張濤（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

等壁厚定子螺桿泵節(jié)能效果分析

張濤（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

自1980年引進(jìn)螺桿泵采油技術(shù)以來，大慶油田螺桿泵井已經(jīng)達(dá)到8000口以上，配套的生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測等配套技術(shù)實現(xiàn)了逐步完善?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，螺桿泵在應(yīng)用超過500天后泵效下降幅度較大，出現(xiàn)了調(diào)整工作轉(zhuǎn)速后增產(chǎn)效果差的問題。通過分析制約螺桿泵井系統(tǒng)效率的主要因素，得出泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間的漏失量增加引起的。通過改變螺桿泵定子外殼的形狀，研制了等壁厚定子螺桿泵。這種螺桿泵定子襯套的橡膠層厚度處處相等，大幅度降低了由于橡膠溫、溶脹引起的形變幅度，提高了螺桿泵的工作性能，系統(tǒng)效率上升5個百分點，節(jié)電率達(dá)到18.5%，取得了良好的節(jié)能效果。

等壁厚；螺桿泵；定子；節(jié)能

1 影響系統(tǒng)效率的主要原因

大慶油田目前在用螺桿泵井超過8000口，是大慶油田的主要人工舉升方式之一[1]?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，螺桿泵在應(yīng)用超過500天后泵效下降幅度較大，出現(xiàn)調(diào)整工作轉(zhuǎn)速后增產(chǎn)效果差的問題。統(tǒng)計結(jié)果顯示，近5年來螺桿泵系統(tǒng)效率維持在30%左右，一直沒有有效的技術(shù)措施來提高螺桿泵井系統(tǒng)效率[2]。依據(jù)螺桿泵采油系統(tǒng)的組成部分，將螺桿泵的系統(tǒng)效率分成兩個部分，即地面效率和井下效率[3]。

地面系統(tǒng)的能量損耗主要來源于電動機、驅(qū)動頭一級減速系統(tǒng)和皮帶，因此

式中：η地面——螺桿泵井地面系統(tǒng)效率；

P光——光桿功率，kW；

P入——輸入功率，kW；

η1——電動機效率；

η2——驅(qū)動頭一級減速系統(tǒng)和皮帶的效率。井下系統(tǒng)的能量損耗主要來源于井下的桿、管柱和泵，因此

式中：η地下——螺桿泵井下系統(tǒng)效率；

P水——水功率，kW；

η3——泵效；

η4——桿柱效率；

η5——管柱效率。

在保持一定的工作壓差范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)螺桿泵，排量的穩(wěn)定性較好，當(dāng)生產(chǎn)壓差超過定子襯套腔室的密封臨界值時會發(fā)生漏失，且壓差越大，漏失情況越嚴(yán)重。

泵的轉(zhuǎn)速過低會導(dǎo)致液面抽不下去，雖然螺桿泵保持了很高的容積效率，但是能量絕大部分轉(zhuǎn)化成了熱能而不是用來做功，因此系統(tǒng)的機械效率和總效率很低。而在供液能力一定的情況下，高轉(zhuǎn)速的螺桿泵的沉沒度較低，漏失量增大，定子襯套和轉(zhuǎn)子之間的磨擦情況加劇，導(dǎo)致定子襯套橡膠層的溫度升高。

2 等壁厚定子螺桿泵原理及優(yōu)點

綜上所述，導(dǎo)致螺桿泵在運轉(zhuǎn)超過500天后泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間的漏失量增加。理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用表明，定子襯套的橡膠層溶脹和損壞是影響螺桿泵工作性能的主要因素，因此設(shè)計定子橡膠的厚度均勻相等的等壁厚定子螺桿泵[4]。減小由于溫升和溶脹引起的橡膠形變，保證襯套橡膠層的型線精度，降低工作扭矩，提高泵效，延長工作壽命。等壁厚定子螺桿泵的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）等壁厚定子螺桿泵的定子襯套的橡膠層厚度均勻，能夠保證良好的散熱性能，大幅度降低了橡膠層的溫度升高幅度。溫度場的有限元分析結(jié)果顯示[4]，等壁厚定子螺桿泵的溫升僅有9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)螺桿泵的溫升值20%。

2）螺桿泵的泵效主要是由于定子襯套的橡膠層和轉(zhuǎn)子之間的過盈嚙合來決定的。泵在實際運轉(zhuǎn)過程中，定子襯套的橡膠會產(chǎn)生一定的溶脹，增大了過盈量，磨阻變大，扭矩變大，加大了抽油桿的形變，縮短了桿柱的工作壽命。新型螺桿泵的定子襯套橡膠層的壁厚均勻，在實際運轉(zhuǎn)中的形態(tài)變化小，提高了定子襯套腔室的承壓能力，延長螺桿泵高泵效的運轉(zhuǎn)周期，從而提升系統(tǒng)效率。

