螺桿泵采油基礎(chǔ)知識(shí)及配套技術(shù)培訓(xùn)教材

1、螺桿泵采油基礎(chǔ)知識(shí)及配套技術(shù)培訓(xùn)教材螺桿泵采油基礎(chǔ)知識(shí) 及配套技術(shù) 張?zhí)炖?前 言 螺桿泵采油系統(tǒng)是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的機(jī)械采 油設(shè)備，在稠油和出砂采油井中該系統(tǒng)正成為替代抽油機(jī)采油的重要 方式。螺桿泵采油技術(shù)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(shè)備制造質(zhì)量得到明顯的提高，另一方面，螺桿 泵采油技術(shù)及管理水平也有一定進(jìn)步。 大慶油田使用螺桿泵采油的油 井?dāng)?shù)量不斷增多。 如何進(jìn)一步提高螺桿泵采油技術(shù)和管理水平， 已成 為國(guó)內(nèi)外各油田普遍關(guān)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(jī)的起、停。 2 、地面井口部分：也是驅(qū)動(dòng)裝置部分，將動(dòng)力傳給 井下泵轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽汲液、油的機(jī)械裝置。它包 括電機(jī)、機(jī)械密封、減速箱、支架、封井器、防反轉(zhuǎn)裝置、皮帶、皮 帶輪等。 3 、井下部分：即是螺桿泵，由定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子：螺桿泵的轉(zhuǎn)子是由合金鋼調(diào)質(zhì)后經(jīng)防腐耐 磨處理形成的一段螺紋狀金屬直桿。 轉(zhuǎn)子的任一截面

3、都是半徑為 R的 圓，每一截面中心相對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子的中心位移都有一個(gè)偏心距 E，轉(zhuǎn)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(nèi)形成的一種腔體裝置。 襯套內(nèi)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(gè)半徑為 R的圓（等于轉(zhuǎn) 子截面圓的半徑） 和兩個(gè)直線段組成。 直線段的長(zhǎng)度等于兩個(gè)半圓的 中心距，因?yàn)槁輻U圓斷面的中心相對(duì)于它的軸線有一個(gè)偏心距 E，而 螺桿本身的軸線相對(duì)襯套的軸線又有同一個(gè)偏心距 E，這樣，兩個(gè)半 圓的中心距就等于 4E。襯套的內(nèi)螺旋面和螺桿旋面的旋向相同，且 內(nèi)螺旋的導(dǎo)程 T為螺桿螺距 t 的二倍，即 T=2t。 T t

4、e 當(dāng)轉(zhuǎn) 子在定子襯套中所處位置不同時(shí)， 它們的接觸點(diǎn)也是不同的， 轉(zhuǎn)子截 面位于襯套長(zhǎng)圓形斷面兩端時(shí)， 轉(zhuǎn)子與定子的接觸為半圓弧線， 而在 其它位置時(shí)，僅有兩點(diǎn)接觸。由于轉(zhuǎn)子和定子是連續(xù)嚙合的，這些接 觸點(diǎn)就構(gòu)成了空間密封線， 在定子襯套的一個(gè)導(dǎo)程 T 內(nèi)形成一個(gè)封閉 腔室。這樣，沿著螺桿泵的全長(zhǎng)，在定子襯套內(nèi)螺旋面和轉(zhuǎn)子表面形 成一系列封閉腔室，如圖 3 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舉升介質(zhì)便進(jìn)入另 一個(gè)腔室，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)腔室開始封閉，并沿著軸向排出端 移動(dòng)，封閉腔室在排出端消失，同時(shí)在吸入端形成新的封閉腔室。由 于封閉腔室的不斷形成、 運(yùn)動(dòng)和消失， 使舉升介質(zhì)通過(guò)一個(gè)一個(gè)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(jī)械的一種 , 是擺線內(nèi)嚙合螺旋齒輪副的一種應(yīng)用 . 螺桿泵的轉(zhuǎn)子、定子副是利用 擺線的多等效動(dòng)點(diǎn)效應(yīng)， 在空間形成封閉腔室， 當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，封閉腔室能作軸向移動(dòng)，使其中的液體從一端移向另一端，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和液體能的相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)舉升液體的作用。 第四 節(jié) 螺桿泵的表示方法 1 、型號(hào)的表示方法： 主要用螺桿泵的排 量和級(jí)數(shù)來(lái)表示：例如： GLB800-14GLB 桿式驅(qū)動(dòng)井下單螺桿泵 800 泵每轉(zhuǎn)排量800毫升 14 泵的總級(jí)數(shù)為 14 級(jí) 2 、螺桿泵理論排量 800 型的計(jì)算

