油田生產(chǎn)中高揚(yáng)程螺桿泵的原理及應(yīng)用

喬榮德

大排量、高揚(yáng)程，已經(jīng)在遼河油田的部分井區(qū)投入應(yīng)用。這種高揚(yáng)程螺桿泵日排量最高可達(dá)100m³，在同等排量條件下，該高揚(yáng)程螺桿泵可下到井下1800m處，創(chuàng)造了國內(nèi)油田生產(chǎn)用高揚(yáng)程螺桿泵使用上的新紀(jì)錄。該文主要對油田生產(chǎn)用高揚(yáng)程螺桿泵的構(gòu)成、原理和使用特征進(jìn)行分析和研究，對油田相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用及管理提供有效的參考。

高揚(yáng)程螺桿泵的工作原理

高揚(yáng)程螺懺泵是靠空腔排油，即轉(zhuǎn)子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運(yùn)移。封閉腔在排出端消失，空腔內(nèi)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(yùn)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(yáng)程螺桿泵的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

高揚(yáng)程螺桿泵是一種內(nèi)嚙合偏心回轉(zhuǎn)的容積泵，泵的主要構(gòu)件：一根單頭螺旋的轉(zhuǎn)子和一個通常用彈性材料制造的具有雙關(guān)螺旋的定子，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定于型腔內(nèi)繞定子的軸線作行星回轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)定子之間形成的密閉腕就沿轉(zhuǎn)子螺線產(chǎn)生位移；因此就將介質(zhì)連續(xù)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(yáng)程螺桿泵特別適合于下列工況的工作：輸送高粘度介質(zhì)：根據(jù)泵的大小不同可以輸送粘度從37000-200000厘泊的介質(zhì)；含有顆粒或纖維的介質(zhì)：顆粒直徑可以這30mm（不超過轉(zhuǎn)子偏心距）。纖維長可以350mm（相當(dāng)0.4位轉(zhuǎn)子的螺距）。其含量一般可達(dá)介質(zhì)窖的40%，若介質(zhì)中的固體物為細(xì)微之粉沫狀時，最高含量可達(dá)60%或更高也能輸送。要求輸送壓力穩(wěn)定，介質(zhì)固有結(jié)構(gòu)不受破壞時，選用單高揚(yáng)程螺桿泵輸送最為理想。

由于高揚(yáng)程螺桿泵的特性，除油田生產(chǎn)原油應(yīng)用以外，還廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)，如酸、堿、鹽液，各種粘滯、糊狀乳狀化學(xué)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(yè)：船底污水、污油、各種燃油淡水輸送。還有陶瓷工業(yè)，陶土、粘土、釉料輸送。還有造紙業(yè)、醫(yī)藥、食品、化妝工業(yè)等廣泛用途。

高揚(yáng)程螺桿泵采油系統(tǒng)組成

高揚(yáng)程螺桿泵采油系統(tǒng)主要由驅(qū)動裝置、井口裝置、井下高揚(yáng)程螺桿泵以及中間油管組成。根據(jù)其驅(qū)動方式不同，可分為電動、液動和機(jī)動三種類型的高揚(yáng)程螺桿泵采油系統(tǒng)。地面驅(qū)動（機(jī)動）高揚(yáng)程螺桿泵的應(yīng)用最為廣泛，本節(jié)主要介紹機(jī)動高揚(yáng)程螺桿泵系統(tǒng)。

機(jī)動高揚(yáng)程螺桿泵采油系統(tǒng)由井底高揚(yáng)程螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅(qū)動系統(tǒng)等組成。

工作時，由地面動力帶動抽油桿柱旋轉(zhuǎn)，連接于抽油桿底端的高揚(yáng)程螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動，井液經(jīng)高揚(yáng)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(shí)際使用時井下也不需要安裝泄油裝置，因為高揚(yáng)程螺桿泵轉(zhuǎn)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(fèi)用也較低，是淺井較理想的采油方法。

高揚(yáng)程螺桿泵的工作特點(diǎn)

單高揚(yáng)程螺桿泵由于結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：能輸送高固體含量的介質(zhì)：流量均勻壓力穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速時更為明顯；流量與泵的轉(zhuǎn)速成正比，因而具有良好的變量調(diào)節(jié)性；一泵多用可以輸送不同粘度的介質(zhì)；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(jié)構(gòu)簡單，維修方便。

