等壁厚定子螺桿泵節(jié)能效果分析

張濤（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

等壁厚定子螺桿泵節(jié)能效果分析

張濤（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

自1980年引進(jìn)螺桿泵采油技術(shù)以來(lái)，大慶油田螺桿泵井已經(jīng)達(dá)到8000口以上，配套的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等配套技術(shù)實(shí)現(xiàn)了逐步完善?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，螺桿泵在應(yīng)用超過(guò)500天后泵效下降幅度較大，出現(xiàn)了調(diào)整工作轉(zhuǎn)速后增產(chǎn)效果差的問(wèn)題。通過(guò)分析制約螺桿泵井系統(tǒng)效率的主要因素，得出泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間的漏失量增加引起的。通過(guò)改變螺桿泵定子外殼的形狀，研制了等壁厚定子螺桿泵。這種螺桿泵定子襯套的橡膠層厚度處處相等，大幅度降低了由于橡膠溫、溶脹引起的形變幅度，提高了螺桿泵的工作性能，系統(tǒng)效率上升5個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率達(dá)到18.5%，取得了良好的節(jié)能效果。

等壁厚；螺桿泵；定子；節(jié)能

1 影響系統(tǒng)效率的主要原因

大慶油田目前在用螺桿泵井超過(guò)8000口，是大慶油田的主要人工舉升方式之一[1]?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，螺桿泵在應(yīng)用超過(guò)500天后泵效下降幅度較大，出現(xiàn)調(diào)整工作轉(zhuǎn)速后增產(chǎn)效果差的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，近5年來(lái)螺桿泵系統(tǒng)效率維持在30%左右，一直沒(méi)有有效的技術(shù)措施來(lái)提高螺桿泵井系統(tǒng)效率[2]。依據(jù)螺桿泵采油系統(tǒng)的組成部分，將螺桿泵的系統(tǒng)效率分成兩個(gè)部分，即地面效率和井下效率[3]。

地面系統(tǒng)的能量損耗主要來(lái)源于電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)頭一級(jí)減速系統(tǒng)和皮帶，因此

式中：η地面——螺桿泵井地面系統(tǒng)效率；

P光——光桿功率，kW；

P入——輸入功率，kW；

η1——電動(dòng)機(jī)效率；

η2——驅(qū)動(dòng)頭一級(jí)減速系統(tǒng)和皮帶的效率。井下系統(tǒng)的能量損耗主要來(lái)源于井下的桿、管柱和泵，因此

式中：η地下——螺桿泵井下系統(tǒng)效率；

P水——水功率，kW；

η3——泵效；

η4——桿柱效率；

η5——管柱效率。

在保持一定的工作壓差范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)螺桿泵，排量的穩(wěn)定性較好，當(dāng)生產(chǎn)壓差超過(guò)定子襯套腔室的密封臨界值時(shí)會(huì)發(fā)生漏失，且壓差越大，漏失情況越嚴(yán)重。

泵的轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致液面抽不下去，雖然螺桿泵保持了很高的容積效率，但是能量絕大部分轉(zhuǎn)化成了熱能而不是用來(lái)做功，因此系統(tǒng)的機(jī)械效率和總效率很低。而在供液能力一定的情況下，高轉(zhuǎn)速的螺桿泵的沉沒(méi)度較低，漏失量增大，定子襯套和轉(zhuǎn)子之間的磨擦情況加劇，導(dǎo)致定子襯套橡膠層的溫度升高。

2 等壁厚定子螺桿泵原理及優(yōu)點(diǎn)

綜上所述，導(dǎo)致螺桿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)500天后泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間的漏失量增加。理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，定子襯套的橡膠層溶脹和損壞是影響螺桿泵工作性能的主要因素，因此設(shè)計(jì)定子橡膠的厚度均勻相等的等壁厚定子螺桿泵[4]。減小由于溫升和溶脹引起的橡膠形變，保證襯套橡膠層的型線精度，降低工作扭矩，提高泵效，延長(zhǎng)工作壽命。等壁厚定子螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）等壁厚定子螺桿泵的定子襯套的橡膠層厚度均勻，能夠保證良好的散熱性能，大幅度降低了橡膠層的溫度升高幅度。溫度場(chǎng)的有限元分析結(jié)果顯示[4]，等壁厚定子螺桿泵的溫升僅有9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)螺桿泵的溫升值20%。

2）螺桿泵的泵效主要是由于定子襯套的橡膠層和轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈嚙合來(lái)決定的。泵在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，定子襯套的橡膠會(huì)產(chǎn)生一定的溶脹，增大了過(guò)盈量，磨阻變大，扭矩變大，加大了抽油桿的形變，縮短了桿柱的工作壽命。新型螺桿泵的定子襯套橡膠層的壁厚均勻，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的形態(tài)變化小，提高了定子襯套腔室的承壓能力，延長(zhǎng)螺桿泵高泵效的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，從而提升系統(tǒng)效率。

