聚驅(qū)螺桿泵井合理轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的影響因素分析及試驗(yàn)

楊盼盼（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

螺桿泵采油是油田開發(fā)過程中有效的機(jī)械采油方式之一。近年來，地面驅(qū)動螺桿泵因其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在聚驅(qū)開發(fā)中也逐步得到推廣應(yīng)用。試驗(yàn)表明，結(jié)合油井的工況水平和泵的不同使用時(shí)期，選擇螺桿泵的合理轉(zhuǎn)速，對泵效、泵的壽命及其高效節(jié)能優(yōu)勢的發(fā)揮尤為重要。通過現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，對螺桿泵合理的轉(zhuǎn)速范圍和相關(guān)因素進(jìn)行了分析和探討。

1 轉(zhuǎn)速與油井工況的關(guān)系

螺桿泵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)應(yīng)與油井的運(yùn)行工況相匹配，油井的不同工況對螺桿泵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)有不同要求，下面通過螺桿泵井主要工況參數(shù)扭矩來進(jìn)行分析說明。

螺桿泵扭矩可按下式計(jì)算[1]：

式中：Ma——加速度引起的慣性扭矩，N·m；

Mp——舉升扭矩，N·m；

Mf——定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，N·m；

My——油管中液體對單位長度油桿的摩擦扭矩，N·m；

Δp——泵吸入端與排出端壓差，MPa；

ε——轉(zhuǎn)動角加速度，rad/s2；

Jd——單位長度桿柱的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m；

d1——抽油桿直徑，mm；

d2——油管內(nèi)徑，mm；

n——螺桿泵轉(zhuǎn)速，r/min；

E——螺桿泵的螺桿偏心距，m；

D——螺桿泵的螺桿斷面直徑，m；

T——螺桿泵的襯套導(dǎo)程，m；

e——泵結(jié)構(gòu)參數(shù)；

μ——液體黏度，m2/s；

k0——定子橡膠剛度，(N·m)/mm2；

δ ——襯套橡膠因熱溶脹增加的過盈量，mm；

δ0——定轉(zhuǎn)子間初始過盈值，mm；

f ——定轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù)；

R——轉(zhuǎn)子斷面半徑，mm；

Mz——單個(gè)扶正器的摩擦扭矩，N·m；

L——泵掛深度，m；

x——某點(diǎn)距地面高度，m；

Nx——在深度x 以下的扶正器個(gè)數(shù)。

Mp和Mf為螺桿泵主要扭矩，并且隨轉(zhuǎn)速和液體黏度增大而增大。黏度較大時(shí)，轉(zhuǎn)速過高，不僅會引起泵的機(jī)械損失增大，而且會對抽油桿的強(qiáng)度造成一定的影響；所以，當(dāng)抽汲液體的黏度較高時(shí)，泵轉(zhuǎn)速應(yīng)降低些。

圖1～圖3為現(xiàn)場測試不同泵型在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化曲線。由圖1～圖3可知，隨螺桿泵轉(zhuǎn)速的增大，桿柱的扭矩逐漸增大；其次，在螺桿泵井運(yùn)行過程中，由于受液體黏度、定轉(zhuǎn)子摩擦狀態(tài)等不斷變化的影響，抽油桿柱的扭矩并非平穩(wěn)的，而是存在一定的振動，這種振動變化綜合反映了井下抽油桿、定子、轉(zhuǎn)子等運(yùn)行工況的平穩(wěn)性。

從螺桿泵扭矩實(shí)際測試結(jié)果看，以GLB800 螺桿泵實(shí)測扭矩變化為例，在較高轉(zhuǎn)速（80 r/min 左右）下，螺桿泵井運(yùn)行工況明顯不如較低轉(zhuǎn)速（40～50 r/min）下運(yùn)行平穩(wěn)，其中40 r/min 轉(zhuǎn)速下實(shí)測扭矩最為平穩(wěn)。相同工況條件下，較低轉(zhuǎn)速下的螺桿泵扭矩波動幅度要低于高轉(zhuǎn)速。

從螺桿泵的結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面看，一定存在合理的轉(zhuǎn)速范圍，因?yàn)樵诖藸顟B(tài)下可以避開抽油桿的扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動的固有頻率，以免產(chǎn)生共振，從而保證螺桿泵運(yùn)行的平穩(wěn)性[2]。

圖1 GLB800螺桿泵不同轉(zhuǎn)速下實(shí)測扭矩變化曲線

圖2 GLB300螺桿泵不同轉(zhuǎn)速下實(shí)測扭矩變化曲線

圖3 GLB150螺桿泵不同轉(zhuǎn)速下實(shí)測扭矩變化曲線

2 轉(zhuǎn)速與油井能耗的關(guān)系

現(xiàn)場選取GLB800 螺桿泵井，分別測試了從40～210 r/min 不同轉(zhuǎn)速下的有功功率。由圖4 可知，隨轉(zhuǎn)速的逐漸增大，螺桿泵的能耗水平逐漸上升。

圖4 百米噸液耗電量隨螺桿泵轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線

同時(shí)繪制單位轉(zhuǎn)速下有功能耗增加值隨轉(zhuǎn)速變化的曲線（圖5）。在不同轉(zhuǎn)速條件下，增大單位轉(zhuǎn)速的能耗變化趨勢表明，在較高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增大單位轉(zhuǎn)速而增加的能耗要比較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大；說明在滿足生產(chǎn)需要的條件下，應(yīng)在較低范圍內(nèi)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，可以進(jìn)一步降低因大幅度提高轉(zhuǎn)速所帶來的能耗明顯增加。

圖5 螺桿泵轉(zhuǎn)速增加與能耗變化曲線

以GLB800 型螺桿泵為例，在轉(zhuǎn)速為140～150 r/min 的條件下，螺桿泵增加單位轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的能耗增加趨勢較為平緩；說明從減緩能耗增加幅度方面考慮，應(yīng)在此范圍內(nèi)設(shè)計(jì)螺桿泵的合理轉(zhuǎn)速。

3 合理轉(zhuǎn)速分析

綜上所述，螺桿泵轉(zhuǎn)速對抽油桿扭矩、運(yùn)行能耗、泵效、流體摩擦壓降等均有影響，必須綜合考慮各種因素來選取其合理轉(zhuǎn)速。以螺桿泵泵效與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（圖6）為例，容積效率會隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，機(jī)械效率則會隨著轉(zhuǎn)速增大而降低［3］。對于定子橡膠具有較好的溶脹特性的螺桿泵，隨使用時(shí)間增加，容積效率可逐漸增加。因此，可在應(yīng)用初期低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，避免因螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自動升溫和壓縮疲勞導(dǎo)致定子橡膠老化，同時(shí)又能降低流體的摩擦壓降［4］，后期逐漸提高轉(zhuǎn)速，從而提高泵效。

圖6 不同條件影響下轉(zhuǎn)速與泵效的關(guān)系曲線[5]

4 結(jié)論

1）影響螺桿泵合理轉(zhuǎn)速的因素較多，選取合理轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，應(yīng)綜合考慮抽油桿扭矩、運(yùn)行能耗、泵效等因素與螺桿泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

2）根據(jù)螺桿泵轉(zhuǎn)速與抽油桿扭矩的變化關(guān)系，確定合理轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍，可以避開抽油桿的扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動的固有頻率，減少共振產(chǎn)生，從而保證螺桿泵穩(wěn)定運(yùn)行。

3）試驗(yàn)表明，在滿足采油井生產(chǎn)需要的前提下，應(yīng)在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，可以有效降低螺桿泵運(yùn)行能耗，保證較高泵效。