螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置合理額定扭矩的探討

【摘 要】應(yīng)用螺桿泵直驅(qū)技術(shù)，節(jié)電效果明顯。但在推廣應(yīng)用的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，直驅(qū)拖動(dòng)裝置的額定扭矩與單井合理生產(chǎn)時(shí)所需扭矩不配套，經(jīng)常出現(xiàn)井下負(fù)荷重停井現(xiàn)象。本文分析了不同泵排量、轉(zhuǎn)速、液面以及結(jié)蠟等條件下單井所需的最低扭矩，同時(shí)考慮抽油桿所能承受的最大扭矩，初步給出了單井正常生產(chǎn)時(shí)較為合理的額定扭矩計(jì)算方法，為科學(xué)指導(dǎo)直驅(qū)拖動(dòng)裝置的使用與設(shè)計(jì)提供了思路。

【關(guān)鍵詞】螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置；合理額定扭矩；排量；轉(zhuǎn)速；液面；結(jié)蠟

一、前言

直驅(qū)螺桿泵是由螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置經(jīng)抽油桿帶動(dòng)其井下轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)從而將井下原油舉升到地面的抽油設(shè)備。直驅(qū)螺桿泵具有較好的節(jié)能效果，但是在實(shí)際推廣應(yīng)用中卻經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷重，停井現(xiàn)象。為了使螺桿泵正常工作，我們對(duì)螺桿泵井的工作扭矩進(jìn)行了分析，并初步指定了螺桿泵正常生產(chǎn)時(shí)較為合理的額定扭矩。螺桿泵正常工作時(shí)產(chǎn)生的扭矩主要有螺桿泵的初始扭矩M1、舉升液體時(shí)產(chǎn)生的舉升扭矩M2、克服桿液摩擦產(chǎn)生的摩擦扭矩M3以及受結(jié)蠟影響產(chǎn)生的扭矩M4等。因此單井生產(chǎn)所需要的最低扭矩M應(yīng)為這四種扭矩的總和即：

M=M1+M2+M3+M4-------（1）

下文分不同的井況對(duì)螺桿泵正常生產(chǎn)所需要的最低扭矩給出了分析：

二、不同井況下單井扭矩分析

（一） 泵排量對(duì)扭矩的影響分析

泵排量是指螺桿泵每轉(zhuǎn)一周能排出的液量，在理論情況下，泵排量就是指其理論排量，其主要影響的是泵舉升液體時(shí)產(chǎn)生的舉升扭矩M2，泵排量越大，其產(chǎn)生的舉升扭矩M2也應(yīng)該越大，其理論計(jì)算公式如下：

M2=ΔP×q/2π=2eDT×ΔP/π------（2）

對(duì)于公式（2）中ΔP是泵排出端與吸入端的壓差，mPa；q是螺桿泵每轉(zhuǎn)的理論排量，m3；e是轉(zhuǎn)子的偏心距，mm；D是轉(zhuǎn)子的橫截面直徑，mm；T是定子的導(dǎo)程，mm。

（二） 轉(zhuǎn)速對(duì)扭矩的影響

螺桿泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須克服桿液之間的摩擦力，會(huì)形成一個(gè)摩擦扭矩M3，其計(jì)算公式如下：

M3 =2π2μnDt2 d12L/ （Dt2- d12）-----（3）

公式（3）中，μ是原油粘度，mpa·s；n是轉(zhuǎn)速，r/min；Dt是油管內(nèi)徑，mm；d1 ，d2是抽油桿外徑、內(nèi)徑，對(duì)于實(shí)心抽油桿來(lái)說(shuō)，內(nèi)徑為零；L是下泵深度，m。

由公式（3）可知，在泵型一定，油管內(nèi)徑一定，抽油桿外徑一定，下泵深度、原油粘度已知的情況下，摩擦扭矩M3與轉(zhuǎn)速n成正比的關(guān)系。

