氣田螺桿泵流量變化的影響因素研究

喬煒，王海峰，趙景龍，楊云鵬

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安 710018）

蘇里格南區(qū)塊氣田采出水與天然氣經(jīng)采氣支管混輸至集氣站，經(jīng)過(guò)分離器分離、閃蒸罐沉降后使用螺桿泵密閉管輸送至下游處理廠進(jìn)行集中處理。當(dāng)氣井集中出液造成產(chǎn)液高峰，集氣站來(lái)液速度超過(guò)采出水外輸速度時(shí)，通過(guò)切換流程將一部分采出水排入地埋罐儲(chǔ)存，待產(chǎn)液量平穩(wěn)后再切換流程將地埋罐中的采出水外輸[1]。

1 螺桿泵工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)原理

螺桿泵可分為單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵。蘇里格南區(qū)塊使用的采出水外輸泵屬于單螺桿泵。

單螺桿泵的主要工作部件是偏心螺旋體的螺桿（稱轉(zhuǎn)子）和內(nèi)表面呈雙線螺旋面的螺桿襯套（稱定子）。其工作原理是當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面又沿襯套內(nèi)表面滾動(dòng)，于是形成泵的密封腔室。螺桿每轉(zhuǎn)一周，密封腔內(nèi)的液體向前推進(jìn)一個(gè)螺距，隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，液體以螺旋形方式從一個(gè)密封腔壓向另一個(gè)密封腔，最后擠出泵體[2]，如圖1所示。

圖1 螺桿泵裝配示意圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

C1 集氣站螺桿泵型號(hào)為NWI100SH78，最高排出壓力7.2 MPa，額定流量7 m3/h，額定轉(zhuǎn)速322 r/min。C3 集氣站螺桿泵型號(hào)為NWI110SH330，最高排出壓力11 MPa，額定流量15 m3/h，額定轉(zhuǎn)速139 r/min。

2 螺桿泵運(yùn)行情況

C1 集氣站兩臺(tái)螺桿泵于2013 年8 月投入使用。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，流量下降較為明顯。重點(diǎn)分析C1集氣站兩臺(tái)螺桿泵流量下降的原因。

2.1 運(yùn)行概況

截至2020 年4 月，1 號(hào)螺桿泵累計(jì)運(yùn)行28 400 h；2號(hào)螺桿泵累計(jì)運(yùn)行25 200 h。1號(hào)螺桿泵運(yùn)行至8 479 h 因轉(zhuǎn)子斷裂更換定子及轉(zhuǎn)子；運(yùn)行至22 466 h 因流量下降明顯，更換第二套定子、轉(zhuǎn)子。2 號(hào)螺桿泵運(yùn)行至7 547 h因轉(zhuǎn)子斷裂更換定子、轉(zhuǎn)子。C1站兩臺(tái)螺桿泵在2018 年3 月改造增加變頻器實(shí)現(xiàn)螺桿泵軟啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)效果良好。C1集氣站兩臺(tái)螺桿泵流量相對(duì)較低，變頻器根據(jù)工況可在30～50 Hz 自動(dòng)調(diào)頻運(yùn)行。

2.2 流量下降情況

在不同出口壓力情況下進(jìn)行實(shí)際流量測(cè)算。1號(hào)螺桿泵實(shí)際流量在2.5～4 m3/h，如圖2 所示。2 號(hào)螺桿泵實(shí)際流量在5.2～7 m3/h，如圖3 所示，雙泵同時(shí)運(yùn)行實(shí)際流量在6.8～10.2 m3/h，其流量隨壓力變化曲線如圖4所示。

圖2 1號(hào)螺桿泵流量隨壓力變化曲線

圖3 2號(hào)螺桿泵流量隨壓力變化曲線

圖4 雙泵運(yùn)行流量隨壓力變化曲線

通過(guò)流量測(cè)算可以看出，螺桿泵實(shí)際流量隨出口壓力升高而降低；雙泵運(yùn)行時(shí)泵流量小于單泵分別運(yùn)行流量之和；1號(hào)螺桿泵更換定轉(zhuǎn)子后已運(yùn)行5 979 h，流量衰減顯著，2號(hào)螺桿泵更換定轉(zhuǎn)子后已運(yùn)行17 730 h，定子發(fā)生溶脹現(xiàn)象將轉(zhuǎn)子磨損部分間隙彌補(bǔ)，流量反而高于1號(hào)泵。

3 螺桿泵流量下降的原因分析及對(duì)策

3.1 轉(zhuǎn)子及定子的磨損

螺桿泵屬于容積式泵，根據(jù)螺桿泵的工作原理，介質(zhì)在轉(zhuǎn)子與定子沿螺旋密封線形成的密封空間內(nèi)隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將密封空間向下游推進(jìn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子、定子產(chǎn)生磨損時(shí)，兩者之間形成的密封空間密封性能下降發(fā)生介質(zhì)漏失現(xiàn)象，從而螺桿泵實(shí)際流量降低[3]。定子磨損情況如圖5所示。

圖5 定子內(nèi)部磨損情況

正常情況下螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)液體介質(zhì)有一定的潤(rùn)滑作用，轉(zhuǎn)子與定子的磨損速度不會(huì)太快。但當(dāng)介質(zhì)中含有固體顆粒物時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子的磨損加劇，磨損的速度與固體顆粒物的數(shù)量、顆粒大小、顆粒堅(jiān)硬程度都有一定關(guān)系。故磨損造成的流量下降是不可逆的。

