性的影響 轉子偏心距和截面圓直徑對泵特 性的影響 2 、舉升介質對螺桿泵特性的影響溫度對泵特性的影響在同一凈舉升高度條件下，溫度升高，螺桿泵容積效率也隨之提高， 但試驗發(fā)現， 溫度升高泵扭矩變化不明顯。 (2) 介質粘度對螺桿泵 工作特性的影響 通過室內和現場試驗表明，試驗介質的粘度增加也 會使泵的容積效率得到改善，因為粘度越大，分子間的力就越大，外 力破壞其結構就越困難，表現在螺

10、桿泵上，就是密封效果變好，即在 同一凈舉升高度條件下，試驗介質粘度增加，泵的容積效率升高。但另一方面，抽油桿在液體介質中作旋轉運動，隨著介質粘度的增加，抽油桿與液體的摩擦力增加，表現為抽油桿的扭矩增加。 第三節(jié) 影響螺桿泵使用壽命的主要因素 影響螺桿泵使用壽命的因素很多， 通過長期的實踐摸索，從產品質量的角度分析其主要因素有以下幾 點。1、定、轉子的加工精度及表面光潔度；2、定子橡膠的耐溫、耐油、耐氣浸性能；3、定子橡膠與金屬外套的粘結強度；4、定子內腔及轉子的直線度；5、定、轉子間合理過盈量的選擇； 6 、轉子合理轉速的確定。 第三章 螺 桿泵采油配套工藝技術 第一節(jié) 選井選泵技術 所謂螺桿

11、泵 選井選泵技術是依靠油井的狀況來合理選擇螺桿泵的泵型、 確定泵的 工作參數， 或根據某一規(guī)格的螺桿泵來選井。 而螺桿泵采油井的合理 工況是指油井在合理流壓下生產，螺桿泵在合理工作區(qū)域內工作。 由螺桿泵的工作特性曲線可知， 螺桿泵同潛油電泵一樣存在最佳工 作區(qū)域。經過幾年來的實驗研究認為， 把螺桿泵工作特性曲線分為 A、 B、C三個區(qū)域較為合理。其中 A 為合理工作區(qū)， B為軟工作區(qū)， C為 不合理工作區(qū)，區(qū)域邊界的確定方法大致如下。 上限：泵容積 效率應大于 65%； B 區(qū)：螺桿泵在該區(qū)工作，雖然泵效高，但系統(tǒng)效 率低，有效揚程低， 不但泵的潛能沒得到發(fā)揮， 而且因生產壓差過小， 油井產能

12、也被抑制。因此螺桿泵不應工作在 B 區(qū)。 A 區(qū)：螺桿泵在 該區(qū)工作，取 B、C區(qū)之長，避 B、 C區(qū)之短， 流壓與排量、系統(tǒng)效 率的關系不敏感，生產穩(wěn)定性好。 C 區(qū)：螺桿泵在該區(qū)工作，盡管 有效揚程較高，但泵漏失嚴重，系統(tǒng)效率非常低，因而螺桿泵在 C區(qū)工作很不經濟， 而且螺桿泵在 C區(qū)工作穩(wěn)定性差， 泵效與流壓關系敏 感，故螺桿泵不應在區(qū)工作 第二節(jié) 檢測技術 由于螺桿泵本 身結構材質以及加工工藝的復雜性，致使螺桿泵的工作特性的穩(wěn)定 性、互換性較差， 所以在螺桿泵下井前必須對其工作特性及其加工質 量進行全面檢測。 通過檢測可以有效地避免不合格產品下井， 同時為 螺桿泵的選井、選泵提供技術依

13、據，也為設計參數選擇、制造工藝改 進提供主要的基礎依據。 第三節(jié) 管柱防脫技術 因為螺桿 泵的轉子在定子內順時針轉動， 工作負載直接表現為扭矩， 轉子扭矩 作用在定子上，定子的扭矩會使上部的正扣油管倒扣造成管柱脫扣， 所以螺桿泵的管柱必須實行防脫措施。 可靠的防脫措施有兩種： 錨定 工具、反扣油管。 1 、支撐卡瓦 支撐卡瓦的結構圖和平面展開圖 2 、 Y221型螺桿泵不壓井機械式油管錨的應用 為解決螺桿泵井作業(yè)時壓 井問題，試驗應用了 Y221型螺桿泵不壓井機械式油管錨。該油管錨 將錨定和不壓井作用合二為一， 連接在螺桿泵下方， 正常起下管柱時， 油管錨內部的密封套將油管密封， 井下液體不能

14、從油管內流出， 達到 不壓井作業(yè)的目的。 （1）工作原理 : 該油管錨與普通油管錨一樣連 接在螺桿泵下方，正常起 下油管時 ,Y221 型自封式油管錨內部的密 封套將油管蜜封， 井下液體不能從油管內流出；當需要座封時；上 提管柱約 500 mm，右旋油管 3-4 圈，（多轉無害、邊提邊轉最佳） ， 然后下 放管柱，即可座封。如中途座封、 或需要解封，只需上提管 柱 1-1.5 米即可。 （2）Y221自封式油管錨結構 : Y221 型螺桿泵不壓 井機械式油管錨結構示意圖 第四節(jié) 桿柱防脫技術 1 、首先，對抽油桿柱脫扣機理進行探討： （ 1）抽油桿柱脫扣機理分析 （a） 負載扭矩過大停機后桿柱

15、高速反轉造成抽油桿脫扣 螺桿泵采油井一 旦發(fā)生蠟堵、結蠟嚴重或卡泵時，負載扭矩會明顯加大，因而整個桿 柱上貯存一定量的彈性變形能， 一旦停機或過載停機， 桿柱內貯存的 彈性變形能要釋放， 從而造成桿柱高速反轉， 特別是桿柱上部即在彈 性變形能釋放后，在慣性力的作用下，要繼續(xù)反轉，從而會使桿柱絲 扣聯(lián)接處倒扣，造成桿柱脫扣。（b）停機后油管內液體回流桿柱反轉造成抽油桿脫扣 如果螺桿泵采油井突然停機，而且油井動液面 較深，那么停機后， 螺桿泵在管柱內的液力作用下， 將驅動轉子反轉， 帶動桿柱反轉脫扣。（c）轉子在油套環(huán)空內的液力作用下轉動，造成桿柱脫扣 對于那些產液能力較強并有一定自噴能力的螺桿 泵井（指大排量螺桿泵而言） ，一旦停機，套壓會很高，螺桿泵在油 套環(huán)空液力的作用下， 將驅動轉子正向轉動， 而此時轉子將帶動桿柱 正向轉動， 轉子轉動將使整個桿柱的螺紋聯(lián)接處于倒扣