6、公式： 例如： GLB800-14 單螺桿泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n=100轉(zhuǎn)/ 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(zhuǎn)子的偏心距， mm； D 轉(zhuǎn)子截圓直徑， mm， D=2R； T 定子導(dǎo)程， mm， T=2t ； n 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， r/min 。 t 轉(zhuǎn)子的螺距， mm 螺桿泵的實(shí)際排量 Q為 Q= Qv 式中v 螺桿泵的容積效率， %。由 上面兩個(gè)公式可以看出螺桿泵的理論排量或?qū)嶋H排量與螺桿泵的結(jié) 構(gòu)參數(shù) E、D、T和工作參數(shù)

7、 n 有關(guān)系。對(duì)現(xiàn)有螺桿泵的結(jié)構(gòu)和作用情 況進(jìn)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(gè) 參數(shù)維持一定比值的條件下，螺桿泵才能保證高效率的長(zhǎng)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(zhuǎn)子間過(guò)盈在一定程度 上決定了單級(jí)承壓能力的大小， 如上圖所示， 過(guò)盈量將直接影響螺桿 泵工作特性。過(guò)盈小會(huì)降低舉升能力，而過(guò)盈大會(huì)增加定、轉(zhuǎn)子間的 摩擦，降低效率。因此，定、轉(zhuǎn)子間的過(guò)盈選擇是螺桿泵制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。 從試驗(yàn)曲線說(shuō)明隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子間有一定的過(guò)盈值，轉(zhuǎn)子在定子 內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子橡膠受到周期性壓縮， 產(chǎn)生摩擦面的自動(dòng)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(shù) 減小，從而降低疲勞特性及金屬套和橡膠結(jié)合面上粘結(jié)劑的強(qiáng)度， 也 加速定子橡膠的老化而縮短其壽命。 從試驗(yàn)得知， 自動(dòng)升溫值和壓縮 疲勞以及橡膠的老化是加載頻率 (即轉(zhuǎn)速 ) 的函數(shù)，因此，選擇泵的適 當(dāng)轉(zhuǎn)速是很有必要的。 一般來(lái)說(shuō)，近幾年設(shè)計(jì)的地面驅(qū)動(dòng)采油螺桿泵， 最高轉(zhuǎn)速均在 300r/min 左右，而最常用的轉(zhuǎn)速為 50200r/min 。 對(duì) 于高含砂油井，磨蝕是限制泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的平方成正比。因此，在高含砂油井，螺桿 泵不宜高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 第二節(jié) 影響螺桿泵工作特性的幾個(gè)因素 1 、 定、轉(zhuǎn)子加工質(zhì)量對(duì)螺桿泵特性的影響 定子內(nèi)腔直線度對(duì)泵特性的 影響 轉(zhuǎn)子直線度對(duì)泵特性的影響 轉(zhuǎn)子偏心距和截面圓直徑對(duì)泵特 性的影響 2 、舉升介質(zhì)對(duì)螺桿泵特性的影響溫度對(duì)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(yàn)發(fā)現(xiàn)， 溫度升高泵扭矩變化不明顯。 (2) 介質(zhì)粘度對(duì)螺桿泵 工作特性的影響 通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，試驗(yàn)介質(zhì)的粘度增加也 會(huì)使泵的容積效率得到改善，因?yàn)檎扯仍酱?，分子間的力就越大，外 力破壞其結(jié)構(gòu)就越困難，表現(xiàn)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(yàn)介質(zhì)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(zhì)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著介質(zhì)粘度的增加，抽油桿與液體的摩擦力增加，表現(xiàn)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(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐摸索，從產(chǎn)品質(zhì)量的角度分析其主要因素有以下幾 點(diǎn)。1、定、轉(zhuǎn)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(jié)強(qiáng)度；4、定子內(nèi)腔及轉(zhuǎn)子的直線度；5、定、轉(zhuǎn)子間合理過(guò)盈量的選擇； 6 、轉(zhuǎn)子合理轉(zhuǎn)速的確定。 第三章 螺 桿泵采油配套工藝技術(shù) 第一節(jié) 選井選泵技術(shù) 所謂螺桿

