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螺桿泵合理轉(zhuǎn)數(shù)的研究分析

高偉棟（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

近年來，螺桿泵舉升方式及配套技術已經(jīng)逐步成熟，該項技術也在整個油田得到了廣泛應用。大慶油田采油一廠螺桿泵井數(shù)也從10年前的100余口增至現(xiàn)如今的1600多口。隨著螺桿泵井基數(shù)的增大，如何盡可能延長螺桿泵的檢泵周期，就成了重中之重。影響螺桿泵檢泵周期的原因有很多，作業(yè)的質(zhì)量、日常的維護、桿管的偏磨問題、合理的轉(zhuǎn)速、出砂及蠟堵等等，這些都會減少螺桿泵的使用壽命。其中合理轉(zhuǎn)數(shù)是影響螺桿泵檢泵周期最主要的原因之一。通過分析影響螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)的因素，結(jié)合沉沒度、產(chǎn)量等實際生產(chǎn)參數(shù)，來確定螺桿泵合理的轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間，提高螺桿泵井工作效率。

螺桿泵；合理轉(zhuǎn)數(shù)；工作效率

螺桿泵采油是一種先進的采油工藝技術，因其質(zhì)量輕、尺寸小、地面設備簡單、適應黏度范圍廣、投資費用低、管理簡便、排量調(diào)節(jié)方便、節(jié)能效果好等優(yōu)點，節(jié)能效果明顯以及適應性強等諸多優(yōu)點被廣泛應用。影響螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)的因素主要有螺桿泵的扭矩、舉升過程中力的作用、油井現(xiàn)場實際運行工況以及螺桿泵的泵效幾大原因，其中螺桿泵的泵效與轉(zhuǎn)數(shù)之間的關系尤為重要［1］。合理轉(zhuǎn)數(shù)的確定直接影響螺桿泵的生產(chǎn)能力、檢泵周期以及安全性。

1　影響螺桿泵轉(zhuǎn)速因素分析

1.1轉(zhuǎn)數(shù)與螺桿泵扭矩之間的關系

螺桿泵在運行過程中的主要扭矩有：舉升扭矩、定子轉(zhuǎn)子之間的摩擦扭矩、油管中液體對單位長度抽油桿的摩擦扭矩、加速度引起的慣性扭矩、單個扶正器引起的摩擦扭矩。其中，舉升扭矩與定子轉(zhuǎn)子之間的摩擦扭矩為影響螺桿泵的主要扭矩。

螺桿泵的扭矩M可按下式計算：

式中：M——螺桿泵扭矩，Nm；

Mp——舉升扭矩，Nm；

Mf——定子轉(zhuǎn)子之間的摩擦扭矩，Nm；

My——油管中液體對單位長度抽油桿的摩擦扭矩，Nm；

Ma——加速度引起的慣性扭矩，Nm；

Mz——單個扶正器引起的摩擦扭矩，Nm；

Nx——在深度X以下的扶正器個數(shù)；

L——泵掛深度，m；

X——某點距地面的高度，m。

通過現(xiàn)場實測扭矩曲線（圖1）可得出以下結(jié)論：

1）螺桿泵轉(zhuǎn)速與扭矩是成正比的，即隨螺桿泵轉(zhuǎn)速增大，扭矩也會逐漸增大。

2）由圖中的波浪曲線可知，螺桿泵井運行過程中，扭矩并非平穩(wěn)，而是震動的。

3）由圖中曲線的振幅大小可知，螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)過高或過低都會使螺桿泵的運行變得不平穩(wěn)。

由以上結(jié)論可得，合理的轉(zhuǎn)速可避免扭矩波動過大，使螺桿泵井運行更加平穩(wěn)。

圖1　螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下實測扭矩變化曲線

1.2舉升過程中阻力的作用

螺桿泵在運行過程中，主要受到以下幾種阻力的影響。

1.2.1襯套磨蝕產(chǎn)生的阻力

螺桿泵襯套磨蝕主要以摩擦磨損、疲勞磨損及磨礪磨損為主。泵的襯套磨損量與工作轉(zhuǎn)速的平方成正比［2］。轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)子、襯套之間的滑動速度越大，襯套所受的循環(huán)載荷的頻率也越大，接觸區(qū)的溫升也越高，這就加劇了摩擦磨損及疲勞磨損的程度。所以，從降低襯套磨損、延長泵的壽命角度來看，泵的轉(zhuǎn)速不宜過高。然而，降低泵的轉(zhuǎn)速會對泵的容積效率造成不利的影響。

