采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置研究

侯 宇

（大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453）①

螺桿泵采油作為一種新興的人工舉升方式，具有投資少、設備結構簡單、操作方便、節(jié)能效果明顯、適應性強等特點，能有效降低采油成本，提高采油效益。由于其擁有抽油機柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機采方式無法比擬的優(yōu)點，因此倍受國內(nèi)外油田重視［1］。

目前，對螺桿泵性能檢測主要是用單一的液壓油進行常溫試驗，得到螺桿泵的水力特性曲線，以此評價螺桿泵性能［2－3］。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置主要用于螺桿泵新產(chǎn)品及新工藝的科學研究，為優(yōu)化螺桿泵結構參數(shù)和工作參數(shù)提供可靠的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)。試驗泵型為油田常用（K）GLB40－42～GLB1200－14等型號螺桿泵，此試驗裝置不僅可以完成常規(guī)的水力特性曲線的測定，還具有以下功能：

1）用提高螺桿泵轉(zhuǎn)速（≤500r／min）、提高試驗介質(zhì)的破壞性（高溶脹介質(zhì)、加砂）、提高介質(zhì)溫度等方法使螺桿泵定子加速失效，從而在實驗室再現(xiàn)采油螺桿泵的整個失效過程，為研究采油螺桿泵壽命提供數(shù)據(jù)支持［4］。

2）試驗介質(zhì)為油、水單一介質(zhì)以及任意混合比例的砂、液、氣混合介質(zhì)，溫度可達150℃，可以模擬與采油螺桿泵完全一致的工作環(huán)境，對螺桿泵進行試驗［5］。

1 試驗流程

根據(jù)系統(tǒng)所要求的功能，采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置要在實驗室內(nèi)進行多種介質(zhì)、多種條件的試驗，因此本試驗裝置的工藝流程包括標準試驗流程、特殊試驗流程、混砂試驗流程和1個輔助流程——清洗流程。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置試驗流程如圖1所示。

圖1 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置工藝流程

1）標準試驗流程 主要是通過調(diào)節(jié)出口壓力及實時采集螺桿泵工作時流量、輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，并計算螺桿泵的輸入功率、輸出功率和容積效率，從而完成螺桿泵水力特性的檢測。通過設置試驗介質(zhì)的不同溫度，模擬不同的井下工作溫度，對螺桿泵的水力特性進行檢測。

2）特殊試驗流程 特殊試驗流程除了可以完成標準試驗流程的工作外，通過改變試驗介質(zhì)的混合比例來模擬現(xiàn)場采出液對螺桿泵進行試驗，對螺桿泵的水力特性進行檢測。

3）混砂試驗流程 混砂罐內(nèi)的介質(zhì)通過螺桿泵再回到混砂罐，對螺桿泵進行磨損試驗。

4）清洗流程 用于對特殊試驗流程的清洗。清洗流程的作用是在檢測前對螺桿泵進行清洗，為系統(tǒng)各種儀表的正常工作和試驗系統(tǒng)的正常運行提供保證，同時保證此流程在對不同試驗介質(zhì)試驗時各種介質(zhì)之間不互相影響。清洗流程與特殊流程完全相同，只是在清洗時將儲液罐2更換成清洗罐。

3個主要流程是各自獨立的，需要進行某個試驗時就將相應的流程接入系統(tǒng)中，目的是防止不同介質(zhì)之間的影響。不同流程之間的切換用高壓軟管及快換接頭來實現(xiàn)，方便、快捷。通過3套試驗流程，既可以完全模擬采油螺桿泵實際工況，又能夠?qū)Σ捎吐輻U泵實施加速破壞試驗，再現(xiàn)采油螺桿泵失效過程。

2 機械傳動

本裝置主要是基于螺桿泵新產(chǎn)品、新工藝的研究而建立，試驗用泵使用小樣泵，長度為5～6個定子導程。按不同型號采油螺桿泵計算出小樣泵的長度為540～3 000mm。

采油螺桿泵極限性能模擬實驗裝置機械傳動結構如圖2所示，整個試驗裝置的機械傳動總長12.5 m，主要包括以下幾部分：

圖2 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置機械傳動結構

1）電機 是整套裝置的動力設備，為螺桿泵轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)的動力。采用變頻電機，利用變頻器對螺桿泵轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。選用4級電機，功率22 kW，額定電流44.2A，額定扭矩215.5N·m，轉(zhuǎn)速975r／min，變頻器頻率變化范圍15～50Hz，通過變頻器可以將電機的轉(zhuǎn)速在292.5～975.0r／min無極調(diào)速。

