增壓注水螺桿泵設(shè)計(jì)研究

王 卓，童 臨，馮 琪，杜毅斐，解江濤

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

注水泵是油田注水開發(fā)工藝中一種十分重要的機(jī)械設(shè)備。早在二十世紀(jì)七八十年代，我國各大油田在經(jīng)過一段時(shí)期的開發(fā)開采后，地下油層壓力大幅度下降，導(dǎo)致油井的采收率不斷下降，加之采油驅(qū)油技術(shù)也相對(duì)落后，因此采收率明顯下降[1]。

相繼之下，部分注水單井和注水區(qū)塊欠壓問題越來越嚴(yán)重，人們就已經(jīng)意識(shí)到了發(fā)展增壓注水技術(shù)的重要性和緊迫性。增壓注水泵作為增壓注水核心部件，一直是相關(guān)部門、眾多研究所和廠家關(guān)注的焦點(diǎn)，相繼也投入了大量的人力和物力進(jìn)行增壓注水泵的設(shè)計(jì)研發(fā)。經(jīng)過多年的探索試驗(yàn)，多種泵型陸續(xù)投入正式生產(chǎn)，并應(yīng)用于我國各大油田。雖說國內(nèi)的增壓注水泵在產(chǎn)品質(zhì)量、系列化、泵效、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等方面與國外尚存在一定的差距，但是，到目前為止，國內(nèi)的增壓注水泵的發(fā)展也逐漸向著系列化方向發(fā)展，有數(shù)十個(gè)產(chǎn)品類型，可以滿足國內(nèi)各大油田的增壓注水需求[2]。

與此同時(shí)，對(duì)于分布零散的高壓井和一些低滲透油藏來說，單井增壓注水則顯得尤為重要。一方面，少數(shù)井完成配注需要提高注水系統(tǒng)的壓力會(huì)增加生產(chǎn)成本，影響油田開發(fā)效益，另一方面，采用單井注水，能有效改善外圍低滲透油田的注水效果，增壓注水泵能充分發(fā)揮其效用，同時(shí)使吸水差的油層得到有效利用，具有良好的發(fā)展前景[3]。

1 注水泵常見問題分析

目前，單井增壓注水多布局在地面井口附近，廣泛使用的增壓注水泵多為離心式泵和往復(fù)式柱塞泵。

1）離心式泵。其主要優(yōu)點(diǎn)在于輸出流量均勻，平穩(wěn)，額定流量大，可通過調(diào)節(jié)排出閥調(diào)節(jié)流量，且易損件少，無往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊促，泵體相對(duì)較小，制造安裝成本低，維修費(fèi)用少；包括地面離心泵和井下潛油離心泵倒置，但這兩種方式都存在泵效低和耗能大的問題，而且前者地面離心泵也存在增壓值小的問題，往往不能滿足增壓效果，后者井下離心泵存在單機(jī)發(fā)熱量大，散熱困難易燒毀電機(jī)的問題。

2）往復(fù)式泵。有效壓頭高，可滿足高壓注水要求，包括液壓驅(qū)動(dòng)柱塞泵，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)柱塞泵等，這種泵大大提高了泵的工作效率；但是也存在著柱塞腐蝕，盤根漏水，泵閥承載力大，壽命短，維護(hù)工作量大的問題，同時(shí)在調(diào)整泵的排量上也有一定的難度[4]。

介于地面增壓裝置均存在著地面增壓后與井口連接處需要高壓管線和高壓泵閥連接，具有一定的安全隱患，以及以上兩種增壓注水泵型的問題所在，提出了將螺桿泵應(yīng)用于單井增壓注水領(lǐng)域的思路，嘗試設(shè)計(jì)了一種新型的增壓注水插入式螺桿泵。

2 螺桿式增壓注水泵

螺桿式增壓注水泵系統(tǒng)由電機(jī)控制柜、交流伺服永磁同步電機(jī)、萬向聯(lián)軸器、承重塊、油套管四通、多級(jí)螺桿泵、封隔器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該增壓注水泵豎直放置在注水井井口附近，整體采用立式增壓注水的布置方式，低壓來水通過與套管四通連接進(jìn)入注水系統(tǒng)，套管四通下端口與多級(jí)螺桿泵連接，動(dòng)力由伺服電機(jī)提供，經(jīng)萬向聯(lián)軸器傳遞給多級(jí)螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)工作，對(duì)低壓來水進(jìn)一步增壓后注入到注水層。

