地面驅動螺桿泵舉升工藝及其應用

姚 軍 薛天飛 劉 通，黃 華，王衛剛 南 雷

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司王家川采油廠，陜西 延安 717100) (陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司南區采油廠，陜西 延安 716000)

地面驅動螺桿泵舉升工藝及其應用

姚 軍 薛天飛 劉 通，黃 華，王衛剛 南 雷

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司王家川采油廠，陜西 延安 717100) (陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司南區采油廠，陜西 延安 716000)

針對延長油田常規抽油設備遇到的干抽、管桿偏磨嚴重、設備投資、運行及維修費用高等問題，以現有成熟螺桿泵配套技術為基礎，結合延長特低滲透油田的地質特征和井況特點，對螺桿泵工作原理進行了分析，重點開展螺桿泵無級調參技術、抽油桿柱受力分析及扶正器的合理分配位置及數量、選泵與單井設計技術研究，完善工況診斷等技術規范，形成具有延長特色的螺桿泵配套工藝技術，該技術在低滲透油田值得推廣。

螺桿泵；采油系統；舉升工藝

延長油田位于鄂爾多斯盆地中部，由于特殊的地層特點，自然產能低，是一個特低滲、異常低壓、低豐度的“三低”巖性油藏。隨著油田開發不斷深入，定向井在延長油田愈來愈多，井下情況日趨復雜，井筒環境愈趨惡劣，同時許多難動用儲量相繼投入開發，使常規抽油設備遇到了諸如干抽、管桿偏磨嚴重、不能根據油井供液能力自動調整抽汲參數、舉升方式能耗高以及設備投資、運行費用高等難題。

螺桿泵采油系統具有體積小、節省鋼材、重量輕、維修方便、投資少、節能等優點，不僅適合于高粘度、高含砂、大油氣比、低產油田的開發，而且對于普通油藏及水驅油藏后期高含水開采階段也表現出很好的適應性。地面驅動單螺桿泵是一種新型采油設備，它具有一次性投資少，采油效率高，能耗低，結構簡單，作業、安裝、維修方便等特點，特別適合延長油田丘陵溝壑的地理特征及生產現狀［1-2］。下面，筆者通過對螺桿泵舉升工藝及配套技術和裝置的研究，開展螺桿泵采油現場先導性試驗應用及分析，總結出適合延長油田的螺桿泵采油系統和工藝技術，為延長油田開發提供一種全新的機械采油方式。

1 地面驅動螺桿泵采油系統工作原理

在整個螺桿泵采油系統中，地面驅動發展較早，也比較成熟，但是井下驅動避免了地面驅動扭矩的損失、設備也比較少，具有較高的采油效率，國內正處于試驗階段。國內各油田現用的螺桿泵采油系統，一般都選取地面驅動方式。筆者試驗采用皮帶傳動地面驅動螺桿泵采油系統。地面驅動螺桿泵是由地面動力驅動抽油桿帶動其螺桿在襯套內旋轉，實現將原油從井下舉升到地面。地面部分包括地面驅動和變頻控制柜；井下部分包括井下泵、抽油桿、油管、配套工具(如錨定工具、扶正器)等［3-4］。

2 地面驅動螺桿泵采油系統的關鍵技術

2.1無級調參驅動技術

采用轉矩、轉速、運行電流及井口液量、壓力等實時檢測信號和變頻器控制系統可滿足井下螺桿泵運動和動力的要求，同時具有過載與欠載保護、過載與欠載停機、軟啟動和軟停機等功能，其中主要是電流調參法、轉矩調參法。螺桿泵變頻自動控制系統包括螺桿泵、轉速-扭矩傳感器、變頻系統(主要由變頻器、主控制電路和輔助電路組成)、PLC、驅動電機和二次儀表等單元組成［5］。

