第十五章_多相混輸泵技術(shù)

1、第十五章第十五章 多相混輸泵技術(shù)多相混輸泵技術(shù)中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)李玉星李玉星一、引言一、引言1.1 1.1 幾個(gè)概念幾個(gè)概念n兩相流油、氣。兩相流油、氣。n三相流油、氣、水。三相流油、氣、水。n多相開采系統(tǒng)油井產(chǎn)生的油、氣、水（有時(shí)還含有砂、天然氣多相開采系統(tǒng)油井產(chǎn)生的油、氣、水（有時(shí)還含有砂、天然氣水合物和蠟等）混合物通過(guò)管線輸送到中央處理裝置的過(guò)程。水合物和蠟等）混合物通過(guò)管線輸送到中央處理裝置的過(guò)程。1.2 1.2 傳統(tǒng)輸送方法傳統(tǒng)輸送方法井口短距離輸送然后進(jìn)行相分離液泵加壓繼續(xù)輸送氣壓縮機(jī)加壓繼續(xù)輸送1.3 1.3 多相混輸技術(shù)多相混輸技術(shù)井口多相泵加壓輸送致目的地1.4 1.4

2、 使用多相泵的目的使用多相泵的目的n減小設(shè)備的資金成本和復(fù)雜性減小設(shè)備的資金成本和復(fù)雜性n消除油水管線和氣體管線的分離消除油水管線和氣體管線的分離n邊際油田的開發(fā)邊際油田的開發(fā)n提高產(chǎn)量提高產(chǎn)量n減小重量和空間需求（海上應(yīng)用）減小重量和空間需求（海上應(yīng)用）n減少氣體水和物減少氣體水和物n延長(zhǎng)油藏開采期限延長(zhǎng)油藏開采期限n減小井口回壓減小井口回壓1.5 1.5 多相泵的經(jīng)濟(jì)影響多相泵的經(jīng)濟(jì)影響n通過(guò)減小井的回壓可以增加產(chǎn)量通過(guò)減小井的回壓可以增加產(chǎn)量n地面設(shè)施的合并地面設(shè)施的合并n衛(wèi)星油田的經(jīng)濟(jì)發(fā)展衛(wèi)星油田的經(jīng)濟(jì)發(fā)展 1.6 1.6 多相泵的分類多相泵的分類n旋轉(zhuǎn)動(dòng)力泵螺旋軸流泵旋轉(zhuǎn)動(dòng)力泵螺旋軸

3、流泵n容積式泵雙螺桿泵容積式泵雙螺桿泵n雙螺桿泵對(duì)多相介質(zhì)具有良好的增壓效果、可靠性高，是世界各雙螺桿泵對(duì)多相介質(zhì)具有良好的增壓效果、可靠性高，是世界各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)。國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)。二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀n法國(guó)石油研究院法國(guó)石油研究院( IFP) 開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)動(dòng)力式多相流混輸開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)動(dòng)力式多相流混輸泵。特點(diǎn)是采用螺旋線葉輪與導(dǎo)葉配合，氣液混合物沿軸泵。特點(diǎn)是采用螺旋線葉輪與導(dǎo)葉配合，氣液混合物沿軸向流動(dòng)，輸送混合物的干度范圍為向流動(dòng)，輸送混合物的干度范圍為00.95，相對(duì)應(yīng)的葉，相對(duì)應(yīng)的葉輪入口氣液比從輪入口氣液比從0到到18 (體積比體積比)。經(jīng)工作臺(tái)試車后，進(jìn)行。經(jīng)工作臺(tái)試

4、車后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)際工作條件下該泵安全運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)際工作條件下該泵安全運(yùn)行5000小時(shí)。小時(shí)。n鮑曼公司在鮑曼公司在80 年代中期開始研制多相泵，年代中期開始研制多相泵，19881992年年在突尼斯試制成功，在突尼斯試制成功，1992年開始市場(chǎng)銷售，作為陸上泵已年開始市場(chǎng)銷售，作為陸上泵已被廣泛采用，特別適合于近海油田的海上平臺(tái)。潛水泵也被廣泛采用，特別適合于近海油田的海上平臺(tái)。潛水泵也在開發(fā)研制，其在開發(fā)研制，其ME型、型、MW型、型、MHP 型和型和MPC 型系列泵型系列泵已在中國(guó)、美國(guó)、加拿大、突尼斯、委內(nèi)瑞拉、德國(guó)等國(guó)已在中國(guó)、美國(guó)、加拿大、突尼斯、委內(nèi)瑞拉、德國(guó)等國(guó)家的陸