（三） 液面對(duì)扭矩的影響分析

由公式（1）--（3）可以看出，M1為泵的初始扭矩，是一個(gè)定值，M3為光桿處的最大摩擦扭矩，它在轉(zhuǎn)速、桿徑、抽油桿長(zhǎng)度一定的條件下，也是一個(gè)定值；而M2在泵型一定的情況下，只是一個(gè)與ΔP成正比的值，即與動(dòng)液面成正比的值（p=ρgh）。即總扭矩M可以看成一次函數(shù)M=AX+M1+M3+M4.其中

A=2eDT/π×9.8×10-6----（4）

X=動(dòng)液面

這樣就形成了最低扭矩M與動(dòng)液面的關(guān)系式。

（四）結(jié)蠟對(duì)扭矩的影響分析

油井正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，油管的結(jié)蠟也會(huì)對(duì)螺桿泵的生產(chǎn)扭矩產(chǎn)生影響，結(jié)蠟程度很難界定，但卻能夠反應(yīng)在電流的變化上，因此我們依照電流的變化，來(lái)分析結(jié)蠟對(duì)扭矩的影響。電流I與扭矩的理論計(jì)算公式如下：

M4=UI/（2πn） -----（5）

公式（5）中，U是電機(jī)的電壓，V，I是螺桿泵的電流，A，n為螺桿泵的轉(zhuǎn)速，r/min。在此，我們計(jì)算在中等結(jié)蠟程度下，電流I=15A，電壓U=220V，轉(zhuǎn)速n=90r/min，其受結(jié)蠟程度影響的扭矩M4=350 N·m。

（五）不同因素對(duì)扭矩的影響分析匯總

由上述公式可以得出，螺桿泵的正常生產(chǎn)時(shí)的最低扭矩M應(yīng)為：

M=AX+M1+2π2μnDt2 d12L/ （Dt2- d12）+M4-----（6）

其中在泵型已知的情況下，M1值和A值為一個(gè)定值，M1值是從室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，A值可根據(jù)螺桿泵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由公式（4）計(jì)算而來(lái)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同參數(shù)螺桿泵井的M1值和A值統(tǒng)計(jì)

由以上公式可以看出，單井正常運(yùn)行所需要的最低扭矩M主要是泵的排量、轉(zhuǎn)速、動(dòng)液面和結(jié)蠟程度的影響。泵的排量越大、轉(zhuǎn)速越快、動(dòng)液面越高、結(jié)蠟程度越高，單井正常運(yùn)行所需要的最低扭矩M也就越大。

目前我單位螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置的額定扭矩普遍為1000 N·m，對(duì)比理論計(jì)算所得來(lái)的結(jié)果普遍偏小，尤其是對(duì)于800以上泵，在結(jié)蠟程度升高、液面降低后很難維持正常生產(chǎn)，這是造成我廠螺桿泵井負(fù)荷重停井的主要原因之一。在下步措施中，應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果逐步更換額定扭矩更大的螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置，以維持螺桿泵的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

三、結(jié)論

排量q、轉(zhuǎn)速n、動(dòng)液面X和結(jié)蠟程度與直驅(qū)螺桿泵的額定扭矩成一個(gè)正比的關(guān)系，排量越大，轉(zhuǎn)速越快，動(dòng)液面A越低，結(jié)蠟程度越高，直驅(qū)螺桿泵拖動(dòng)裝置的額定扭矩就越大。摩擦扭矩M3由于原油在舉升中具有一定的潤(rùn)滑性，只占了整個(gè)扭矩的一小部分。根據(jù)螺桿泵井的泵型、液面、轉(zhuǎn)速等條件制定出螺桿泵直驅(qū)拖動(dòng)裝置的合理額定扭矩，可以有效地防止螺桿泵因負(fù)荷重停井現(xiàn)象，節(jié)約作業(yè)費(fèi)用。

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