2.2螺桿泵專用抽油桿及扶正器

從抽油桿受力、設計、保護等不同的角度，通過受力分析、載荷及扭矩的計算，對桿柱組合、扶正位置及個數進行設計，使扶正措施避免桿柱與油管直接接觸產生偏磨，消除振動。

圖1 桿柱動力學分析模型

1)地面驅動螺桿泵抽油桿柱的力學分析 地面驅動螺桿泵采油系統中，作用于桿柱上的外載荷主要由2部分組成。如圖1所示，一部分為主動載荷，這部分載荷包括桿柱自重Fw、液體浮力f、井底螺桿泵產生的軸向力F、地面驅動設備施加的轉矩以及桿柱所受的反扭矩等。桿柱所受的反扭矩主要包括轉子與定子間的初始過盈配合所產生的反扭矩Mb1、抽油桿柱與液體間的摩擦扭矩Mb2、螺桿泵進出口壓差造成的反轉力矩Mb33部分。另一部分為被動載荷，這部分載荷包括桿柱與管柱和扶正器之間的接觸摩擦力、井口卡子的約束力等［6］。

2)地面驅動螺桿泵基本參數計算 單頭螺桿泵旋轉1周的排量q和螺桿泵的進出口壓差ΔP計算公式為：

q=16eRtΔP=(PO-PT)+(L-hD)ρg

式中，q為排量，m3；e為泵轉子的偏心距，m；R為轉子截面圓半徑，m；t為定子導程，m；ΔP為進出口壓差，MPa；PO為油壓，MPa；PT為套壓，MPa；L為泵深，m；hD為沉沒度，m；ρ為密度，kg/m3；g為重力加速度。

3)地面驅動螺桿泵軸向載荷F的計算 螺桿泵進出口壓差引起的軸向載荷F計算如下：

F=(πR2+16eR)ΔP

式中，F為軸向載荷，N。

4)地面驅動螺桿泵工作時扭矩計算 關于轉子與定子之間的初始過盈配合所產生的反扭矩計算，依據大量實驗測試數據采用回歸方法給出了一個經驗計算式［7］：

Mb1=91.3δ0-n0.45+46.5

式中，Mb1為反扭矩,N·m;δ0為定子與轉子之間初始過盈值，mm；n為螺桿泵的轉速，r/min。

當桿柱勻速轉動時，單位長度抽油桿受到的液體摩阻力扭矩Mb2為：

式中，Mb2為液體摩阻力扭矩,N·m;μ為井液動力粘度，Pa·s；D為油管內徑，m；d為抽油桿直徑，對于空心抽油桿它指的是抽油桿的外徑，m。根據能量守恒定律，轉子在定子內旋轉是將機械能轉換為液體能，所以由能量轉換關系得螺桿泵進出口壓差造成的反轉力矩Mb3：

式中，Mb3為反轉力矩,N·m;e為轉子偏心距，mm；D為轉子直徑，m。當已知實際產液量及壓差ΔP時，抽油桿受到液體的摩擦扭矩可由下式進行計算：

Mb2ω=Q·ΔP

式中，ω為角速度，ω=2πn;Q為實際產液量，m3。

抽油桿柱自重是一個均布載荷，這里將抽油桿柱浮力處理為浮重即均布載荷，則抽油桿柱單位長度的自重Fω為：

Fω=Agγ=πr2gγ

式中，Fω為抽油桿柱單位長度自重,N/m;A為抽油桿的橫截面，m2；γ為抽油桿在液體中的密度，kg/m3；r為抽油桿半徑，m。

扶正器的配置主要通過建立抽油桿的力學模型、載荷的計算、建立力學模型的約束條件以及對其進行求解，并考慮井眼曲率對尺寸的影響，最后得到所需扶正器的數量和安放位置。

2.3選泵與單井設計技術

選泵技術是根據油井的產能、原油物性、油層深度、螺桿泵特性等來合理選擇螺桿泵的泵型、確定泵的工作參數，使螺桿泵處于高效工作區、機桿泵井達到最佳匹配，并根據單井生產動態及時進行工作參數的調整，確保螺桿泵在合理區域內工作。

