采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置研究

侯 宇

（大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453）①

螺桿泵采油作為一種新興的人工舉升方式，具有投資少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)能效果明顯、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效降低采油成本，提高采油效益。由于其擁有抽油機(jī)柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機(jī)采方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此倍受國內(nèi)外油田重視［1］。

目前，對(duì)螺桿泵性能檢測(cè)主要是用單一的液壓油進(jìn)行常溫試驗(yàn)，得到螺桿泵的水力特性曲線，以此評(píng)價(jià)螺桿泵性能［2－3］。采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置主要用于螺桿泵新產(chǎn)品及新工藝的科學(xué)研究，為優(yōu)化螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)提供可靠的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)泵型為油田常用（K）GLB40－42～GLB1200－14等型號(hào)螺桿泵，此試驗(yàn)裝置不僅可以完成常規(guī)的水力特性曲線的測(cè)定，還具有以下功能：

1）用提高螺桿泵轉(zhuǎn)速（≤500r／min）、提高試驗(yàn)介質(zhì)的破壞性（高溶脹介質(zhì)、加砂）、提高介質(zhì)溫度等方法使螺桿泵定子加速失效，從而在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)采油螺桿泵的整個(gè)失效過程，為研究采油螺桿泵壽命提供數(shù)據(jù)支持［4］。

2）試驗(yàn)介質(zhì)為油、水單一介質(zhì)以及任意混合比例的砂、液、氣混合介質(zhì)，溫度可達(dá)150℃，可以模擬與采油螺桿泵完全一致的工作環(huán)境，對(duì)螺桿泵進(jìn)行試驗(yàn)［5］。

1 試驗(yàn)流程

根據(jù)系統(tǒng)所要求的功能，采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行多種介質(zhì)、多種條件的試驗(yàn)，因此本試驗(yàn)裝置的工藝流程包括標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程、特殊試驗(yàn)流程、混砂試驗(yàn)流程和1個(gè)輔助流程——清洗流程。采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置工藝流程

1）標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程 主要是通過調(diào)節(jié)出口壓力及實(shí)時(shí)采集螺桿泵工作時(shí)流量、輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，并計(jì)算螺桿泵的輸入功率、輸出功率和容積效率，從而完成螺桿泵水力特性的檢測(cè)。通過設(shè)置試驗(yàn)介質(zhì)的不同溫度，模擬不同的井下工作溫度，對(duì)螺桿泵的水力特性進(jìn)行檢測(cè)。

2）特殊試驗(yàn)流程 特殊試驗(yàn)流程除了可以完成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程的工作外，通過改變?cè)囼?yàn)介質(zhì)的混合比例來模擬現(xiàn)場(chǎng)采出液對(duì)螺桿泵進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)螺桿泵的水力特性進(jìn)行檢測(cè)。

3）混砂試驗(yàn)流程 混砂罐內(nèi)的介質(zhì)通過螺桿泵再回到混砂罐，對(duì)螺桿泵進(jìn)行磨損試驗(yàn)。

4）清洗流程 用于對(duì)特殊試驗(yàn)流程的清洗。清洗流程的作用是在檢測(cè)前對(duì)螺桿泵進(jìn)行清洗，為系統(tǒng)各種儀表的正常工作和試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保證，同時(shí)保證此流程在對(duì)不同試驗(yàn)介質(zhì)試驗(yàn)時(shí)各種介質(zhì)之間不互相影響。清洗流程與特殊流程完全相同，只是在清洗時(shí)將儲(chǔ)液罐2更換成清洗罐。

3個(gè)主要流程是各自獨(dú)立的，需要進(jìn)行某個(gè)試驗(yàn)時(shí)就將相應(yīng)的流程接入系統(tǒng)中，目的是防止不同介質(zhì)之間的影響。不同流程之間的切換用高壓軟管及快換接頭來實(shí)現(xiàn)，方便、快捷。通過3套試驗(yàn)流程，既可以完全模擬采油螺桿泵實(shí)際工況，又能夠?qū)Σ捎吐輻U泵實(shí)施加速破壞試驗(yàn)，再現(xiàn)采油螺桿泵失效過程。

2 機(jī)械傳動(dòng)

本裝置主要是基于螺桿泵新產(chǎn)品、新工藝的研究而建立，試驗(yàn)用泵使用小樣泵，長(zhǎng)度為5～6個(gè)定子導(dǎo)程。按不同型號(hào)采油螺桿泵計(jì)算出小樣泵的長(zhǎng)度為540～3 000mm。

采油螺桿泵極限性能模擬實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)試驗(yàn)裝置的機(jī)械傳動(dòng)總長(zhǎng)12.5 m，主要包括以下幾部分：

圖2 采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1）電機(jī) 是整套裝置的動(dòng)力設(shè)備，為螺桿泵轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。采用變頻電機(jī)，利用變頻器對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。選用4級(jí)電機(jī)，功率22 kW，額定電流44.2A，額定扭矩215.5N·m，轉(zhuǎn)速975r／min，變頻器頻率變化范圍15～50Hz，通過變頻器可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速在292.5～975.0r／min無極調(diào)速。