11、泵 選井選泵技術(shù)是依靠油井的狀況來(lái)合理選擇螺桿泵的泵型、 確定泵的 工作參數(shù)， 或根據(jù)某一規(guī)格的螺桿泵來(lái)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(chǎn)，螺桿泵在合理工作區(qū)域內(nèi)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(jīng)過(guò)幾年來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為， 把螺桿泵工作特性曲線分為 A、 B、C三個(gè)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(yīng)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(yáng)程低， 不但泵的潛能沒得到發(fā)揮， 而且因生產(chǎn)壓差過(guò)小， 油井產(chǎn)能

12、也被抑制。因此螺桿泵不應(yīng)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(zhǎng)，避 B、 C區(qū)之短， 流壓與排量、系統(tǒng)效 率的關(guān)系不敏感，生產(chǎn)穩(wěn)定性好。 C 區(qū)：螺桿泵在該區(qū)工作，盡管 有效揚(yáng)程較高，但泵漏失嚴(yán)重，系統(tǒng)效率非常低，因而螺桿泵在 C區(qū)工作很不經(jīng)濟(jì)， 而且螺桿泵在 C區(qū)工作穩(wěn)定性差， 泵效與流壓關(guān)系敏 感，故螺桿泵不應(yīng)在區(qū)工作 第二節(jié) 檢測(cè)技術(shù) 由于螺桿泵本 身結(jié)構(gòu)材質(zhì)以及加工工藝的復(fù)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(duì)其工作特性及其加工質(zhì) 量進(jìn)行全面檢測(cè)。 通過(guò)檢測(cè)可以有效地避免不合格產(chǎn)品下井， 同時(shí)為 螺桿泵的選井、選泵提供技術(shù)依

13、據(jù)，也為設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、制造工藝改 進(jìn)提供主要的基礎(chǔ)依據(jù)。 第三節(jié) 管柱防脫技術(shù) 因?yàn)槁輻U 泵的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 工作負(fù)載直接表現(xiàn)為扭矩， 轉(zhuǎn)子扭矩 作用在定子上，定子的扭矩會(huì)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(shí)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(jié)構(gòu)圖和平面展開圖 2 、 Y221型螺桿泵不壓井機(jī)械式油管錨的應(yīng)用 為解決螺桿泵井作業(yè)時(shí)壓 井問題，試驗(yàn)應(yīng)用了 Y221型螺桿泵不壓井機(jī)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(shí)， 油管錨內(nèi)部的密封套將油管密封， 井下液體不能

14、從油管內(nèi)流出， 達(dá)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(shí) ,Y221 型自封式油管錨內(nèi)部的密 封套將油管蜜封， 井下液體不能從油管內(nèi)流出；當(dāng)需要座封時(shí)；上 提管柱約 500 mm，右旋油管 3-4 圈，（多轉(zhuǎn)無(wú)害、邊提邊轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu) : Y221 型螺桿泵不壓 井機(jī)械式油管錨結(jié)構(gòu)示意圖 第四節(jié) 桿柱防脫技術(shù) 1 、首先，對(duì)抽油桿柱脫扣機(jī)理進(jìn)行探討： （ 1）抽油桿柱脫扣機(jī)理分析 （a） 負(fù)載扭矩過(guò)大停機(jī)后桿柱

15、高速反轉(zhuǎn)造成抽油桿脫扣 螺桿泵采油井一 旦發(fā)生蠟堵、結(jié)蠟嚴(yán)重或卡泵時(shí)，負(fù)載扭矩會(huì)明顯加大，因而整個(gè)桿 柱上貯存一定量的彈性變形能， 一旦停機(jī)或過(guò)載停機(jī)， 桿柱內(nèi)貯存的 彈性變形能要釋放， 從而造成桿柱高速反轉(zhuǎn)， 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(zhuǎn)，從而會(huì)使桿柱絲 扣聯(lián)接處倒扣，造成桿柱脫扣。（b）停機(jī)后油管內(nèi)液體回流桿柱反轉(zhuǎn)造成抽油桿脫扣 如果螺桿泵采油井突然停機(jī)，而且油井動(dòng)液面 較深，那么停機(jī)后， 螺桿泵在管柱內(nèi)的液力作用下， 將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)， 帶動(dòng)桿柱反轉(zhuǎn)脫扣。（c）轉(zhuǎn)子在油套環(huán)空內(nèi)的液力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，造成桿柱脫扣 對(duì)于那些產(chǎn)液能力較強(qiáng)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(jī)，套壓會(huì)很高，螺桿泵在油 套環(huán)空液力的作用下， 將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動(dòng)， 而此時(shí)轉(zhuǎn)子將帶動(dòng)桿柱 正向轉(zhuǎn)動(dòng)， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)將使整個(gè)桿柱的螺紋聯(lián)接處于倒扣