螺杆泵采油基础知识及配套技术培训教材

螺螺杆杆泵泵采采油油基基础础知知识识及及配配套套技技术术张张天天利利前言螺杆泵采油系统是近几年迅速发展起来的机械采油设备，在稠油和出砂采油井中该系统正成为替代抽油机采油的重要方式。螺杆泵采油技术已日臻成熟，一方面，大批新型螺杆泵相继问世，螺杆泵及其配套设备制造质量得到明显的提高，另一方面，螺杆泵采油技术及管理水平也有一定进步。大庆油田使用螺杆泵采油的油井数量不断增多。如何进一步提高螺杆泵采油技术和管理水平，已成为国内外各油田普遍关注的问题。第一章螺杆泵采油系统的组成及工作原理第一节螺杆泵采油系统的组成螺杆泵采油系统的组成：由电控部分、地面井口部分、井下部分、配套工具部分的几部分组成。1、电控部分：螺杆泵井的控制部分，即电控箱，是控制电机的起、停。2、地面井口部分：也是驱动装置部分，将动力传给井下泵转子使转子实现行星运动，实现抽汲液、油的机械装置。它包括电机、机械密封、减速箱、支架、封井器、防反转装置、皮带、皮带轮等。3、井下部分：即是螺杆泵，由定子和转子组成。4、配套工具部分：（1）、抽油杆扶正环（2）、油管扶正器（3）、抽油杆防脱器（4）、油管锚定器（5）洗井器等第二节螺杆泵的介绍：1、螺杆泵的转子：螺杆泵的转子是由合金钢调质后经防腐耐磨处理形成的一段螺纹状金属直杆。转子的任一截面都是半径为R的圆，每一截面中心相对整个转子的中心位移都有一个偏心距E，转子的螺距为t。2、螺杆泵的定子：螺杆泵定子是由丁晴橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内形成的一种腔体装置。衬套内表面是双螺旋曲面（或多螺旋曲面）。定子的任一截面是由两个半径为R的圆（等于转子截面圆的半径）和两个直线段组成。直线段的长度等于两个半圆的中心距，因为螺杆圆断面的中心相对于它的轴线有一个偏心距E，而螺杆本身的轴线相对衬套的轴线又有同一个偏心距E，这样，两个半圆的中心距就等于4E。衬套的内螺旋面和螺杆旋面的旋向相同，且内螺旋的导程T为螺杆螺距t的二倍，即T=2t。Tte当转子在定子衬套中所处位置不同时，它们的接触点也是不同的，转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线，而在其它位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程T内形成一个封闭腔室。这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列封闭腔室，如图3所示。当转子转动时，举升介质便进入另一个腔室，随着转子的转动，这个腔室开始封闭，并沿着轴向排出端移动，封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。第三节螺杆泵工作原理：采油螺杆泵是单螺杆式水利机械的一种,是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用.螺杆泵的转子、定子副是利用摆线的多等效动点效应，在空间形成封闭腔室，当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升液体的作用。第四节螺杆泵的表示方法1、型号的表示方法：主要用螺杆泵的排量和级数来表示：例如：GLB800-14GLB----杆式驱动井下单螺杆泵800----泵每转排量800毫升14----泵的总级数为14级2、螺杆泵理论排量800型的计算公式：例如：GLB800-14单螺杆泵的实际转速n=100转/分理论排量公式：Q=800*100*1440*10-6=115.2m3/d；3、、螺杆泵的理论排量由下式确定Q=4EDTn=5.76x10-6EDTn式中Q──螺杆泵的理论排量，m3/d；E──转子的偏心距，mm；D──转子截圆直径，mm，D=2R；T──定子导程，mm，T=2t；n──转子的转速，r/min。t----转子的螺距，mm螺杆泵的实际排量Q′为Q′=Qηv式中ηv──螺杆泵的容积效率，%。