地面驅(qū)動(dòng)多線螺桿泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

地面驅(qū)動(dòng)多線螺桿泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

近年來(lái)，隨著聚合物驅(qū)油技術(shù)在大慶的發(fā)展和完善，傳統(tǒng)的挖掘機(jī)和電泵在提升和釋放聚醚液體時(shí)暴露出許多問(wèn)題。泵壓主要用于轉(zhuǎn)向油罐，泵壓主要用于過(guò)剩電機(jī)。雖然采用了幾種技術(shù)措施，但它們并不是從根本上處理的。特別是當(dāng)含有高濃度較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聚吡咯，導(dǎo)致泵壓和水泵產(chǎn)水泵，產(chǎn)液周期顯著減少。而螺桿泵作為一種新興的舉升設(shè)備,由于其對(duì)黏稠液體良好的適應(yīng)性及舉升工藝技術(shù)的日臻完善,在國(guó)內(nèi)許多油田都得到了越來(lái)越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。目前僅大慶油田在用的螺桿泵總井?dāng)?shù)就已超過(guò)了1700口,但同時(shí)由于油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期,綜合含水逐年上升,目前已達(dá)到90%,因此日產(chǎn)液在180m3以上的高產(chǎn)液采出井也在逐年增加,先前的螺桿泵產(chǎn)品系列已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)高產(chǎn)液井的舉升需要。在這一背景下,為了進(jìn)一步拓寬螺桿泵的排量范圍和產(chǎn)品系列,滿足聚驅(qū)大排量采出井的舉升需要,于2001年開(kāi)展了地面驅(qū)動(dòng)大排量螺桿泵舉升技術(shù)的研究工作。1glb400-14螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于大排量螺桿泵的設(shè)計(jì)而言,首先面臨的問(wèn)題就是如何選擇螺桿泵的線數(shù)。螺桿泵排量的提高可以通過(guò)2種途徑,一是沿用常規(guī)單線螺桿泵的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)增大泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)提高排量;二是采用多線螺桿泵設(shè)計(jì)方法,通過(guò)增加泵的線數(shù)滿足排量要求。以GLB1200型螺桿泵為例,要實(shí)現(xiàn)所要求的排量,在合理的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),螺桿泵的轉(zhuǎn)排量至少要達(dá)到1200mL。先前大慶油田應(yīng)用的最大排量的單線螺桿泵型號(hào)為GLB800-14,如果采用單線的設(shè)計(jì)方法,則必須在GLB800-14螺桿泵的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大設(shè)計(jì)參數(shù),才能滿足排量要求,如表1所示?？梢钥闯?采用單線設(shè)計(jì)方法,螺桿泵的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不盡合理,尤其是偏心距的增加,對(duì)于螺桿泵的水力特性及工作壽命都存在較大的負(fù)面影響,定子導(dǎo)程的增長(zhǎng)也會(huì)給螺桿泵帶來(lái)加工制造困難及成本增加等問(wèn)題。如果采用多線的設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)顯示,采用多線設(shè)計(jì)方法能夠有效降低泵的結(jié)構(gòu)參數(shù),與單線螺桿泵相比參數(shù)配比更為合理。另外經(jīng)過(guò)計(jì)算得出,單線螺桿泵定子橡膠厚度最大差值為20mm,而多線螺桿泵為14.5mm,兩者相差5.5mm?？梢钥闯龆嗑€螺桿泵能夠明顯降低定子橡膠厚度的不均勻性,從而較大程度地改善定子橡膠的散熱能力,在螺桿泵工作過(guò)程中,不但能提高泵的機(jī)械性能,而且有利于延長(zhǎng)泵的使用壽命。但由于螺桿泵線數(shù)增加的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生工作扭矩增大的現(xiàn)象。因此為了保證螺桿泵具有較小的工作扭矩,在滿足排量要求的前提下,定、轉(zhuǎn)子應(yīng)選擇最小的頭數(shù)比——2∶3。