1.2.2舉升過程中產(chǎn)生的摩擦阻力

螺桿泵采油系統(tǒng)能耗的一部分要用來克服油套環(huán)空內(nèi)井液上升流動的摩擦阻力，計算不同轉(zhuǎn)速條件下流體上升摩擦力對合理轉(zhuǎn)速同樣重要。液體流動摩擦力隨轉(zhuǎn)速增加而增加［3］，但是不同轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)液體流動摩擦力差距較大，在滿足其他條件下，適當降低轉(zhuǎn)速可使摩擦阻力較為明顯的降低，從而能量損失也會明顯降低。

1.2.3泵筒壓力造成的阻力

泵正常工作時，每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)泵將吸入管腔內(nèi)一定量的液體，管腔內(nèi)的壓力將上升。液體受壓縮，定、轉(zhuǎn)子間的間隙漏失速度隨著壓力的增大也將有所增大。這樣，隨著泵不斷地工作，管腔內(nèi)的壓力將不斷上升，降低了泵效。合理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)可以把這種現(xiàn)象的影響盡可能降到最低，使泵效達到最高點。

1.3油井現(xiàn)場實際運行工況的影響

1.3.1原油的物性

原油的黏度增加會使泵的容積效率得到改善，因為黏度越大，分子間的作用力也就越大，表現(xiàn)在螺桿泵上就是密封效果越好，即在同一舉升條件下，介質(zhì)黏度增加，泵的容積效率會升高。

但是原油黏度大，其流動性就差，產(chǎn)生的流動阻力就會很大，對泵的壽命產(chǎn)生嚴重的影響。所以當?shù)貙泳吼ざ容^大時，應將泵的轉(zhuǎn)速調(diào)低些，以增加泵的檢泵周期。

1.3.2溶解氣量的影響

螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)把井液舉升到地面，轉(zhuǎn)子與定子之間會發(fā)生磨擦，磨擦產(chǎn)生的熱量主要是靠舉升的液體來帶走。舉升液體的含氣量多，液體少，帶走的熱量就少，若螺桿泵的轉(zhuǎn)速過高，會造成燒泵現(xiàn)象。因此，對于含氣量多的螺桿泵井，要降低螺桿泵的轉(zhuǎn)速，避免燒泵現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3.3油井供液能力

螺桿泵轉(zhuǎn)速的大小還應與油井自身的供液能力相匹配。若該井供液不足，卻用較高的轉(zhuǎn)數(shù)生產(chǎn)，這顯然是不行的。評價油井產(chǎn)量的指標，做到不同的產(chǎn)量調(diào)整不同的合理轉(zhuǎn)數(shù)，也能有效增加螺桿泵的檢泵周期。

1.4螺桿泵的泵效對轉(zhuǎn)數(shù)的影響

螺桿泵轉(zhuǎn)速與泵效有直接的關系。泵效主要分為容積效率和機械效率。

容積效率η ν計算公式為：

式中：η ν——容積效率，%；

Kν——容積效率常數(shù)；

n——螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；

e——轉(zhuǎn)子偏心距，mm；

D——轉(zhuǎn)子直徑，mm；

T——定子導程，mm；

P——泵出口壓力，Mpa；

ρ——采出液體密度，kg/m3；

L——采出液舉升高度，m；

δ0——泵過盈量，mm；

E——采出液黏度，mPa·s。機械效率ηm計算公式為

式中：ηm——機械效率，%；

Km——機械效率常數(shù)。

由式（2）可看出，在外在參數(shù)不變的情況下，1-ην與η成反比，即容積效率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，轉(zhuǎn)速增大可有效增大舉升揚程，不同程度的彌補了摩擦造成的損失。

m而降低。

因此，選擇合理的轉(zhuǎn)速范圍，可以取得螺桿泵容積效率和機械效率的最佳平衡點，保證合理的泵效，從而延長檢泵周期。

2　理論合理轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間的確定

通過以上分析可知，螺桿泵的轉(zhuǎn)數(shù)對扭矩、泵效、舉升阻力、運行能耗均有不同程度的影響。其中，以轉(zhuǎn)數(shù)與泵效之間的關系尤為重要。通過確定合理的泵效區(qū)間，通過公式，即可計算出理論上的合理轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間。

