影響采油螺桿泵制造模式的因素分析

樸雪峰，孫 雙，孫 亮

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶163311；2.中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京100101）①

影響采油螺桿泵制造模式的因素分析

樸雪峰1，孫 雙1，孫 亮2

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶163311；2.中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京100101）①

針對目前國內(nèi)油田螺桿泵應(yīng)用的現(xiàn)狀，從螺桿泵定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、加工制造以及檢測等方面，對比分析了國內(nèi)外螺桿泵制造模式的差別，探討實(shí)現(xiàn)先進(jìn)生產(chǎn)制造模式的可行性，為提高螺桿泵產(chǎn)能規(guī)模，提高生產(chǎn)效率提供建議和思路。

螺桿泵；制造模式；效率；產(chǎn)能規(guī)模

地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)起源于20世紀(jì)80年代初期，國際上比較有代表性的制造商有法國PCM公司、加拿大KUDU公司、德國NETZSCH公司等。我國自20世紀(jì)80年代中后期開始研究并應(yīng)用地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵，螺桿泵采油的應(yīng)用量逐年增加，近幾年更呈現(xiàn)出加速增長的趨勢［1］。然而，目前國內(nèi)各供應(yīng)商無論技術(shù)水平還是生產(chǎn)規(guī)模，都無法滿足巨大的市場需求。

螺桿泵的制造主要包括定子制造和轉(zhuǎn)子制造。定子制造主要包括橡膠煉制、定子管加工、定子注膠及硫化等；轉(zhuǎn)子加工主要包括毛坯粗車、形線加工、鍍鉻及剖光等。其中定子制造水平直接影響螺桿泵的應(yīng)用質(zhì)量，而轉(zhuǎn)子加工能力又制約整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。本文僅對國內(nèi)外螺桿泵生產(chǎn)制造模式進(jìn)行對比分析，為國內(nèi)螺桿泵產(chǎn)能的提高提供一些思路和建議。

1 螺桿泵應(yīng)用方式對制造模式的影響

通過對大慶油田8 300多口螺桿泵井的應(yīng)用分析，螺桿泵采油并不比其他機(jī)采方式呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢，國內(nèi)也應(yīng)用過國外產(chǎn)品，但是效果均不理想，原因主要是：國外采用“高速低轉(zhuǎn)矩，而國內(nèi)是“低速高轉(zhuǎn)矩”［2］，這造成螺桿泵系統(tǒng)載荷大，采油系統(tǒng)效率低，檢泵周期短，安全性差。

國外對螺桿泵揚(yáng)程定義為：標(biāo)稱單級長度為1.5倍定子導(dǎo)程（如圖1）或應(yīng)用揚(yáng)程是泵最大揚(yáng)程的2／3，即泵基本參數(shù)（大徑、偏心距、導(dǎo)程、單級承壓能力等）相同的情況下，國外產(chǎn)品長度基本為國內(nèi)產(chǎn)品的1.5倍左右。這種應(yīng)用模式下的泵級數(shù)多、長度長，個(gè)別產(chǎn)品甚至超過14 m，這要求作業(yè)設(shè)備的高度必須能夠滿足要求。

圖1 單級長度與定子導(dǎo)程及轉(zhuǎn)子螺距的關(guān)系

縱觀國內(nèi)螺桿泵作業(yè)現(xiàn)場井架有效高度基本在9～12 m，因而螺桿泵的長度受到限制。為滿足較高揚(yáng)程的需要，國內(nèi)多采取雙頭螺桿泵結(jié)構(gòu)（即轉(zhuǎn)子雙頭，定子3頭），而國外普遍采用單頭螺桿泵結(jié)構(gòu)（即轉(zhuǎn)子單頭，定子雙頭），該結(jié)構(gòu)螺桿泵加工效率高。經(jīng)測算，雙頭轉(zhuǎn)子的機(jī)加工時(shí)間約為單頭轉(zhuǎn)子的2～4倍，且雙頭泵的模芯更為復(fù)雜（如圖2所示），模芯橫截面存在凹點(diǎn)，拋光時(shí)很難完全保證形線的連續(xù)性。

圖2 2／3結(jié)構(gòu)螺桿泵模芯截面

在定子構(gòu)成上，國外普遍采用多節(jié)定子技術(shù)，即整根定子是由多個(gè)短定子通過特殊的連接工藝（螺紋或焊接連接）將定子形腔有效連接。采用這種方式制造的定子，橡膠注射快，生產(chǎn)效率高，而且單節(jié)定子短小，模芯定位簡單，形腔質(zhì)量容易保證。為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子模塊化生產(chǎn)效率，國外已經(jīng)開始進(jìn)行多節(jié)轉(zhuǎn)子的工藝研究和應(yīng)用，有采用多節(jié)轉(zhuǎn)子焊接工藝，也有采用定子大跨度分體，轉(zhuǎn)子通過短桿連接工藝，從而實(shí)現(xiàn)螺桿泵的高揚(yáng)程舉升，如圖3所示。