螺桿泵使用初期由于轉(zhuǎn)子與定子的磨損，介質(zhì)輸送效率呈下降趨勢(shì)。使用后期，隨著定子長(zhǎng)期與介質(zhì)接觸產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子與定子的間隙減小，介質(zhì)輸送效率會(huì)有所回升。

在螺桿泵選型時(shí)，當(dāng)額定流量相同的情況下選擇轉(zhuǎn)速越低的型號(hào)可以使泵在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速更低，從而達(dá)到減緩轉(zhuǎn)子及定子磨損的目的。

3.2 泵的轉(zhuǎn)速及啟停頻次

在不考慮漏失量的情況下，螺桿泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系[4]。在不改變轉(zhuǎn)子、定子的情況下可以通過(guò)提高轉(zhuǎn)速的方式提高泵的流量，但提高轉(zhuǎn)速同時(shí)會(huì)加劇轉(zhuǎn)子、定子的磨損。C1站螺桿泵額定轉(zhuǎn)速322 r/min，因流量較小，若通過(guò)調(diào)整變頻器、調(diào)低轉(zhuǎn)速則無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。單螺桿泵理論流量計(jì)算公式：

式中：Q為流量，L/min；e為轉(zhuǎn)子偏心距，dm；d為轉(zhuǎn)子橫截面直徑，dm；T為定子導(dǎo)程（轉(zhuǎn)子螺距的2倍），dm；n為轉(zhuǎn)速,r/min。

螺桿泵啟泵時(shí)轉(zhuǎn)子承受的扭矩比平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)大，因此頻繁啟停螺桿泵也會(huì)加速轉(zhuǎn)子、定子的磨損。在生產(chǎn)條件允許的情況下可通過(guò)降低轉(zhuǎn)速以延長(zhǎng)螺桿泵平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)間，從而減少螺桿泵啟停的次數(shù)，達(dá)到延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子、定子壽命的目的。另外在加裝變頻器后可實(shí)現(xiàn)螺桿泵的軟啟動(dòng)，盡量降低轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)承受的扭矩。并通過(guò)優(yōu)化變頻器的調(diào)頻機(jī)制延長(zhǎng)螺旋桿泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間[5]。

3.3 介質(zhì)黏度的影響

除因轉(zhuǎn)子、定子磨損因素造成的流量降低外，螺桿泵流量波動(dòng)性降低多發(fā)生在冬季環(huán)境溫度較低時(shí)。嘗試在閃蒸罐注入甲醇后，螺桿泵流量恢復(fù)正常。由此得出環(huán)境溫度降低雖然可能對(duì)定子的橡膠材質(zhì)產(chǎn)生影響，但并不是螺桿泵流量降低的主要因素。結(jié)合集氣站冬季清理閃蒸罐過(guò)濾器時(shí)清出糊狀物的情況，冬季影響螺桿泵流量的主要因素是：溫度較低使得采出水黏度增大、流動(dòng)性降低甚至呈糊狀，造成螺桿泵轉(zhuǎn)子、定子形成的密封空間無(wú)法充滿介質(zhì)，從而表現(xiàn)出流量下降。

冬季運(yùn)行中通過(guò)常態(tài)化安排向閃蒸罐每周注醇兩次，每次500 L。實(shí)施注醇措施后，閃蒸罐過(guò)濾器中的糊狀物顯著減少，螺桿泵流量波動(dòng)性降低的情況得到了明顯改善。由此推測(cè)甲醇作為水合物抑制劑可以起到降低采出水黏度的作用。液體黏度計(jì)算公式：

式中：η為液體黏度，mPa·s；A、B、C、D為回歸系數(shù)；T為液體溫度，K。

氣田采出水是一種混合液體，無(wú)法通過(guò)查詢物質(zhì)的回歸系數(shù)計(jì)算出溫度T下液體的黏度。但根據(jù)液體黏度的計(jì)算公式可知，液體黏度與溫度之間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.4 雜質(zhì)堵塞過(guò)濾器造成螺桿泵進(jìn)液量不足

氣田采出水中的雜質(zhì)流經(jīng)螺桿泵進(jìn)口過(guò)濾器時(shí)附著在過(guò)濾器濾網(wǎng)上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的累積造成介質(zhì)流量下降，從而使得螺桿泵進(jìn)液不足導(dǎo)致效率下降[6]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將泵進(jìn)口的籃式過(guò)濾器更換為旋流分離器后未再出現(xiàn)介質(zhì)中的糊狀物堵塞的現(xiàn)象。

通過(guò)增加過(guò)濾器清洗頻次或注入甲醇使介質(zhì)中的水合物減少，能夠有效減少螺桿泵進(jìn)液量不足的情況發(fā)生。

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)子和定子的磨損是造成螺桿泵效率下降的主要因素，現(xiàn)有的井下防砂及井口除砂措施有效控制了固體雜質(zhì)對(duì)螺桿泵的損傷。

2）通過(guò)在進(jìn)入螺桿泵之前增加沉降罐的方式進(jìn)一步減少雜質(zhì)進(jìn)入螺桿泵，從而減緩螺桿泵效率下降。

3）對(duì)于新建集氣站螺桿泵選型時(shí)可以考慮在滿足使用要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大泵的額定流量，通過(guò)冗余選型降低螺桿泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速，減緩磨損，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子和定子的使用壽命。

4）通過(guò)優(yōu)化變頻器的調(diào)頻機(jī)制延長(zhǎng)螺桿泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，減少啟停次數(shù)，從而減少螺桿泵因頻繁啟停造成的異常磨損。