孫瑩，張鵬

（1.大慶油田力神泵業(yè)公司，黑龍江 大慶 163000；2.大慶石油管理局有限公司松原裝備制造分公司，吉林 松原 138000）

螺桿泵原來采用橡膠定子，可以很好地滿足稠油開采要求，但是稠油熱采的溫度都比較高，可以達到200℃左右，這就對橡膠的高溫耐受性提出了更高的要求，采用全金屬螺桿泵得到了人們的廣泛關注。全金屬螺桿泵的定、轉(zhuǎn)子是由特種金屬材料加工制作而成，定轉(zhuǎn)子之間可以實現(xiàn)合理間隙配合，該種螺桿泵結(jié)構(gòu)設計可以有效地滿足螺桿泵高溫熱采的要求。很多學者通過實驗仿真方法來對全金屬螺桿泵的性能進行分析和研究，研究的方向主要是螺桿泵排量特性，機械特性方面的研究比較少，本文將對全金屬螺桿泵具備的機械特性展開分析，不對節(jié)能效果進行探討。

1 全金屬螺桿泵技術特點

該種螺桿泵運行原理和傳統(tǒng)螺桿泵比較接近，定、轉(zhuǎn)子相互間的嚙合運動會在泵內(nèi)部形成多個腔室，流體會由于轉(zhuǎn)子的動轉(zhuǎn)順著軸向不斷向前運行，實現(xiàn)了機械能與流體動能的轉(zhuǎn)變，從而完成流體的人工舉升。是把原來的橡膠定子轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷娜饘俣ㄗ?，有著很好的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕性能，具有很長的使用壽命。定轉(zhuǎn)子相互間隙達到以很好的配合，摩擦力較小，啟動螺桿泵運行比較便利，具有很好的節(jié)能效果。

2 全金屬桿泵機械特性實驗

2.1 采用實驗裝置及實驗辦法

為了深入分析不同工況下全金屬螺桿泵機械特性，在實驗室內(nèi)可以采用電機來實現(xiàn)對全金屬桿泵的驅(qū)動，流體會隨著泵體運轉(zhuǎn)實現(xiàn)人工舉升，通過測量裝置后再回到池內(nèi)。再采用變頻器、壓力控制閥來實現(xiàn)螺桿泵運行速度和壓差的控制，采用扭矩測量儀、壓力表和流量計等來實現(xiàn)對機械特性的測試。全金屬螺桿泵型號采用在油田應用的JDGLB160-18，泵級數(shù)為18，導程達到160mm，轉(zhuǎn)子直徑尺寸為50mm，偏心距達到5.5mm，理論流體排量為每轉(zhuǎn)176mL。實驗采用的介質(zhì)為清水，在常溫情況下進行試驗，并結(jié)合油田生產(chǎn)的實際條件，把壓差控制在14MPa 的區(qū)間內(nèi)，設計的實驗方法為：

（1）重載實驗，利用變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)把電動機的運行速度控制在每分鐘50、100、150、200 轉(zhuǎn)，再應用壓力調(diào)節(jié)閥來對螺桿泵出口壓力進行調(diào)節(jié)，來對不同轉(zhuǎn)速情況下的扭矩與壓差關系數(shù)據(jù)進行采集。

（2）空載實驗，把壓力調(diào)節(jié)閥門處于打開狀態(tài)，在工作壓差為零時，利用變頻器輸出頻率實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而對空載條件下扭矩與轉(zhuǎn)速變化進行分析。