泵效可由下式計算：

式中：Q——泵的實際排量，m3/d；

Qt——泵的理論排量，m3/d；

dp——螺桿截面直徑，m；

T——襯套的導程，m。

通過查找資料得表1。

表1　3種螺桿泵主要技術參數(shù)　單位：m

通過日常實際管理和學習，分析認為螺桿泵的合理泵效大概在50%～70%。通過計算，大致推算出泵徑為500 mm、800 mm、1200 mm的3種常用螺桿泵的理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間見表2。

表2　3種螺桿泵理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間

由表1和表2分析可得出結(jié)論，500 mm、800 mm、1200 mm的3種常用螺桿泵的理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間大概是80～155 r/min。

3　螺桿泵的實際轉(zhuǎn)數(shù)情況及分析

根據(jù)機房報表信息，現(xiàn)有水驅(qū)螺桿泵井430口，其中φ500 mm、φ800 mm和φ1200 mm的3種常用泵徑，月生產(chǎn)天數(shù)在20 d以上正常生產(chǎn)的螺桿泵井142口（表3）。

表3　三種螺桿泵實際轉(zhuǎn)速統(tǒng)計

由表3可知，在三種常用泵徑螺桿泵井中，有107口井是在80～150 r/min的，低于80 r/min的井35口，沒有高于155 r/min的井。由此可知，大部分螺桿泵還是符合計算出的理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間的。

通過表3發(fā)現(xiàn)，有一部分螺桿泵井是低于理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間的。轉(zhuǎn)速過低會大幅度降低泵的容積效率，增大轉(zhuǎn)子扭矩的波動，導致運行不平穩(wěn)，工作效率也會降低。而且，過低的轉(zhuǎn)速還會導致螺桿泵的防反轉(zhuǎn)裝置失效，從而留下安全隱患。因此，對于轉(zhuǎn)速過低的螺桿泵井，應該在井底供液以及現(xiàn)場機況條件的允許下，適當上調(diào)轉(zhuǎn)速，增加泵效。達到增產(chǎn)和安全生產(chǎn)的目的。

4　結(jié)論

1）螺桿泵的轉(zhuǎn)速與很多參數(shù)和因素密切相關，螺桿泵合理轉(zhuǎn)速的選取應充分考慮不同井的不同工況、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同大小以及不同的使用時期等。根據(jù)實際情況合理調(diào)整轉(zhuǎn)速，提高泵效，延長檢泵周期，提高工作效率。

2）螺桿泵在投產(chǎn)運行初期應低轉(zhuǎn)速運行，避免因螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫度升高和泵筒壓力造成橡膠老化，同時也可以降低舉升過程中的摩擦阻力，減少扭矩的波動性，避免過度磨損以及運行不穩(wěn)定。運行一段時間后，可以依據(jù)產(chǎn)能逐漸提高轉(zhuǎn)速，增加泵效，提高效率。

3）確定合理的泵效區(qū)間，就能夠通過計算，得出合理的理論轉(zhuǎn)速區(qū)間。在泵效在50%～70%時，3種常用泵徑螺桿泵的理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間為80～155 r/min。

4）該采油廠大部分螺桿泵是符合計算出的理論合理轉(zhuǎn)速區(qū)間的。對于轉(zhuǎn)速過低的螺桿泵井，應該在條件允許的情況下，適當上調(diào)轉(zhuǎn)速，增加泵效。達到增產(chǎn)和安全生產(chǎn)的目的。

［1］韓俢廷.螺桿泵采油原理及應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998：17-18.

［2］萬邦烈.單螺桿式水力機械［M］.東營：石油大學出版社，1993：36-37.

［3］陳濤平，胡靖幫.石油工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004：42-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.018

2016-09-07

（編輯賈洪來）

高偉棟，工程師，1998年畢業(yè)于大慶石油學院（石油工程專業(yè)），從事采油工程技術管理工作，E-mail：gaoweidong@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市采油一廠機關油田管理部，163111。