由上面两个公式可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的结构参数E、D、T和工作参数n有关系。对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析表明，在E、D、T三者间存在一定的联系，就是在这三个参数维持一定比值的条件下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作。第二章螺杆泵工作特性分析第第一节螺杆泵工作特性曲线由螺杆泵的原理可知，其定、转子间过盈在一定程度上决定了单级承压能力的大小，如上图所示，过盈量将直接影响螺杆泵工作特性。过盈小会降低举升能力，而过盈大会02040608010012002468101214161820η,ηv%MN·m5004000100200300增加定、转子间的摩擦，降低效率。因此，定、转子间的过盈选择是螺杆泵制造的关键技术之一。从试验曲线说明随着转速的提高，在同一举升高度条件下，泵的容积效率升高；在同一容积效率条件下，泵的举升高度增加。但另一方面，由于螺杆泵的定、转子间有一定的过盈值，转子在定子内旋转时，定子橡胶受到周期性压缩，产生摩擦面的自动升温和疲劳。在井温比较高的情况下，加速了橡胶分子链的重新组合，使弹性模数减小，从而降低疲劳特性及金属套和橡胶结合面上粘结剂的强度，也加速定子橡胶的老化而缩短其寿命。从试验得知，自动升温值和压缩疲劳以及橡胶的老化是加载频率(即转速)的函数，因此，选择泵的适当转速是很有必要的。一般来说，近几年设计的地面驱动采油螺杆泵，最高转速均在300r/min左右，而最常用的转速为50～200r/min。对于高含砂油井，磨蚀是限制泵转速的又一重要因素。在磨蚀工况下，定子橡胶的磨损量与转速的平方成正比。因此，在高含砂油井，螺杆泵不宜高速运转。第二节影响螺杆泵工作特性的几个因素1、定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响（1）定子内腔直线度对泵特性的影响（2）转子直线度对泵特性的影响转子偏心距和截面圆直径对泵特性的影响2、举升介质对螺杆泵特性的影响温度对泵特性的影响在同一净举升高度条件下，温度升高，螺杆泵容积效率也随之提高，但试验发现，温度升高泵扭矩变化不明显。(2)介质粘度对螺杆泵工作特性的影响通过室内和现场试验表明，试验介质的粘度增加也会使泵的容积效率得到改善，因为粘度越大，分子间的力就越大，外力破坏其结构就越困难，表现在螺杆泵上，就是密封效果变好，即在同一净举升高度条件下，试验介质粘度增加，泵的容积效率升高。但另一方面，抽油杆在液体介质中作旋转运动，随着介质粘度的增加，抽油杆与液体的摩擦力增加，表现为抽油杆的扭矩增加。第三节影响螺杆泵使用寿命的主要因素影响螺杆泵使用寿命的因素很多，通过长期的实践摸索，从产品质量的角度分析其主要因素有以下几点。1、定、转子的加工精度及表面光洁度；2、定子橡胶的耐温、耐油、耐气浸性能；3、定子橡胶与金属外套的粘结强度；4、定子内腔及转子的直线度；5、定、转子间合理过盈量的选择；6、转子合理转速的确定。02040608010004812ηv,%P,MPa①②第三章螺杆泵采油配套工艺技术第一节选井选泵技术所谓螺杆泵选井选泵技术是依靠油井的状况来合理选择螺杆泵的泵型、确定泵的工作参数，或根据某一规格的螺杆泵来选井。而螺杆泵采油井的合理工况是指油井在合理流压下生产，螺杆泵在合理工作区域内工作。由螺杆泵的工作特性曲线可知，螺杆泵同潜油电泵一样存在最佳工作区域。经过几年来的实验研究认为，把螺杆泵工作特性曲线分为A、B、C三个区域较为合理。其中A为合理工作区，B为软工作区，C为不合理工作区，区域边界的确定方法大致如下。上限：泵容积效率应大于65%；B区：螺杆泵在该区工作，虽然泵效高，但系统效率低，有效扬程低，不但泵的潜能没得到发挥，而且因生产压差过小，油井产能也被抑制。因此螺杆泵不应工作在B区。A区：螺杆泵在该区工作，取B、C区之长，避B、C区之短，流压与排量、系统效率的关系不敏感，生产稳定性好。