油田生產中高揚程螺桿泵的原理及應用

喬榮德

大排量、高揚程，已經在遼河油田的部分井區投入應用。這種高揚程螺桿泵日排量最高可達100m³，在同等排量條件下，該高揚程螺桿泵可下到井下1800m處，創造了國內油田生產用高揚程螺桿泵使用上的新紀錄。該文主要對油田生產用高揚程螺桿泵的構成、原理和使用特征進行分析和研究，對油田相關設備的應用及管理提供有效的參考。

高揚程螺桿泵的工作原理

高揚程螺懺泵是靠空腔排油，即轉子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室，當轉子轉動時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運移。封閉腔在排出端消失，空腔內的原油也就隨之由吸入端均勻地擠到排出端。同時，又在吸入端重新形成新的低壓空腔將原油吸入。這樣，封閉空腔不斷地形成、運移和消失，廁由便不斷地充滿、擠壓和排出，從而把井中的原油不斷地吸入，通過油管舉升到井口。

高揚程螺桿泵的結構構成

高揚程螺桿泵是一種內嚙合偏心回轉的容積泵，泵的主要構件：一根單頭螺旋的轉子和一個通常用彈性材料制造的具有雙關螺旋的定子，當轉子在定于型腔內繞定子的軸線作行星回轉時，轉定子之間形成的密閉腕就沿轉子螺線產生位移；因此就將介質連續地，均速地、而且容積恒定地從吸入口送到壓出端，基于這件特性，單高揚程螺桿泵特別適合于下列工況的工作：輸送高粘度介質：根據泵的大小不同可以輸送粘度從37000-200000厘泊的介質；含有顆粒或纖維的介質：顆粒直徑可以這30mm（不超過轉子偏心距）。纖維長可以350mm（相當0.4位轉子的螺距）。其含量一般可達介質窖的40%，若介質中的固體物為細微之粉沫狀時，最高含量可達60%或更高也能輸送。要求輸送壓力穩定，介質固有結構不受破壞時，選用單高揚程螺桿泵輸送最為理想。

由于高揚程螺桿泵的特性，除油田生產原油應用以外，還廣泛應用于化學工業，如酸、堿、鹽液，各種粘滯、糊狀乳狀化學漿液的輸送。對于勘探采礦，對各種鉆探泥漿、采礦用水、浮先漿狀物和浮液。造船業：船底污水、污油、各種燃油淡水輸送。還有陶瓷工業，陶土、粘土、釉料輸送。還有造紙業、醫藥、食品、化妝工業等廣泛用途。

高揚程螺桿泵采油系統組成

高揚程螺桿泵采油系統主要由驅動裝置、井口裝置、井下高揚程螺桿泵以及中間油管組成。根據其驅動方式不同，可分為電動、液動和機動三種類型的高揚程螺桿泵采油系統。地面驅動（機動）高揚程螺桿泵的應用最為廣泛，本節主要介紹機動高揚程螺桿泵系統。

機動高揚程螺桿泵采油系統由井底高揚程螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅動系統等組成。

工作時，由地面動力帶動抽油桿柱旋轉，連接于抽油桿底端的高揚程螺桿泵轉子隨之一起轉動，井液經高揚程螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過地面管線輸送至計量站。

這種采油方式最為簡便，實際使用時井下也不需要安裝泄油裝置，因為高揚程螺桿泵轉子一旦脫離泵筒，油套管之間便相互連通，于是起到了泄油的作用。同時，這種裝置的使用費用也較低，是淺井較理想的采油方法。

高揚程螺桿泵的工作特點

單高揚程螺桿泵由于結構和工作特性，與活塞泵離心泵、葉片泵、齒輪泵相比具有下列諸多優點：能輸送高固體含量的介質：流量均勻壓力穩定，低轉速時更為明顯；流量與泵的轉速成正比，因而具有良好的變量調節性；一泵多用可以輸送不同粘度的介質；泵的安裝位置可以任意傾斜；適合輸送敏性物品和易受離心力等破壞的物品；體積小，重量輕、噪聲低，結構簡單，維修方便。