2.4工況檢測

利用地面驅動螺桿泵非接觸式轉矩轉速軸向力傳感器及采集系統直接測試轉矩、轉速，使得螺桿泵工況分析從定性走向了定量，實現采油系統運轉工況的實時監控、數據采集和故障診斷。

3 現場試驗

筆者在陜北某采油廠選取了4口井進行螺桿泵采油先導性試驗，井號為3002、3102、3121和3156-1(直井3口，斜井1口)。泵掛深度范圍1199～1313m；最大井斜31.64°；日產液量范圍4.02～9.916m3；含水率范圍61%～87%，為高含水油藏；含有少量伴生氣。根據此4口油井基本參數(表1)分析，滿足螺桿泵投產條件。4口試驗井均選用GLB75-40型號的螺桿泵，HY型D級1″抗扭抽油桿，選取電機功率為15kW，沉沒度為60m，防沖距為1.2m左右。

表1 螺桿泵井抽汲工作參數表

對4口正常運行的螺桿泵試驗井進行效果分析，試驗前后的電量數據及系統效率如表2所示。

表2 4口試驗井措施前后對比分析

通過表2及單井分析和措施前后對比分析得出，螺桿泵井較措施前抽油機相比較，具有更好的系統效率，節能降耗效果明顯。①4口螺桿泵井中單井日節電最高達108.84kW·h，最低為15.12kW·h，平均節電76.11kW·h；單井節電率高達47.26%，最低為22.03%，平均節電率為35.95%；達到預期節電率25%的目標。②4口螺桿泵井單井系統效率最高達42.98%，最低為17.79%，平均效率為32.74%。

4 結 論

1)螺桿泵由于其泵效高、地面設備節點少，因此與抽油機采油系統相比具有機采系統效率高和能耗低的特點。通過現場應用，試驗井平均機采系統效率提高了20.3%，平均單井節電率為35.95%。

2)選井、選泵、專用抽油桿及扶正器、無級調參驅動技術和單井設計技術的配套應用，是地面驅動螺桿泵工藝技術應用取得成功的關鍵。

3)泵掛和單井產液量是螺桿泵投產關鍵參數。考慮到螺桿泵的安全性和經濟可行性，本次先導性試驗井泵掛嚴格控制在1400m以內，具有較好的適應性。因此，根據試驗應用的4口螺桿泵井正常運轉，可以初步確定螺桿泵在延長油田西部采油廠的單井日產液量高且單獨投產延安組的油井上具有一定的適應性。

［1］孫煥志，蘇艷清，金奇光.采油用螺桿泵舉升優勢分析［J］.油氣田地面工程，2007,26(7)：11-12.

［2］呂彥平，吳曉東，李遠超，等.螺桿泵井系統效率分析模型及應用［J］.石油鉆采工藝，2006,28(1)：64-68.

［3］韓修延，王秀玲，焦振強.螺桿泵采油原理及應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,1988.

［4］張佳民.螺桿泵抽油桿柱設計方法及其應用［M］.北京:石油工業出版社，2002.

［5］吳志堅，吳筱堅.地面驅動式單螺桿泵抽油桿的動力學特性［J］.石油大學學報,2000，24(5):71-72.

［6］ 北京石油機械廠技術設計科.單螺桿泵的基本原理［J］.石油鉆采機械通訊，1974(1):3-17.

［7］李春紅. 螺桿泵抽油桿柱力學分析及防斷脫措施研究［J］.國外石油機械,2005(3)：46-53.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.027

TE355.5

A

1673-1409(2012)07-N080-03

2012-04-28

姚軍(1979-)，男，2002年大學畢業，碩士，助理工程師，現主要從事油氣田開發工程專業采氣工藝技術方面的研究工作。

［編輯］ 洪云飛