C区：螺杆泵在该区工作，尽管有效扬程较高，但泵漏失严重，系统效率非常低，因而螺杆泵在C区工作很不经济，而且螺杆泵在C区工作稳定性差，泵效与流压关系敏感，故螺杆泵不应在Ｃ区工作第二节检测技术由于螺杆泵本身结构材质以及加工工艺的复杂性，致使螺杆泵的工作特性的稳定性、互换性较差，所以在螺杆泵下井前必须对其工作特性及其加工质量进行全面检测。通过检测可以有效地避免不合格产品下井，同时为螺杆泵的选井、选泵提供技术依据，也为设计参数选择、制造工艺改进提供主要的基础依据。第三节管柱防脱技术因为螺杆泵的转子在定子内顺时针转动，工作负载直接表现为扭矩，转子扭矩作用在定子上，定子的扭矩会使上部的正扣油管倒扣造成管柱脱扣，所以螺杆泵的管柱必0204060801000246810121416η,ηv%.AB.M,N·m0120180240300C60P,MPa须实行防脱措施。可靠的防脱措施有两种：锚定工具、反扣油管。1、支撑卡瓦支撑卡瓦的结构图和平面展开图2、Y221型螺杆泵不压井机械式油管锚的应用为解决螺杆泵井作业时压井问题，试验应用了Y221型螺杆泵不压井机械式油管锚。该油管锚将锚定和不压井作用合二为一，连接在螺杆泵下方，正常起下管柱时，油管锚内部的密封套将油管密封，井下液体不能从油管内流出，达到不压井作业的目的。（1）工作原理:该油管锚与普通油管锚一样连接在螺杆泵下方，正常起下油管时,Y221型自封式油管锚内部的密封套将油管蜜封，井下液体不能从油管内流出；当需要座封时；上提管柱约500mm，右旋油管3-4圈，（多转无害、边提边转最佳），然后下放管柱，即可座封。如中途座封、或需要解封，只需上提管柱1-1.5米即可。（2）Y221自封式油管锚结构:Y221型螺杆泵不压井机械式油管锚结构示意图第四节杆柱防脱技术1、首先，对抽油杆柱脱扣机理进行探讨：（1）抽油杆柱脱扣机理分析（a）负载扭矩过大停机后杆柱高速反转造成抽油杆脱扣螺杆泵采油井一旦发生蜡堵、结蜡严重或卡泵时，负载扭矩会明显加大，因而整个杆柱上贮存一定量的弹性变形能，一旦停机或过载停机，杆柱内贮存的弹性变形能要释放，从而造成杆柱高速反转，特别是杆柱上部即在弹性变形能释放后，在惯性力的作用下，要继续反转，从而会使杆柱丝扣联接处倒扣，造成杆柱脱扣。（b）停机后油管内液体回流杆柱反转造成抽油杆脱扣如果螺杆泵采油井突然停机，而且油井动液面较深，那么停机后，螺杆泵在管柱内的液力作用下，将驱动转子反转，带动杆柱反转脱扣。（c）转子在油套环空内的液力作用下转动，造成杆柱脱扣对于那些产液能力较强并有一定自喷能力的螺杆泵井（指大排量螺杆泵而言），一旦停机，套压会很高，螺杆泵在油套环空液力的作用下，将驱动转子正向转动，而此时转子将带动杆柱正向转动，转子转动将使整个杆柱的螺纹联接处于倒扣状态，因而会造成杆柱脱扣。（d）施工作业过程中造成杆柱脱扣在施工过程中，如果抽油杆联接螺纹上扣扭矩不够，当转子进入定子时，转子正转，从而会使转子上部抽油杆杆柱螺纹联接不紧处发生脱扣。（2）我厂螺杆泵应用葫芦岛抽油杆脱扣原因分析:（a）在杆柱旋转过程中，接箍不断与油管内壁碰撞，造成杆柱脱扣。(b)防脱抽油杆拨叉抗扭强度低于杆体，在传递扭矩过程中，拨叉断。(c)抽油杆的惯性力作用螺杆泵用抽油杆属于细长杆，在它传递扭矩过程中，整个杆柱上存储了一定量的弹性变形能。停机时，杆体释放存储的弹性变形能，导致反转。抽油杆柱的初始偏心、质量不均及旋转运动使抽油杆柱产生一离心力，在离心力作用下，抽油杆接箍与油管内壁碰撞并产生横向振动。由此产生以下两方面的结果：一是降低抽油杆柱螺纹丝扣连接处的预紧力；二是接箍与油管碰撞时的接触摩擦力为卸扣力，导致抽油杆脱扣。(d)井下异常工况引起的脱扣抽油杆柱在传递扭矩过程中，由于泵卡、蜡堵等原因，井下的扭矩突然变化或抽油杆柱的旋转运动突然停止和开始，导致抽油杆柱的旋转速度、加速度变化，使部分井段（靠近卡堵部位）的抽油杆柱出现反扭矩，当反扭矩大于螺纹连接处预紧力产生的扭矩，就会发生脱扣现象。(e)惯性力引起的抽油杆柱反转引起的脱扣抽油杆柱是一根具有一定弹性的细长杆，正常工况下，抽油杆柱在克服各种阻力矩作旋转运动的同时，其内已储存了大量的弹性变形能。当地面电机正常停机或过载停机时，驱动抽油杆柱的主动力矩降为零