2）變速器 由于試驗(yàn)裝置對(duì)轉(zhuǎn)速的范圍要求較寬（50～500r／min），因此采用變速器對(duì)變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行變速。選用5擋變速器，傳動(dòng)比分別為1.00、1.54、2.45、4.31、7.31，通過變速器將電機(jī)的1種速度范圍轉(zhuǎn)變成5種轉(zhuǎn)速范圍，從變速器輸出的轉(zhuǎn)速為40～975r／min，即為試驗(yàn)螺桿泵轉(zhuǎn)速。

3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 用于檢測(cè)試驗(yàn)過程中螺桿泵的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，為計(jì)算螺桿泵的輸入功率提供數(shù)據(jù)。

4）動(dòng)密封裝置 在試驗(yàn)過程中螺桿泵的定子與機(jī)械傳動(dòng)的固定部分相連，螺桿泵的轉(zhuǎn)子與機(jī)械傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)部分相連，這樣就存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間的動(dòng)密封問題。該動(dòng)密封必須保證在10MPa的工作壓力下不泄露，而且要運(yùn)轉(zhuǎn)阻力小。

5）轉(zhuǎn)子定子連接器 連接試驗(yàn)螺桿泵和試驗(yàn)裝置的部件。將螺桿泵的轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸相連，螺桿泵的定子與動(dòng)密封相連。

6）夾緊裝置 用來將試驗(yàn)螺桿泵的定子固定在試驗(yàn)裝置上，夾緊裝置承受螺桿泵工作過程中產(chǎn)生的扭矩。要求對(duì)中性好、夾緊可靠。

7）支承輥 對(duì)螺桿泵的定子和轉(zhuǎn)子提供支承，并且可以根據(jù)所檢測(cè)螺桿泵的直徑大小進(jìn)行高度方向的調(diào)節(jié)。

8）底座 將試驗(yàn)裝置機(jī)械傳動(dòng)各部分連接固定。

3 測(cè)控系統(tǒng)

采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)主要包括：試驗(yàn)裝置變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與控制以及參數(shù)的采集2大部分。采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)

1）主電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 由變頻器、螺桿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。通過變頻器的頻率調(diào)節(jié)控制主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)。

2）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng) 由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀等組成。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與螺桿泵驅(qū)動(dòng)軸同軸連接，工作時(shí)將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過ADAM－4117模塊將4～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS－485信號(hào)，經(jīng)由 ADAM－4520模塊轉(zhuǎn)換成 RS－232信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。

3）泵入口壓力檢測(cè)系統(tǒng) 由壓力傳感器組成，數(shù)據(jù)采集方法與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)相同。

4）泵出口壓力控制及檢測(cè)系統(tǒng) 由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器組成。通過計(jì)算機(jī)或手動(dòng)控制方式進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度控制，從而實(shí)現(xiàn)出口壓力的無級(jí)調(diào)節(jié)。應(yīng)用智能數(shù)顯控制儀的超限報(bào)警控制功能，實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)。

5）流量檢測(cè)系統(tǒng) 由質(zhì)量流量計(jì)組成，數(shù)據(jù)采集方法與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)相同。

6）溫度控制與檢測(cè)系統(tǒng) 由電加熱器、溫度傳感器、溫控儀等組成。溫控儀接收來自熱電阻的信號(hào)，據(jù)此控制電加熱器的電流值，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)介質(zhì)的溫度控制，通過溫控儀上RS232通訊端口完成試驗(yàn)介質(zhì)溫度參數(shù)的采集與計(jì)量。

4 結(jié)語

通過對(duì)采油螺桿泵極限性能模擬試驗(yàn)裝置試驗(yàn)流程、機(jī)械傳動(dòng)以及測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研制出的試驗(yàn)裝置可以使采油螺桿泵在不同溫度、不同壓力、不同試驗(yàn)介質(zhì)下工作，可以模擬采油螺桿泵各種工況；同時(shí)可以對(duì)采油螺桿泵進(jìn)行高溫、高速、加砂試驗(yàn)及極限性能檢測(cè)和破壞性試驗(yàn)。為研究采油螺桿泵失效過程、提高螺桿泵使用壽命提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］杜秀華.采油螺桿泵螺桿－襯套副力學(xué)特性及磨損失效研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2010.

［2］韓國有，宋玉杰，杜秀華，等.采油螺桿泵舉升性能檢測(cè)技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011.

［3］付路長(zhǎng)，周洪濱，郭力謙，等.單螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：47－50.

［4］穆金峰，呂有喜，魏三林，等.超深稠油螺桿泵舉升工藝技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：72－75.

［5］王永昌，杜香芝.螺桿泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和溫度對(duì)水力特性的影響［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：65－69.