國內(nèi)近幾年才開始進(jìn)行多節(jié)泵技術(shù)研究，在這方面，大慶油田力神泵業(yè)公司走在了前面，其生產(chǎn)的多節(jié)定子螺桿泵在油田已成功應(yīng)用，質(zhì)量穩(wěn)定，效果良好，但對于多節(jié)轉(zhuǎn)子連接技術(shù)，受工藝水平及現(xiàn)場施工條件的限制，目前尚未開展這方面工作。

圖3 多節(jié)連接的定子和轉(zhuǎn)子

2 橡膠原材料獲得模式對比

螺桿泵定子橡膠性能不但體現(xiàn)產(chǎn)品的適應(yīng)性，而且直接影響產(chǎn)品質(zhì)量［3］。國外大部分廠商的橡膠為適應(yīng)不同井況而獨(dú)立開發(fā)，因橡膠自身的特點(diǎn)，很難進(jìn)行仿制，因而國外廠商將定子制造技術(shù)（包括橡膠煉制）作為核心技術(shù)嚴(yán)格保密，其生產(chǎn)模式普遍為：橡膠及定子由本部制造，轉(zhuǎn)子進(jìn)行全球采購。

在橡膠煉制方面，混煉工藝比較復(fù)雜，涉及原材料儲(chǔ)存與稱量、設(shè)備調(diào)試、工藝以及成品檢測等多方面內(nèi)容。國外普遍將橡膠制造納入內(nèi)部控制體系，實(shí)行自制自用，嚴(yán)格控制橡膠制造流程，而橡膠的質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響定子最終各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定性。國內(nèi)大部分螺桿泵制造廠家不具備橡膠開發(fā)能力，混煉膠原料基本上采取外委加工和采購的模式，這種方式獲得的橡膠存在原料成分不穩(wěn)定、混煉不均勻等缺點(diǎn)，質(zhì)量難以得到有效控制，僅有少數(shù)幾個(gè)規(guī)模大的螺桿泵廠家具有獨(dú)立開發(fā)橡膠配方的能力，根據(jù)不同使用環(huán)境及用戶需求，有針對性地開發(fā)橡膠配方。

3 轉(zhuǎn)子配套及加工方式對生產(chǎn)組織的影響

國外普遍采用“1種定子配套多種轉(zhuǎn)子”的生產(chǎn)配套模式，即定子由固定模芯制造，形腔尺寸基本相同，根據(jù)不同井況或橡膠的耐介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，通過經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算獲得所需過盈量，從而獲得轉(zhuǎn)子尺寸。這種情況下，只需試驗(yàn)用戶的定子即可，可實(shí)現(xiàn)“流水線式”生產(chǎn)。例如PCM公司每種規(guī)格定子配備14種尺寸的轉(zhuǎn)子，Centrilift公司每種規(guī)格定子配備約10種尺寸的轉(zhuǎn)子，每種轉(zhuǎn)子尺寸控制范圍為±0.05 mm，各規(guī)格轉(zhuǎn)子尺寸跨度為0.2 mm。這種生產(chǎn)模式可將定子和轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)在時(shí)間上和空間上實(shí)現(xiàn)分離，根據(jù)市場預(yù)測提前進(jìn)行轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)備，甚至可實(shí)現(xiàn)外委制造，降低設(shè)備投入。

目前，國產(chǎn)轉(zhuǎn)子加工設(shè)備約￥190萬元，而進(jìn)口設(shè)備高達(dá)￥1 500萬元。因單臺轉(zhuǎn)子加工周期較長，如要滿足市場需求，僅靠企業(yè)全部自制，需購置多臺加工設(shè)備，投資巨大；另外，轉(zhuǎn)子加工中的鍍鉻工序?qū)Νh(huán)保要求較高，一直是重點(diǎn)監(jiān)控行業(yè)，達(dá)標(biāo)投資巨大。因而，國外廠商的生產(chǎn)模式即可滿足市場反應(yīng)速度，又降低固定設(shè)備和社會(huì)責(zé)任的投入。

受定子制造穩(wěn)定性差的制約，國內(nèi)目前普遍采用加工完定子后，根據(jù)定子形腔尺寸及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)子尺寸，類似于“作坊式”配做，定、轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)流程具有先后時(shí)序，轉(zhuǎn)子加工無法與定子生產(chǎn)并行或提前完成，生產(chǎn)效率低，市場反應(yīng)速度慢，而且配套準(zhǔn)確性不高，經(jīng)常出現(xiàn)同尺寸轉(zhuǎn)子性能差異大而報(bào)廢的情況，造成浪費(fèi)。