2）變速器 由于試驗裝置對轉(zhuǎn)速的范圍要求較寬（50～500r／min），因此采用變速器對變頻電機的輸出轉(zhuǎn)速進行變速。選用5擋變速器，傳動比分別為1.00、1.54、2.45、4.31、7.31，通過變速器將電機的1種速度范圍轉(zhuǎn)變成5種轉(zhuǎn)速范圍，從變速器輸出的轉(zhuǎn)速為40～975r／min，即為試驗螺桿泵轉(zhuǎn)速。

3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 用于檢測試驗過程中螺桿泵的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，為計算螺桿泵的輸入功率提供數(shù)據(jù)。

4）動密封裝置 在試驗過程中螺桿泵的定子與機械傳動的固定部分相連，螺桿泵的轉(zhuǎn)子與機械傳動的旋轉(zhuǎn)部分相連，這樣就存在一個旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間的動密封問題。該動密封必須保證在10MPa的工作壓力下不泄露，而且要運轉(zhuǎn)阻力小。

5）轉(zhuǎn)子定子連接器 連接試驗螺桿泵和試驗裝置的部件。將螺桿泵的轉(zhuǎn)子與電機軸相連，螺桿泵的定子與動密封相連。

6）夾緊裝置 用來將試驗螺桿泵的定子固定在試驗裝置上，夾緊裝置承受螺桿泵工作過程中產(chǎn)生的扭矩。要求對中性好、夾緊可靠。

7）支承輥 對螺桿泵的定子和轉(zhuǎn)子提供支承，并且可以根據(jù)所檢測螺桿泵的直徑大小進行高度方向的調(diào)節(jié)。

8）底座 將試驗裝置機械傳動各部分連接固定。

3 測控系統(tǒng)

采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統(tǒng)主要包括：試驗裝置變頻電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與控制以及參數(shù)的采集2大部分。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統(tǒng)

1）主電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 由變頻器、螺桿泵驅(qū)動電機組成。通過變頻器的頻率調(diào)節(jié)控制主電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。

2）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng) 由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀等組成。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與螺桿泵驅(qū)動軸同軸連接，工作時將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^ADAM－4117模塊將4～20mA信號轉(zhuǎn)換成RS－485信號，經(jīng)由 ADAM－4520模塊轉(zhuǎn)換成 RS－232信號輸入計算機，實現(xiàn)計算機數(shù)據(jù)采集。

3）泵入口壓力檢測系統(tǒng) 由壓力傳感器組成，數(shù)據(jù)采集方法與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)相同。

4）泵出口壓力控制及檢測系統(tǒng) 由電動調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器組成。通過計算機或手動控制方式進行電動調(diào)節(jié)閥的開度控制，從而實現(xiàn)出口壓力的無級調(diào)節(jié)。應用智能數(shù)顯控制儀的超限報警控制功能，實現(xiàn)超壓保護。

5）流量檢測系統(tǒng) 由質(zhì)量流量計組成，數(shù)據(jù)采集方法與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)相同。

6）溫度控制與檢測系統(tǒng) 由電加熱器、溫度傳感器、溫控儀等組成。溫控儀接收來自熱電阻的信號，據(jù)此控制電加熱器的電流值，實現(xiàn)試驗介質(zhì)的溫度控制，通過溫控儀上RS232通訊端口完成試驗介質(zhì)溫度參數(shù)的采集與計量。

4 結語

通過對采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置試驗流程、機械傳動以及測控系統(tǒng)的設計，研制出的試驗裝置可以使采油螺桿泵在不同溫度、不同壓力、不同試驗介質(zhì)下工作，可以模擬采油螺桿泵各種工況；同時可以對采油螺桿泵進行高溫、高速、加砂試驗及極限性能檢測和破壞性試驗。為研究采油螺桿泵失效過程、提高螺桿泵使用壽命提供試驗數(shù)據(jù)。

［1］杜秀華.采油螺桿泵螺桿－襯套副力學特性及磨損失效研究［D］.大慶：大慶石油學院，2010.

［2］韓國有，宋玉杰，杜秀華，等.采油螺桿泵舉升性能檢測技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011.

［3］付路長，周洪濱，郭力謙，等.單螺桿泵試驗臺及測控系統(tǒng)設計［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：47－50.

［4］穆金峰，呂有喜，魏三林，等.超深稠油螺桿泵舉升工藝技術研究與應用［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：72－75.

［5］王永昌，杜香芝.螺桿泵試驗轉(zhuǎn)速和溫度對水力特性的影響［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：65－69.