姜海峰 何艷（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

近幾年，大慶油田螺桿泵井的應(yīng)用數(shù)量迅速增加，截至2011年底，螺桿泵在用井數(shù)7 813口，已成為繼抽油機之后的第二大舉升方式。但從應(yīng)用情況看，螺桿泵檢泵周期與抽油機相比存在較大差距，系統(tǒng)效率維持在30%左右，其系統(tǒng)能耗仍然偏高。為解決這一問題，開發(fā)了地面直驅(qū)裝置和等壁厚螺桿泵，并將其集成配套應(yīng)用實現(xiàn)了降低螺桿泵井能耗和生產(chǎn)成本的目的。

1 新型螺桿泵地面直驅(qū)裝置

驅(qū)動裝置是井下螺桿泵動力輸入設(shè)備，目前油田上廣泛采用防爆型異步電動機驅(qū)動、皮帶傳動、齒輪減速結(jié)構(gòu)。由于傳動部件多，自身能耗大，地面效率低，在規(guī)?；瘧?yīng)用中，還暴露出調(diào)參困難、維護工作量大、防反轉(zhuǎn)裝置不可靠等問題。為了有效地解決傳統(tǒng)螺桿泵地面驅(qū)動裝置存在的問題，開發(fā)了新型螺桿泵直驅(qū)裝置，取消了皮帶傳動和機械減速器部分，采用立式空心軸電動機直接驅(qū)動螺桿泵光桿，簡化了主體結(jié)構(gòu)。螺桿泵地面直驅(qū)裝置包括驅(qū)動頭和控制器兩個部分。

1.1 驅(qū)動頭部分結(jié)構(gòu)

驅(qū)動部分由方卡、機械密封、立式交流永磁電機、軸承箱、卡持密封機構(gòu)和支架等部分組成。驅(qū)動電機做成空心軸結(jié)構(gòu)，光桿從電機空心軸穿過，通過方卡與電動機輸出軸聯(lián)接，整個裝置通過底部支架法蘭坐在井口上，出油口與地面管線連接（圖1）。

1.2 工作原理

供電線路的交流電通過控制器驅(qū)動電動機，由電動機直接驅(qū)動光桿旋轉(zhuǎn)，把動力傳遞給井下抽油桿和螺桿泵，將井下流體舉升到地面，采出液經(jīng)出油口進入地面輸油管線。調(diào)參通過控制器的面板或旋鈕的操作來實現(xiàn)。反轉(zhuǎn)控制采用柔性的電氣能耗制動方式，桿柱的反轉(zhuǎn)動能驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電能消耗在制動電阻上。

1.3 技術(shù)特點

1.3.1 傳動效率高，節(jié)能效果顯著

電動機直接驅(qū)動負載，減少了傳動部件的能量損耗；永磁電動機沒有勵磁損失，功率因數(shù)接近1，傳動效率高。通過室內(nèi)試驗，直驅(qū)裝置的傳動效率可以達到85%，相同工況條件下，比常規(guī)裝置提高約10%（圖2）。

1.3.2 安全穩(wěn)定，運行可靠性高

直驅(qū)裝置的重心與光桿重合，對中性好，與電動機側(cè)置式傳統(tǒng)驅(qū)動裝置相比，高速運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更好。采用電氣能耗反轉(zhuǎn)制動，使反轉(zhuǎn)扭矩緩慢釋放，可有效避免抽油桿脫扣、機械損壞及人身傷害事故的發(fā)生，減少了故障發(fā)生率，使系統(tǒng)運行更安全可靠。

1.3.3 操作簡單，調(diào)速性能好

利用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)了自動軟啟動和軟停機，無須機械保護。實現(xiàn)了通過人機界面實時無級調(diào)速功能，在額定電壓下，轉(zhuǎn)速在0～250 r/min之間可調(diào)。調(diào)速范圍寬，調(diào)速平滑，操作簡便。

1.3.4 啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強

永磁變速電動機系統(tǒng)可以用3～4倍的額定轉(zhuǎn)矩啟動，過載能力是300%額定轉(zhuǎn)矩，能夠滿足螺桿泵低轉(zhuǎn)速、大扭矩的啟動要求，良好的啟動特性和過載能力可以極大地提高系統(tǒng)適應(yīng)性，防止了“大馬拉小車”的浪費現(xiàn)象。