2.2 實驗結(jié)果

通過重載實驗方式獲取到性能數(shù)據(jù)，從而得到扭矩和工作壓差、轉(zhuǎn)速的關系。從試驗結(jié)果可以得知，全金屬螺桿泵的運行扭矩和工作壓差呈現(xiàn)出正比例線性關系，如果工作壓差保持不變，扭矩跟著轉(zhuǎn)速的提升而不斷變大。全金屬螺桿泵運行時的轉(zhuǎn)子負載扭矩主要有舉升流體時所需的水力扭矩，把螺桿泵具備的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w流動。泵體內(nèi)存在的摩擦扭矩，會形成機械能的流失。因為水力扭矩可以采用理論排量進行計算，重載條件下的扭矩公式為：是螺桿泵重載條件下的扭矩，是流體舉升時所需要的水力扭矩，是泵體內(nèi)部摩擦扭矩，工作壓力差值。重載條件下的螺桿泵內(nèi)部摩擦扭矩主要來自于工作壓差腔室內(nèi)部液壓的定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，還有與運行速度有關的轉(zhuǎn)子離心引起的定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，轉(zhuǎn)速、黏度相關的定轉(zhuǎn)子間隙形成的黏性摩擦扭矩。泵體內(nèi)部的摩擦扭矩與壓差呈現(xiàn)出正比關系，壓差保持不變時，會跟著轉(zhuǎn)速的提升而不斷變大。對性能曲線進行擬合可以看出，運行速度不同時，與工作壓差相關摩擦扭矩和壓差正比例系統(tǒng)基本相同，系數(shù)為每兆帕可為13.132 牛米，工作轉(zhuǎn)速相關的摩擦扭矩與泵體運行速度也呈現(xiàn)出正比例關系，系數(shù)為可為0.432 牛米。

2.3 空載特性

從空載試驗中，可以獲取到扭矩和轉(zhuǎn)速相互間的關系，如果運行速度不超過每分鐘100 轉(zhuǎn)，空載扭矩不會大于40牛米?？蛰d條件沒有產(chǎn)生工作壓差，空載扭矩是由轉(zhuǎn)速有關的摩擦扭矩決定。螺桿泵運行扭矩會跟著轉(zhuǎn)速的提升表現(xiàn)出線性增長趨勢，通過擬合分析可以看出，該數(shù)據(jù)結(jié)果和重載條件下的工作轉(zhuǎn)速有關的摩擦扭矩和轉(zhuǎn)速的關系式相同，也可以看出全金屬螺桿泵定、轉(zhuǎn)子間隙配合條件下，因為轉(zhuǎn)子離心運轉(zhuǎn)而引起的泵內(nèi)部摩擦影響并不大。

3 全金屬桿泵機械特性分析

3.1 軸功率和機械效率

3.2 機械特性的修正

由于全金屬螺桿泵機械特性受到了工作壓差、運行速度和介質(zhì)黏度等方面的影響，每個生產(chǎn)廠家一般在額定運行速度條件下測試清水舉升的特性曲線。所以，需要對特定結(jié)構(gòu)方式下的全金屬螺桿泵機械特性進行修正分析，可以把軸功率和工作壓差的公式簡化為：，公式中A 是與運行速呈現(xiàn)正比例關系的軸功率曲線特征量，B 是與轉(zhuǎn)速平方呈現(xiàn)出正比例關系的軸功率曲線特征量。

特定泵型號下的清水舉升特性曲線，A、B 則代表著關系曲線的斜率和截距。再考慮介質(zhì)黏度的影響方面可以看出，由于工作壓差的不斷提高，全金屬螺桿泵機械效率會快速提高，后處于平緩狀態(tài)，但無法突破機械效率。不同流體物質(zhì)黏度對泵體機械效率的影響可以看出，工作壓差不變的情況下，機械效率會跟著流體介質(zhì)黏度的提高而變小，運行速度變得越高則機械效率會變低。當前，研究人員認為全金屬螺桿泵可以滿足更高黏度油液的開采，通過提升運行速度來保證人工舉升能力。如果流體黏度太大，會對機械性能造成影響，運行效率則無法得到保證。所以，全金屬螺桿泵的應用環(huán)境和工作性能參數(shù)存在著合理區(qū)間，需要根據(jù)實際的采油情況來選用。

4 節(jié)能效果分析

全金屬螺桿泵在不同過盈程度條件下與傳統(tǒng)螺桿泵性通進行比較，泵體定轉(zhuǎn)子采取過盈配合后，極限機械效率會從原來的68.08%減小到51.6%。把節(jié)能率作為分析指標，與傳統(tǒng)螺桿泵達到以的節(jié)能效果進行比較來看。運行速度保持在每分鐘100 轉(zhuǎn)時，節(jié)電率會跟著工作壓差的提高而減少，并達到平緩狀態(tài)。低工作壓差大于10MPa 時，節(jié)電率可以超過25%。但在8MPa 工作壓力情況下，節(jié)電率會跟著轉(zhuǎn)速的上升而不斷減少，與不同過盈配合狀態(tài)的傳統(tǒng)螺桿泵進行比較來看，運行速度小于每分鐘200 轉(zhuǎn)，全金屬螺桿泵節(jié)電率可以大于20%。