另外，螺桿泵轉(zhuǎn)子的鍍鉻工序?yàn)樘厥夤ば?，由于轉(zhuǎn)子自身存在波峰與波谷，在鍍鉻過程中必然造成高點(diǎn)與低點(diǎn)的鉻層厚度不均（如圖4），如果在轉(zhuǎn)子機(jī)加工階段未做形線補(bǔ)償，這種鍍層不均勻?qū)⒃斐勺罱K形線偏差，導(dǎo)致泵的性能下降（如：轉(zhuǎn)矩大、泵效低等）。目前，大部分國內(nèi)廠家是通過在電鍍時(shí)采用移動(dòng)陽極或小電流延長電鍍時(shí)間來控制鍍層偏差，生產(chǎn)效率極低，而且僅能將厚度偏差控制在0.03～0.07 mm，鉻層厚度要求越大，效率和鍍層質(zhì)量越低，偏差也越大。為克服轉(zhuǎn)子鍍層厚度差異對最終形線產(chǎn)生偏差的影響，國外螺桿泵轉(zhuǎn)子加工行業(yè)采用形線補(bǔ)償?shù)姆绞剑谵D(zhuǎn)子形線機(jī)加工階段根據(jù)電鍍工藝特點(diǎn)預(yù)留出電鍍偏差補(bǔ)償，通過正常的電鍍工藝（一般高點(diǎn)達(dá)到0.25 mm以上，低點(diǎn)大于0.02 mm）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子最終形線滿足設(shè)計(jì)要求，這種方式對鍍層的均勻性要求低，甚至僅以高點(diǎn)鉻層厚度是否達(dá)標(biāo)作為檢驗(yàn)指標(biāo)，因而電鍍效率較高，甚至可實(shí)現(xiàn)更大厚度鍍層的要求。

圖4 轉(zhuǎn)子大徑和小徑所對應(yīng)的鍍層厚度

4 產(chǎn)品判定標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)組織的影響

國標(biāo)GB／T 21411.1—2008推薦了試驗(yàn)檢測方法［4］，即采用已考慮定子橡膠膨脹后的過盈量的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子作為檢具，通過容積效率范圍控制形腔的準(zhǔn)確性。這種生產(chǎn)方法“只試驗(yàn)用戶的定子，而用戶的轉(zhuǎn)子只需測量尺寸，熱膨脹大小可以通過計(jì)算求得”，因而生產(chǎn)效率高。

目前，國內(nèi)普遍采用的檢驗(yàn)方法是直接檢測成品泵。定子橡膠在未發(fā)生膨脹時(shí)，泵的過盈量很小，這種狀態(tài)下，試驗(yàn)溫度、黏度、轉(zhuǎn)速、摩擦因數(shù)、形腔尺寸等因素發(fā)生變化極易引起泵性能的急劇變化。通過對15臺GLB500-14型泵出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（如圖5），在定轉(zhuǎn)子過盈量未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用值的情況下進(jìn)行廠內(nèi)檢測。由圖5可以看出：泵的參數(shù)控制范圍非常狹窄，在實(shí)際生產(chǎn)中的制造和成品檢測難度非常大，生產(chǎn)效率低。建議國內(nèi)螺桿泵生產(chǎn)廠家盡快引進(jìn)、消化吸收國外先進(jìn)的制造及檢驗(yàn)技術(shù)。

圖5 GLB500-14型螺桿泵性能曲線

5 結(jié)論

1） 充分了解螺桿泵產(chǎn)品的運(yùn)行特點(diǎn)與應(yīng)用環(huán)境的關(guān)系，提高產(chǎn)品的匹配性，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商與用戶的“雙贏”。

2） 掌握定子橡膠制造及應(yīng)用特性，完善螺桿泵定、轉(zhuǎn)子的制造工藝和配泵技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3） 摸索先進(jìn)生產(chǎn)制造模式，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和市場反應(yīng)速度。

［1］ 王國慶，師國臣，馬志權(quán)，等.大慶油田螺桿泵井采油系統(tǒng)效率現(xiàn)狀及對策［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（7）：25-28.

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

［3］ 王哲，王世杰，呂曉仁.潛油螺桿泵定子橡膠摩擦磨損行為研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（2）：163-166.

［4］ GB／T 21411.1—2008，石油天然氣工業(yè)井下設(shè)備人工舉升用螺桿泵系統(tǒng)第1部分：泵［S］.

Analysis Influence Factors of Progressing Cavity Pump Manufacturing Mode

In view of present situation of progressing cavity pump（PCP）used in domestic oilfield，this article the difference of the domestic and international PCP manufacturing mode are compared with and analyzed，from respects of the structure of stator and rotor of PCP，processing and manufacturing，and testing，etc.，thereby the feasibility of and realizing advanced manufacturing mode are probed into，and suggestions and ideas on improving PCP production scale and production efficiency are put forward as well.

progressing cavity pump；manufacturing mode；efficiency；production scale

TE933.3

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.025

1001-3482（2014）11-0096-03

2014-05-26

樸雪峰（1973-），男，黑龍江大慶人，高級工程師，主要從事螺桿泵的研發(fā)工作，E-mail：xfpiao＠cnpc.com.cn。