5、上和海上油田應(yīng)用，并取得良好效果。家的陸上和海上油田應(yīng)用，并取得良好效果。 n雷斯特利滋公司的第一臺(tái)多相泵于雷斯特利滋公司的第一臺(tái)多相泵于1993 年應(yīng)用于墨西哥年應(yīng)用于墨西哥灣，現(xiàn)在可提供轉(zhuǎn)子直徑灣，現(xiàn)在可提供轉(zhuǎn)子直徑96365mm、最大排量為、最大排量為1650m3/h，含氣率最高可達(dá)，含氣率最高可達(dá)100 %的雙螺桿泵。的雙螺桿泵。n日本日本Natl 石油公司和日本九州大學(xué)的學(xué)者石油公司和日本九州大學(xué)的學(xué)者K. Egashira 等等對(duì)泵內(nèi)回流量與螺桿參數(shù)的關(guān)系做了定性研究，建立了回對(duì)泵內(nèi)回流量與螺桿參數(shù)的關(guān)系做了定性研究，建立了回流量的數(shù)學(xué)模型，分析了回流量與壓差、含氣率及轉(zhuǎn)速等流量的

6、數(shù)學(xué)模型，分析了回流量與壓差、含氣率及轉(zhuǎn)速等因素的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明雙螺桿泵即使在氣塞相當(dāng)嚴(yán)重因素的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明雙螺桿泵即使在氣塞相當(dāng)嚴(yán)重的情況下也能很好工作，對(duì)多相介質(zhì)有良好的增壓效果。的情況下也能很好工作，對(duì)多相介質(zhì)有良好的增壓效果。 n我國(guó)在這方面還處于整機(jī)引進(jìn)和原理機(jī)試制階段。大慶、我國(guó)在這方面還處于整機(jī)引進(jìn)和原理機(jī)試制階段。大慶、勝利等油田已引進(jìn)了陸上用的雙螺桿混輸泵，累了一定的勝利等油田已引進(jìn)了陸上用的雙螺桿混輸泵，累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。有關(guān)科研單位也開始了混輸泵的探索性研制工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。有關(guān)科研單位也開始了混輸泵的探索性研制工作，在雙螺桿多相泵的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研制及多相流的數(shù)值計(jì)作

7、，在雙螺桿多相泵的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研制及多相流的數(shù)值計(jì)算等方面做了大量的工作，已完成了模型機(jī)的試驗(yàn)。但混算等方面做了大量的工作，已完成了模型機(jī)的試驗(yàn)。但混輸技術(shù)的研制開發(fā)工作仍面臨一系列的技術(shù)難題：輸技術(shù)的研制開發(fā)工作仍面臨一系列的技術(shù)難題：n雙螺桿多相泵的設(shè)計(jì)問題。雙螺桿多相泵的設(shè)計(jì)問題。 n雙螺桿多相泵轉(zhuǎn)子型線及刀具研究。雙螺桿多相泵轉(zhuǎn)子型線及刀具研究。 n密封、潤(rùn)滑、冷卻及其附機(jī)配套技術(shù)的研究。密封、潤(rùn)滑、冷卻及其附機(jī)配套技術(shù)的研究。 三、雙螺桿泵工作原理與性能三、雙螺桿泵工作原理與性能3.1 3.1 工作原理工作原理圖圖1 雙螺桿混輸泵工作原理圖雙螺桿混輸泵工作原理圖3.2 3.2 性能特性

8、性能特性3.2.1 3.2.1 流量流量圖圖2 雙螺桿混輸泵流量示意圖雙螺桿混輸泵流量示意圖3.2.2 3.2.2 壓力壓力圖圖3 理想雙螺桿混輸泵壓力分布示意圖理想雙螺桿混輸泵壓力分布示意圖3.2.3 3.2.3 效率效率泵的扭矩泵對(duì)氣液做功之和效率四、雙螺桿泵的特點(diǎn)四、雙螺桿泵的特點(diǎn)4.1 4.1 特點(diǎn)特點(diǎn)n適合中小流量適合中小流量(10 1000m3/h)和低中高各種壓差和低中高各種壓差(010MPa) ；n具有硬特性，即在進(jìn)口參數(shù)或揚(yáng)程發(fā)生變化時(shí)，流量基本不變；具有硬特性，即在進(jìn)口參數(shù)或揚(yáng)程發(fā)生變化時(shí)，流量基本不變；n工作適應(yīng)性廣，可輸送工作適應(yīng)性廣，可輸送0100%范圍內(nèi)任何含氣率的