圖1 螺桿式增壓注水泵結(jié)構(gòu)示意圖

該增壓注水泵的特點(diǎn)：

1）注水系統(tǒng)選用交流永磁伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，在控制柜控制下按需要實(shí)現(xiàn)精確控制，大大提高了工作效率，使整個(gè)系統(tǒng)變得高效節(jié)能；

2）螺桿泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速可調(diào)，泵的出口壓力可隨泵的級(jí)數(shù)增加而增加，吸入性能良好，流量均勻連續(xù)，振動(dòng)小，噪音低；

3）采用立式布置增壓注水，整體裝置占地面積小，維護(hù)簡單，操作方便安全；

4）整個(gè)裝置機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，安裝移置方便，受外界氣候環(huán)境影響小，且高壓位于井下，安全可靠。

3 螺桿式增壓注水泵主要部件設(shè)計(jì)選型

1）電動(dòng)機(jī)。根據(jù)流量及壓力需求，計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)，本系統(tǒng)采用交流永磁式同步電機(jī)，該類型的電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，損耗小，效率高的特點(diǎn)。

2）萬向聯(lián)軸器。系統(tǒng)選擇十字雙萬向聯(lián)軸器，可大大減小系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)引起的動(dòng)載荷，十字萬向聯(lián)軸器采用整體式叉頭，使運(yùn)載更具可靠性，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高,噪聲低，使用壽命長，維修保養(yǎng)方便。

3）螺桿泵。螺桿泵類型是該系統(tǒng)的核心，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙螺桿泵結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的工作性能。單從結(jié)構(gòu)上而言，雙螺桿泵是外嚙合的螺桿泵，它利用相互嚙合，互不接觸的兩根螺桿來抽送液體，雙螺桿泵獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它可以實(shí)現(xiàn)無攪拌、無脈動(dòng)、平穩(wěn)的輸送各種介質(zhì)，由于泵體結(jié)構(gòu)保證泵的工作元件內(nèi)始終存有泵送液體作為密封液體，因此雙螺桿泵有很強(qiáng)的自吸能力，且能汽液混輸，雙螺桿泵的特殊設(shè)計(jì)還保證了泵有高的吸入性能即很小的NPSHr值。

4）軸承。根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，擬選擇圓錐滾子軸承來對(duì)軸向力進(jìn)行平衡，由于泵在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的軸向力以及些許徑向力，選擇圓錐滾子軸承對(duì)稱布置，在很大程度上減小了系統(tǒng)的軸向力；同時(shí)選擇外置軸承結(jié)構(gòu)，在這種情況下雙螺桿泵則是工作腔同軸承分開，這種泵的結(jié)構(gòu)和螺桿間存在側(cè)間隙，獨(dú)立潤滑的外置軸承允許其輸送各種非潤滑性介質(zhì)。此外，調(diào)整同步齒輪使得螺桿不接觸，同時(shí)將輸出扭矩的一半傳給從動(dòng)螺桿；外置軸承式雙螺桿泵具有自吸能力，而且多數(shù)泵輸送元件本身都是雙吸對(duì)稱布置，可消除軸向力，也有很大的吸高。

4 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)表明，將螺桿泵應(yīng)用到注水工藝過程是極為可行而且有意義的。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增壓注水螺桿泵能夠滿足注水井的配注要求，流量和壓力都能滿足實(shí)際需要，但是也存在一些問題，該增壓注水泵在工作時(shí)，存在很大的振動(dòng)沖擊現(xiàn)象，需要考慮對(duì)電機(jī)和泵的固定及密封方式的選擇，避免系統(tǒng)松動(dòng)不安全和注水時(shí)漏失嚴(yán)重的發(fā)生。

2）為滿足實(shí)際配注壓力，流量等要求，需要對(duì)螺桿泵核心部件螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)選擇，合理對(duì)電機(jī)和泵的密封方式進(jìn)行選擇，最后達(dá)到泵整體工作性能的提升，這也是作者后續(xù)研究的主要工作。

3）該注水系統(tǒng)主要解決的是欠注油井的壓力需求，為分布零散的高壓井和一些低滲透油藏在注水工藝上提供了一種新思路，極大豐富了增壓注水泵類型，而且整個(gè)注水泵系統(tǒng)在研究與使用過程中也將會(huì)不斷向輕量化，智能化方向發(fā)展。