3）由于定子襯套的橡膠層厚度均勻，橡膠層溫升、溶漲幅度變化小，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提高了泵的工作效率，降低了工作扭矩，節(jié)能效果好。

3 室內(nèi)對比試驗分析

由于500型螺桿泵是大慶油田的主力泵型，通過開展相同初始過盈值的GLB500型普通螺桿泵和DGLB500型等壁厚定子螺桿泵的水力特性對比試驗，有效的驗證等壁厚定子螺桿泵的扭矩小、腔室承壓高、泵效高的優(yōu)勢。

1）工作轉(zhuǎn)速試驗。在50℃介質(zhì)溫度條件下，對比兩種螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線，分析工作轉(zhuǎn)速對兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化影響。

試驗結(jié)果表明，兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化趨勢相同，在模擬現(xiàn)場實際生產(chǎn)中工作轉(zhuǎn)速100 r/min，承壓6 MPa時，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵容積工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，效率高12.07%，高泵效工作區(qū)間延長（圖1～圖4）。

2）工作溫度試驗。試驗介質(zhì)為32號液壓油，工作轉(zhuǎn)速為100 r/min，分析不同的工作溫度對兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓的變化影響。

圖1 轉(zhuǎn)速對扭矩的影響

圖2 轉(zhuǎn)速對單級承壓的影響

圖3 轉(zhuǎn)速對DGLB500-14泵容積效率的影響

圖4 轉(zhuǎn)速對GLB500-14泵容積效率的影響

試驗結(jié)果表明，當(dāng)溫度升至50℃時，等壁厚定子螺桿泵的工作扭矩的變化幅度比普通螺桿泵低18%，腔室承壓低36%，有效的驗證了溫度升高對等壁厚定子螺桿泵的定子襯套橡膠層的形態(tài)變化小的特點（圖5～圖6）。

圖5 溫度對單級承壓的影響

圖6 溫度對扭矩的影響

4 應(yīng)用效果分析

截至2016年5月底，在大慶油田采油三廠現(xiàn)場應(yīng)用等壁厚定子螺桿泵300余口，泵效平均值為62%，動液面540 m，系統(tǒng)效率值達(dá)到了37.12%，節(jié)電率為18.5%。等壁厚定子螺桿泵的平均檢泵周期692天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通螺桿泵550天的檢泵周期。

在開展現(xiàn)場試驗的同時，開展了對兩種相同泵型的螺桿泵在相同區(qū)塊的典型井動液面和泵效的對比分析，如圖7、圖8所示，現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，與普通螺桿泵相比，等壁厚定子螺桿泵井動液面高，高泵效持續(xù)時間長。

圖7 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井動液面對比

圖8 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井泵效對比

對比分析結(jié)果表明，兩種螺桿泵在工作運轉(zhuǎn)500天后，等壁厚定子螺桿泵動液面比普通螺桿泵高出103 m，泵效高出12.3%。等壁厚螺桿泵在整個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)，泵效保持了較高值，波動變化幅度小，工作性能平穩(wěn)。

5 結(jié)論

1）通過設(shè)計改變螺桿泵定子鋼管的形狀，設(shè)計的定子襯套的橡膠層的厚度均勻，有效的降低了橡膠層的溫升和溶脹變化幅度，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提升了螺桿泵的工作性能。

2）通過開展螺桿泵水力特性試驗，對比同過盈值的等壁厚定子螺桿泵和普通螺桿泵，在模擬實際生產(chǎn)現(xiàn)場中工作轉(zhuǎn)速100 r/min，承壓6 MPa的情況時，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，容積效率高12.07%。

3）從現(xiàn)場應(yīng)用的典型井可知，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵的動液面高，泵效保持了較高值，波動變化幅度小，工作性能平穩(wěn)。

[1]Liu He，Wang Fengshan，Shi Guochen，etc.An Innovative PCP Logging Technique for the Separated Layer Production Wells[c]//SPE Progressing Cavity Pumps Conference.Alberta：Society of Petroleum Engineers，2010：9.

[2]姜滔，蓋偉濤，何艷.提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的對策[J].采油工程，2012（3）：41-43.

[3]呂彥平，吳曉東，李遠(yuǎn)超，等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2006，28（1）：64-65.

[4]何艷，秦佳，朱雪芹，等.等壁厚定子螺桿泵的有限元分析[J].石油機械，2006，34（6）：53-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.009

2016-07-03

（編輯 張馨怡）

張濤，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事產(chǎn)能建設(shè)、新井投產(chǎn)管理工作，E-mail：tzhang_dq@petrochina.com. cn，地址：黑龍江省大慶市第三采油廠機關(guān)生產(chǎn)運行部，163000。