綜上所述,最終將新產(chǎn)品定型為2∶3結(jié)構(gòu)的GLB1200-14型大排量螺桿泵。2螺桿泵舉升系統(tǒng)扭矩的影響螺桿泵的線數(shù)增加后,必然會(huì)導(dǎo)致工作扭矩的上升,尤其是對(duì)于大排量螺桿泵舉升系統(tǒng)而言,扭矩的增加對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作可靠性及壽命的影響至關(guān)重要。因此,項(xiàng)目攻關(guān)過(guò)程中很重要的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是針對(duì)2∶3結(jié)構(gòu)的GLB1200-14螺桿泵,如何降低定、轉(zhuǎn)子間摩擦扭矩的研究工作。2.1抽油桿泵的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩螺桿泵在井下正常工作時(shí)系統(tǒng)扭矩(即光桿扭矩)由以下幾部分組成:(1)有功扭矩:泵舉升油液靜壓頭產(chǎn)生的扭矩。(2)無(wú)功扭矩:主要包括以下幾項(xiàng):泵克服油管頭壓力產(chǎn)生的扭矩;泵克服油管內(nèi)油液沿程阻力損失產(chǎn)生的扭矩;螺桿泵定、轉(zhuǎn)子間摩擦扭矩(定、轉(zhuǎn)子間初始過(guò)盈配合及定子橡膠溶脹和熱脹產(chǎn)生的扭矩);抽油桿柱在井液中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦扭矩。分析表明,螺桿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩主要與結(jié)構(gòu)參數(shù)及壓力差有關(guān)M=M0ΔpCTD3/(2Zs)M0=(Zr?1)/2+2/πKeD=2eZsKe=e/rtΜ=Μ0ΔpCΤD3/(2Ζs)Μ0=(Ζr-1)/2+2/πΚeD=2eΖsΚe=e/rt式中M0——螺桿泵的特征扭矩,即單位幾何尺寸和單位壓力差的扭矩,N·m;Δp——螺桿泵排出端和吸入端的壓力差,MPa;CT——定子導(dǎo)程系數(shù);D——螺桿泵的計(jì)算直徑,mm;Zs——螺桿泵定子頭數(shù);Zr——螺桿泵轉(zhuǎn)子頭數(shù);e——螺桿泵轉(zhuǎn)子偏心距,mm;rt——螺旋表面嚙合齒半徑,mm。上述公式表明,螺桿泵扭矩的主要影響因素為M=f(δ?CT?e3)Μ=f(δ?CΤ?e3)式中δ——螺桿泵定、轉(zhuǎn)子間初始過(guò)盈值,mm。針對(duì)上述螺桿泵扭矩主要影響因素的分析結(jié)果,開(kāi)展了以下方面的研究工作。2.2通過(guò)選擇螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)降低系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)扭矩2.2.1螺桿泵水力特性由于螺桿泵扭矩與轉(zhuǎn)子偏心距的立方成正比,因此偏心距的合理選擇對(duì)于螺桿泵扭矩的影響至關(guān)重要。根據(jù)上述約束條件,偏心距的選取不但要與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)具有較為合理的匹配關(guān)系,同時(shí)還要保證螺桿泵具有較好的水力特性和壽命指標(biāo)。GLB1200-14型螺桿泵的偏心距為7.5mm,比目前應(yīng)用的GLB800-14型螺桿泵的偏心距(8.5mm)還要小,因此,在兼顧螺桿泵綜合性能指標(biāo)的前提下,通過(guò)約束條件,能夠?qū)D(zhuǎn)子偏心距進(jìn)行有效地控制,從而最大程度地減小由于頭數(shù)的增加而增長(zhǎng)的扭矩。2.2.2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制為了保證螺桿泵定、轉(zhuǎn)子之間不發(fā)生自鎖現(xiàn)象,對(duì)定子導(dǎo)程系數(shù)進(jìn)行控制,這樣不但能夠保證螺桿泵的可靠啟動(dòng),而且還使得螺桿泵的扭矩不致于過(guò)大增長(zhǎng)。2.3螺桿泵使用壽命高在保證螺桿泵容積效率和舉升能力的前提下,適當(dāng)減小螺桿泵定、轉(zhuǎn)子間過(guò)盈值,不但能夠降低定、轉(zhuǎn)子間摩擦扭矩,提高泵的機(jī)械效率,而且可以通過(guò)降低定、轉(zhuǎn)子間的接觸載荷和接觸應(yīng)力,減輕定、轉(zhuǎn)子磨損,有利于延長(zhǎng)螺桿泵使用壽命。