油田高揚(yáng)程螺桿泵的選用要求

油田生產(chǎn)選用泵的規(guī)格是根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和流量、壓力來決定的，而泵的轉(zhuǎn)速則由輸送液體的粘度和腐蝕性、作為主要參數(shù)來選擇，才能確保泵的可靠運(yùn)行。由于泵的設(shè)計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，在實(shí)際使用中因介質(zhì)性質(zhì)與壽命要求不同，選用時一般都應(yīng)低于設(shè)計轉(zhuǎn)速，對高粘度和含顆粒介質(zhì)，一般采用設(shè)計轉(zhuǎn)速的1/2-1/3或更低些，低轉(zhuǎn)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(dāng)提高轉(zhuǎn)速，以補(bǔ)償流量下降也為常策。

輸送介質(zhì)的溫度應(yīng)在，10-80℃特殊情況可高達(dá)120℃。泵的每級（定子的一個導(dǎo)程）正常壓力為0.6Mpa，短時間（不超過30分鐘）內(nèi)允許高達(dá)0.8Mpa，當(dāng)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(shí)際使用建議不超過6.5m，當(dāng)泵送高粘度介質(zhì)時，應(yīng)以正壓吸入。

油田高揚(yáng)程螺桿泵數(shù)字化建設(shè)

數(shù)字化建設(shè)方面，需要對以下參數(shù)進(jìn)行選擇和采集：油壓，油溫，電機(jī)三項電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷有功功率及無功功率：高揚(yáng)程螺桿泵數(shù)字化建設(shè)需要采集參數(shù)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(chǎn)，避免引起事故。

套壓：測量井口套管壓力，監(jiān)測底層壓力。

電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、負(fù)荷：監(jiān)測油井的生產(chǎn)運(yùn)行情況，同時可用于產(chǎn)液計量；電機(jī)三相電壓、電流、有功及無功：監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；變頻參數(shù)采集、控制。

測量這些參數(shù)主要是為了獲取電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，以便對電機(jī)進(jìn)行控制，確保電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這些參數(shù)是很重要的參數(shù)。電機(jī)是整個采油平臺的動力，是采油正常進(jìn)行的核心所在，也可以通過這些參數(shù)推測出當(dāng)前采油的相關(guān)情況。

建立高揚(yáng)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(shù)式：

光桿載荷=F（動液面、扭矩、油套壓、其他參數(shù)……）式中的其他參數(shù)包括油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵參數(shù)、油井物性參數(shù)等等，對目標(biāo)井來說均為可獲得的已知量。上式結(jié)合測得的光桿載荷、扭矩、油套壓即可由反函數(shù)推導(dǎo)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(shù)……）建立油井正常工況下的泵效與其相關(guān)影響因素的函數(shù)變化關(guān)系式，即：泵效=F（動液面、轉(zhuǎn)速、油套壓、其他參數(shù)……）

因此通過自動監(jiān)測油井載荷、轉(zhuǎn)速、油套壓等參數(shù)，計算的到的動液面數(shù)值，由上式來計算油井泵效，進(jìn)而根據(jù)泵理論排量實(shí)時計算油井當(dāng)前產(chǎn)量。

當(dāng)油井在漏失等泵效不正常工況下，可先由井口監(jiān)測數(shù)據(jù)計算動液面，然后通過擬合IPR曲線及采液指數(shù)計算產(chǎn)量。

存在問題和應(yīng)用前景

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

針對液面計算與自動求產(chǎn)，可以通過傳感器實(shí)時監(jiān)測油井高揚(yáng)程螺桿泵的扭矩與載荷，并油套壓測試數(shù)據(jù)一起無線遠(yuǎn)傳至站點(diǎn)的中控計算機(jī)，通過計算機(jī)上安裝的專業(yè)軟件計算各井的實(shí)時動液面與產(chǎn)液量，并在油井的動液面降低接近泵掛或無產(chǎn)量時，軟件報警提示并自動對該井發(fā)出停井、降低電控箱頻率來調(diào)低轉(zhuǎn)速等操作，以提前避免燒泵等事故的發(fā)生。