3）由于定子襯套的橡膠層厚度均勻，橡膠層溫升、溶漲幅度變化小，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提高了泵的工作效率，降低了工作扭矩，節(jié)能效果好。

3 室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)分析

由于500型螺桿泵是大慶油田的主力泵型，通過(guò)開(kāi)展相同初始過(guò)盈值的GLB500型普通螺桿泵和DGLB500型等壁厚定子螺桿泵的水力特性對(duì)比試驗(yàn)，有效的驗(yàn)證等壁厚定子螺桿泵的扭矩小、腔室承壓高、泵效高的優(yōu)勢(shì)。

1）工作轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。在50℃介質(zhì)溫度條件下，對(duì)比兩種螺桿泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線，分析工作轉(zhuǎn)速對(duì)兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化趨勢(shì)相同，在模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中工作轉(zhuǎn)速100 r/min，承壓6 MPa時(shí)，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵容積工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，效率高12.07%，高泵效工作區(qū)間延長(zhǎng)（圖1～圖4）。

2）工作溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為32號(hào)液壓油，工作轉(zhuǎn)速為100 r/min，分析不同的工作溫度對(duì)兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓的變化影響。

圖1 轉(zhuǎn)速對(duì)扭矩的影響

圖2 轉(zhuǎn)速對(duì)單級(jí)承壓的影響

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)DGLB500-14泵容積效率的影響

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)GLB500-14泵容積效率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度升至50℃時(shí)，等壁厚定子螺桿泵的工作扭矩的變化幅度比普通螺桿泵低18%，腔室承壓低36%，有效的驗(yàn)證了溫度升高對(duì)等壁厚定子螺桿泵的定子襯套橡膠層的形態(tài)變化小的特點(diǎn)（圖5～圖6）。

圖5 溫度對(duì)單級(jí)承壓的影響

圖6 溫度對(duì)扭矩的影響

4 應(yīng)用效果分析

截至2016年5月底，在大慶油田采油三廠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等壁厚定子螺桿泵300余口，泵效平均值為62%，動(dòng)液面540 m，系統(tǒng)效率值達(dá)到了37.12%，節(jié)電率為18.5%。等壁厚定子螺桿泵的平均檢泵周期692天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通螺桿泵550天的檢泵周期。

在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的同時(shí)，開(kāi)展了對(duì)兩種相同泵型的螺桿泵在相同區(qū)塊的典型井動(dòng)液面和泵效的對(duì)比分析，如圖7、圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，與普通螺桿泵相比，等壁厚定子螺桿泵井動(dòng)液面高，高泵效持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

圖7 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井動(dòng)液面對(duì)比

圖8 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井泵效對(duì)比

對(duì)比分析結(jié)果表明，兩種螺桿泵在工作運(yùn)轉(zhuǎn)500天后，等壁厚定子螺桿泵動(dòng)液面比普通螺桿泵高出103 m，泵效高出12.3%。等壁厚螺桿泵在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)，泵效保持了較高值，波動(dòng)變化幅度小，工作性能平穩(wěn)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)設(shè)計(jì)改變螺桿泵定子鋼管的形狀，設(shè)計(jì)的定子襯套的橡膠層的厚度均勻，有效的降低了橡膠層的溫升和溶脹變化幅度，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提升了螺桿泵的工作性能。

2）通過(guò)開(kāi)展螺桿泵水力特性試驗(yàn)，對(duì)比同過(guò)盈值的等壁厚定子螺桿泵和普通螺桿泵，在模擬實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中工作轉(zhuǎn)速100 r/min，承壓6 MPa的情況時(shí)，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，容積效率高12.07%。

3）從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的典型井可知，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵的動(dòng)液面高，泵效保持了較高值，波動(dòng)變化幅度小，工作性能平穩(wěn)。

[1]Liu He，Wang Fengshan，Shi Guochen，etc.An Innovative PCP Logging Technique for the Separated Layer Production Wells[c]//SPE Progressing Cavity Pumps Conference.Alberta：Society of Petroleum Engineers，2010：9.

[2]姜滔，蓋偉濤，何艷.提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的對(duì)策[J].采油工程，2012（3）：41-43.

[3]呂彥平，吳曉東，李遠(yuǎn)超，等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2006，28（1）：64-65.

[4]何艷，秦佳，朱雪芹，等.等壁厚定子螺桿泵的有限元分析[J].石油機(jī)械，2006，34（6）：53-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.009

2016-07-03

（編輯 張馨怡）

張濤，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專(zhuān)業(yè)），從事產(chǎn)能建設(shè)、新井投產(chǎn)管理工作，E-mail：tzhang_dq@petrochina.com. cn，地址：黑龍江省大慶市第三采油廠機(jī)關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行部，163000。