9、流體；范圍內(nèi)任何含氣率的流體；n運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，能在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效，適合變頻驅(qū)動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，能在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效，適合變頻驅(qū)動(dòng)；n允許輸送介質(zhì)中含泥沙及雜質(zhì)；允許輸送介質(zhì)中含泥沙及雜質(zhì)；n價(jià)格比軸流混輸泵低；價(jià)格比軸流混輸泵低；n重量、尺寸較大。重量、尺寸較大。4.2 4.2 優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì) 多相泵用于油田的開發(fā)，很大的優(yōu)勢(shì)就是降低總投資。表現(xiàn)在兩多相泵用于油田的開發(fā)，很大的優(yōu)勢(shì)就是降低總投資。表現(xiàn)在兩個(gè)方面：個(gè)方面：n與傳統(tǒng)所用的先氣液分離，后分別增壓輸送的兩套獨(dú)立系統(tǒng)相比，與傳統(tǒng)所用的先氣液分離，后分別增壓輸送的兩套獨(dú)立系統(tǒng)相比，多相混輸僅需一套增壓輸送系統(tǒng)即可滿足要求；多相

10、混輸僅需一套增壓輸送系統(tǒng)即可滿足要求；n探頭壓力被降低，提高了單井采油率，減少了開井口數(shù)。探頭壓力被降低，提高了單井采油率，減少了開井口數(shù)。 五、多相混輸泵的設(shè)計(jì)五、多相混輸泵的設(shè)計(jì)5.1 5.1 螺桿齒形及泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺桿齒形及泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n油氣混輸泵的主要工作元件油氣混輸泵的主要工作元件螺桿螺桿。n泵設(shè)計(jì)的要害問題泵設(shè)計(jì)的要害問題螺桿齒形螺桿齒形及及桿與套的間隙。桿與套的間隙。5.2 5.2 雙螺桿泵輸送多相流介質(zhì)的特點(diǎn)雙螺桿泵輸送多相流介質(zhì)的特點(diǎn)n油氣比影響排量油氣比影響排量n多相輸送可減低泵的內(nèi)泄漏量，提高泵的效率多相輸送可減低泵的內(nèi)泄漏量，提高泵的效率n軸向力太大、軸承早期破損軸向力太大

11、、軸承早期破損n用同步齒輪實(shí)現(xiàn)主動(dòng)螺桿向從動(dòng)螺桿傳遞運(yùn)動(dòng)用同步齒輪實(shí)現(xiàn)主動(dòng)螺桿向從動(dòng)螺桿傳遞運(yùn)動(dòng)n在吸入腔下面設(shè)計(jì)一較大的存液區(qū)，當(dāng)發(fā)生段塞流，保證泵的正在吸入腔下面設(shè)計(jì)一較大的存液區(qū)，當(dāng)發(fā)生段塞流，保證泵的正常運(yùn)行。常運(yùn)行。5.3 5.3 非密閉螺桿齒型及設(shè)計(jì)原理非密閉螺桿齒型及設(shè)計(jì)原理n確定非密閉螺桿泵負(fù)荷性質(zhì)的幾何因素確定非密閉螺桿泵負(fù)荷性質(zhì)的幾何因素 螺紋深度螺紋深度 螺距螺距 斷面形狀斷面形狀圖圖4 非密閉螺桿齒型參數(shù)非密閉螺桿齒型參數(shù) r r螺紋根圓半徑螺紋根圓半徑 R R頂圓半徑頂圓半徑5.3.1 5.3.1 各參數(shù)之間的關(guān)系及物理意義各參數(shù)之間的關(guān)系及物理意義 n螺旋升角螺旋升

12、角0時(shí)，螺桿截面齒形為矩形；時(shí)，螺桿截面齒形為矩形；0 0時(shí)，螺桿截面齒形時(shí)，螺桿截面齒形為梯形。為梯形。對(duì)流量對(duì)流量Q Qt t的影響不大，的影響不大，增大時(shí)，排量增大時(shí)，排量Q Qt t有所增大。有所增大。n當(dāng)螺桿外徑當(dāng)螺桿外徑D D取定，即取定，即R=D/2R=D/2時(shí)，時(shí)，r/R=0.4r/R=0.40.70.7。 Q Qt t和和r/Rr/R之間呈拋之間呈拋 物線關(guān)系，物線關(guān)系， 排量排量Q Qt t隨隨r/Rr/R降低而增加降低而增加 。n螺矩為螺矩為t t，t/R=0.5t/R=0.5 1.51.5，排量排量Q Qt t正比與螺距正比與螺距t t。 5.3.2 5.3.2 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法 n已知條件已知條件 泵的機(jī)械效率泵的機(jī)械效率 多相流體中液體的流動(dòng)粘度多相流體中液體的流動(dòng)粘度 H H泵的進(jìn)出口壓差泵的進(jìn)出口壓差 Q Q混輸系統(tǒng)要求的排量混輸系統(tǒng)要求的排量n計(jì)算步驟計(jì)算步驟n1 1、根據(jù)要求的排量、根據(jù)要求的排量Q Q和輸送介質(zhì)情況選定的容積效率和輸送介質(zhì)情況選定的容積效率，求出理求出理論排量論排量Q Qt t；n2 2、參考已有的非密閉螺桿泵參數(shù)和螺桿螺紋特征，初步設(shè)定螺、參考已有的非密閉螺