油田高揚程螺桿泵的選用要求

油田生產選用泵的規格是根據被輸送液體的性質和流量、壓力來決定的，而泵的轉速則由輸送液體的粘度和腐蝕性、作為主要參數來選擇，才能確保泵的可靠運行。由于泵的設計轉速為輸送清水或清水相類似的無腐蝕性液體時允許最高轉速，在實際使用中因介質性質與壽命要求不同，選用時一般都應低于設計轉速，對高粘度和含顆粒介質，一般采用設計轉速的1/2-1/3或更低些，低轉速對泵的磨損有利，但在使用后由于定子的磨損流量下降，這時可適當提高轉速，以補償流量下降也為常策。

輸送介質的溫度應在，10-80℃特殊情況可高達120℃。泵的每級（定子的一個導程）正常壓力為0.6Mpa，短時間（不超過30分鐘）內允許高達0.8Mpa，當磨損后在相同輸出壓力時的容積效率要逐步下降。泵送清水時最高吸程為8m，實際使用建議不超過6.5m，當泵送高粘度介質時，應以正壓吸入。

油田高揚程螺桿泵數字化建設

數字化建設方面，需要對以下參數進行選擇和采集：油壓，油溫，電機三項電壓、電流、轉速、轉矩、負荷有功功率及無功功率：高揚程螺桿泵數字化建設需要采集參數的作用：

油壓：測量油井出油的壓力，以便判斷油量。

油溫：測量油井的油溫，為了更好的控制油井溫度，防止停抽后，管線凍堵，同時避免過高溫度、過低影響生產，避免引起事故。

套壓：測量井口套管壓力，監測底層壓力。

電機轉速、扭矩、負荷：監測油井的生產運行情況，同時可用于產液計量；電機三相電壓、電流、有功及無功：監控電機的運行狀態；變頻參數采集、控制。

測量這些參數主要是為了獲取電機的當前運行狀態，以便對電機進行控制，確保電機正常運轉，這些參數是很重要的參數。電機是整個采油平臺的動力，是采油正常進行的核心所在，也可以通過這些參數推測出當前采油的相關情況。

建立高揚程螺桿泵光桿載荷的理論計算公式，可表示為光桿載荷與各影響因素的函數式：

光桿載荷=F（動液面、扭矩、油套壓、其他參數……）式中的其他參數包括油井生產數據、泵參數、油井物性參數等等，對目標井來說均為可獲得的已知量。上式結合測得的光桿載荷、扭矩、油套壓即可由反函數推導計算得到油井的動液面，即：

動液面=f（光桿載荷、扭矩、油套壓、其他參數……）建立油井正常工況下的泵效與其相關影響因素的函數變化關系式，即：泵效=F（動液面、轉速、油套壓、其他參數……）

因此通過自動監測油井載荷、轉速、油套壓等參數，計算的到的動液面數值，由上式來計算油井泵效，進而根據泵理論排量實時計算油井當前產量。

當油井在漏失等泵效不正常工況下，可先由井口監測數據計算動液面，然后通過擬合IPR曲線及采液指數計算產量。

存在問題和應用前景

對于螺桿柱塞泵井最大的缺點就是不能空抽，因為液面低于泵掛對于高揚程螺桿泵井可能帶來燒泵的嚴重后果，因此對于供液不穩定或是高含氣的高揚程螺桿泵井，須隨時監測動液面的變化。由于目前沒有有效的連續監測液面的儀器，并目某些井由于高套壓等原因無法準確測得液面，因而需要通過地面測試參數來推算井下液面位置。

針對液面計算與自動求產，可以通過傳感器實時監測油井高揚程螺桿泵的扭矩與載荷，并油套壓測試數據一起無線遠傳至站點的中控計算機，通過計算機上安裝的專業軟件計算各井的實時動液面與產液量，并在油井的動液面降低接近泵掛或無產量時，軟件報警提示并自動對該井發出停井、降低電控箱頻率來調低轉速等操作，以提前避免燒泵等事故的發生。