2 等壁厚螺桿泵

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

理論分析和應(yīng)用情況表明，螺桿泵定子不僅是易損部件，而且與轉(zhuǎn)子的配合狀況直接影響螺桿泵的工作性能。常規(guī)螺桿泵定子是由丁腈橡膠澆鑄在鋼體泵筒內(nèi)形成的，襯套內(nèi)表面是雙螺旋曲面，其厚薄不均（圖3）。這種結(jié)構(gòu)存在著諸多不足：在工作條件下的溶脹、溫脹不同，降低了定子橡膠襯套的型線和尺寸精度，改變了定轉(zhuǎn)子嚙合作用，增大了摩擦損失，降低了泵工作效率和使用壽命；螺桿泵工作過程產(chǎn)生的熱量主要聚集在橡膠最厚的部分，過高的溫度使橡膠物性發(fā)生改變，導(dǎo)致定子過早失效。

因此，研制了新型等壁厚螺桿泵（圖4）,通過改變定子外管形狀，將定子橡膠襯套設(shè)計成均勻厚度，等壁厚螺桿泵定子外管形狀與橡膠襯套一致，呈雙螺旋幾何形狀。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

等壁厚螺桿泵雖然只是將易損部件——厚薄不均的定子橡膠襯套設(shè)計成均勻厚度,但其在應(yīng)用過程中表現(xiàn)的特性卻有很大的差別，與常規(guī)螺桿泵相比,這種泵具有許多優(yōu)點：

1）均勻的橡膠膨脹，改善了泵的工作性能。等壁厚螺桿泵定子橡膠溶脹、溫脹均勻,運轉(zhuǎn)時具有更好的型線和尺寸精度，泵密封性能好,有利于長時間維持高泵效。

2）單級承壓高，提高了系統(tǒng)效率。均勻厚度的橡膠襯套在動態(tài)過程中抵抗變形的能力好，單級承壓高。試驗表明，在相同過盈量下，等壁厚定子螺桿泵的單級承壓能力是常規(guī)泵的3倍。因此定轉(zhuǎn)子間可以最小的過盈達到最佳的配合，運轉(zhuǎn)扭矩低，摩擦損失小，提高了泵系統(tǒng)效率。

3）良好的散熱特性，延長了螺桿泵的工作壽命。等壁厚螺桿泵定子橡膠層薄且均勻，具有良好的散熱性能，可以減緩橡膠的熱老化,延長泵的使用壽命，降低作業(yè)費用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

截至目前，大慶油田直驅(qū)等壁厚螺桿泵應(yīng)用87口井，已有17口井運轉(zhuǎn)周期超過600天。通過跟蹤測試，對傳統(tǒng)驅(qū)動螺桿泵井與新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井生產(chǎn)情況進行了對比分析（表1），統(tǒng)計井數(shù)50口。

表1 傳統(tǒng)驅(qū)動螺桿泵井與直驅(qū)等壁厚螺桿泵井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

通過實際節(jié)能分析，可以看出新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井比傳統(tǒng)驅(qū)動螺桿泵井泵效提高10.23個百分點，系統(tǒng)效率提高7.3個百分點，每天節(jié)電38 kWh，每年每口井可節(jié)電約13 870 kWh。平均噸液百米耗電量比傳統(tǒng)螺桿泵井低0.226 kWh，節(jié)能效果達到23.6%。

4 結(jié)論及認識

1）新型螺桿泵地面直驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，高效節(jié)能，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2）等壁厚螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計降低了定子橡膠對工況環(huán)境的敏感性，使螺桿泵在運轉(zhuǎn)時具有更好的型線和尺寸精度，實現(xiàn)了改善螺桿泵使用性能、延長泵高效運轉(zhuǎn)時間和工作壽命的目的。

3）通過實際應(yīng)用分析，新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井與傳統(tǒng)螺桿泵井相比，泵效和系統(tǒng)效率得到提高，節(jié)能效果更為明顯。為了突出集成技術(shù)的優(yōu)勢，形成規(guī)?；б?，應(yīng)加大直驅(qū)等壁厚螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用力度。