雖然在運(yùn)轉(zhuǎn)中后期,可能會(huì)發(fā)生泵效下降、舉升能力不足等問(wèn)題,但利用大排量較中、小排量螺桿泵離心特性更為明顯的特點(diǎn),適當(dāng)提高工作轉(zhuǎn)速可以在一定程度上彌補(bǔ)泵效和舉升能力的損失。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明:將過(guò)盈值減小0.10～0.15mm,螺桿泵初始扭矩可由150.39N·m降至100.03N·m,降幅超過(guò)30%,而且水力特性達(dá)到了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,如圖1、2所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井的測(cè)試數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。10口井?dāng)?shù)據(jù)表明,在平均動(dòng)液面456m條件下,最大工作扭矩1394N·m,最小工作扭矩403N·m,采用φ38×6mm空心抽油桿,最小安全系數(shù)2.15,平均安全系數(shù)4.09,完全能夠保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。3結(jié)構(gòu)螺桿泵為了進(jìn)一步對(duì)比分析單線和多線2種結(jié)構(gòu)GLB1200-14螺桿泵的性能區(qū)別,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,并在同一口井中進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明,在工況基本相同條件下,該井采用1∶2結(jié)構(gòu)螺桿泵后雖然泵效一直保持穩(wěn)定,但與采用2∶3結(jié)構(gòu)螺桿泵工作時(shí)相比,泵效和系統(tǒng)效率都明顯偏低,分別相差了22及21.6個(gè)百分點(diǎn),而且工作扭矩也明顯偏大,多線泵與單線泵相比還是表現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢(shì)。目前大排量螺桿泵已實(shí)現(xiàn)系列化,泵型包含GLB1200、GLB1400和GLB1600,均為2∶3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可滿足實(shí)際180～300m3/d聚驅(qū)高產(chǎn)液井的舉升需要。目前大慶油田在用的大排量螺桿泵總井?dāng)?shù)已達(dá)到146口井,平均泵效62.9%,平均動(dòng)液面378m,平均運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率94.3%,平均免修期339d,取得了良好的應(yīng)用效果。4應(yīng)用效果評(píng)估4.1我們充分利用了大規(guī)模集成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,平均產(chǎn)液為198m3/d,最高的達(dá)到了265m3/d,能夠較好滿足聚驅(qū)高產(chǎn)液井的舉升需求。4.2泵的有效能力仍然很高統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,在平均動(dòng)液面378m的條件下,平均泵效達(dá)到了62.9%,保持了較高水平。4.3供排時(shí)間及檢泵周期措施前產(chǎn)液井和電泵在生產(chǎn)過(guò)程中都暴露出一些問(wèn)題,主要表現(xiàn)為對(duì)聚合物采出液不適應(yīng)及對(duì)聚驅(qū)過(guò)程中供排關(guān)系的變化不適應(yīng),平均檢泵周期不足200d。措施后到目前為止,平均運(yùn)轉(zhuǎn)已超過(guò)300d,表現(xiàn)出了良好的工作狀況。4.4平均情況對(duì)比以GLB1200-14型螺桿泵為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),裝機(jī)功率30kW,平均有功功率16.58kW,與14型抽油機(jī)相比,日耗電節(jié)約77.3kW·h;與200m3/d電泵相比,日耗電節(jié)約495.4kW·h,節(jié)能效果顯著。5確定適用的程線數(shù)(1)對(duì)于大排量螺桿泵而言,通過(guò)增加螺桿泵線數(shù)與增大結(jié)構(gòu)參數(shù)提高排量的設(shè)計(jì)方法相比具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。(2)在螺桿泵設(shè)計(jì)過(guò)程中線數(shù)的選擇,