螺桿泵合理轉數的研究分析

高偉棟　（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

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螺桿泵合理轉數的研究分析

高偉棟（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

近年來，螺桿泵舉升方式及配套技術已經逐步成熟，該項技術也在整個油田得到了廣泛應用。大慶油田采油一廠螺桿泵井數也從10年前的100余口增至現如今的1600多口。隨著螺桿泵井基數的增大，如何盡可能延長螺桿泵的檢泵周期，就成了重中之重。影響螺桿泵檢泵周期的原因有很多，作業的質量、日常的維護、桿管的偏磨問題、合理的轉速、出砂及蠟堵等等，這些都會減少螺桿泵的使用壽命。其中合理轉數是影響螺桿泵檢泵周期最主要的原因之一。通過分析影響螺桿泵轉數的因素，結合沉沒度、產量等實際生產參數，來確定螺桿泵合理的轉數區間，提高螺桿泵井工作效率。

螺桿泵；合理轉數；工作效率

螺桿泵采油是一種先進的采油工藝技術，因其質量輕、尺寸小、地面設備簡單、適應黏度范圍廣、投資費用低、管理簡便、排量調節方便、節能效果好等優點，節能效果明顯以及適應性強等諸多優點被廣泛應用。影響螺桿泵轉數的因素主要有螺桿泵的扭矩、舉升過程中力的作用、油井現場實際運行工況以及螺桿泵的泵效幾大原因，其中螺桿泵的泵效與轉數之間的關系尤為重要［1］。合理轉數的確定直接影響螺桿泵的生產能力、檢泵周期以及安全性。

1　影響螺桿泵轉速因素分析

1.1轉數與螺桿泵扭矩之間的關系

螺桿泵在運行過程中的主要扭矩有：舉升扭矩、定子轉子之間的摩擦扭矩、油管中液體對單位長度抽油桿的摩擦扭矩、加速度引起的慣性扭矩、單個扶正器引起的摩擦扭矩。其中，舉升扭矩與定子轉子之間的摩擦扭矩為影響螺桿泵的主要扭矩。

螺桿泵的扭矩M可按下式計算：

式中：M——螺桿泵扭矩，Nm；

Mp——舉升扭矩，Nm；

Mf——定子轉子之間的摩擦扭矩，Nm；

My——油管中液體對單位長度抽油桿的摩擦扭矩，Nm；

Ma——加速度引起的慣性扭矩，Nm；

Mz——單個扶正器引起的摩擦扭矩，Nm；

Nx——在深度X以下的扶正器個數；

L——泵掛深度，m；

X——某點距地面的高度，m。

通過現場實測扭矩曲線（圖1）可得出以下結論：

1）螺桿泵轉速與扭矩是成正比的，即隨螺桿泵轉速增大，扭矩也會逐漸增大。

2）由圖中的波浪曲線可知，螺桿泵井運行過程中，扭矩并非平穩，而是震動的。

3）由圖中曲線的振幅大小可知，螺桿泵轉數過高或過低都會使螺桿泵的運行變得不平穩。

由以上結論可得，合理的轉速可避免扭矩波動過大，使螺桿泵井運行更加平穩。

圖1　螺桿泵在不同轉速下實測扭矩變化曲線

1.2舉升過程中阻力的作用

螺桿泵在運行過程中，主要受到以下幾種阻力的影響。

1.2.1襯套磨蝕產生的阻力

螺桿泵襯套磨蝕主要以摩擦磨損、疲勞磨損及磨礪磨損為主。泵的襯套磨損量與工作轉速的平方成正比［2］。轉速越高，轉子、襯套之間的滑動速度越大，襯套所受的循環載荷的頻率也越大，接觸區的溫升也越高，這就加劇了摩擦磨損及疲勞磨損的程度。所以，從降低襯套磨損、延長泵的壽命角度來看，泵的轉速不宜過高。然而，降低泵的轉速會對泵的容積效率造成不利的影響。

1.2.2舉升過程中產生的摩擦阻力

螺桿泵采油系統能耗的一部分要用來克服油套環空內井液上升流動的摩擦阻力，計算不同轉速條件下流體上升摩擦力對合理轉速同樣重要。液體流動摩擦力隨轉速增加而增加［3］，但是不同轉速范圍之內液體流動摩擦力差距較大，在滿足其他條件下，適當降低轉速可使摩擦阻力較為明顯的降低，從而能量損失也會明顯降低。

1.2.3泵筒壓力造成的阻力

泵正常工作時，每轉1轉泵將吸入管腔內一定量的液體，管腔內的壓力將上升。液體受壓縮，定、轉子間的間隙漏失速度隨著壓力的增大也將有所增大。這樣，隨著泵不斷地工作，管腔內的壓力將不斷上升，降低了泵效。合理調節轉數可以把這種現象的影響盡可能降到最低，使泵效達到最高點。

1.3油井現場實際運行工況的影響

1.3.1原油的物性

原油的黏度增加會使泵的容積效率得到改善，因為黏度越大，分子間的作用力也就越大，表現在螺桿泵上就是密封效果越好，即在同一舉升條件下，介質黏度增加，泵的容積效率會升高。

但是原油黏度大，其流動性就差，產生的流動阻力就會很大，對泵的壽命產生嚴重的影響。所以當地層井液黏度較大時，應將泵的轉速調低些，以增加泵的檢泵周期。

1.3.2溶解氣量的影響

螺桿泵轉子旋轉把井液舉升到地面，轉子與定子之間會發生磨擦，磨擦產生的熱量主要是靠舉升的液體來帶走。舉升液體的含氣量多，液體少，帶走的熱量就少，若螺桿泵的轉速過高，會造成燒泵現象。因此，對于含氣量多的螺桿泵井，要降低螺桿泵的轉速，避免燒泵現象的發生。

1.3.3油井供液能力

螺桿泵轉速的大小還應與油井自身的供液能力相匹配。若該井供液不足，卻用較高的轉數生產，這顯然是不行的。評價油井產量的指標，做到不同的產量調整不同的合理轉數，也能有效增加螺桿泵的檢泵周期。

1.4螺桿泵的泵效對轉數的影響

螺桿泵轉速與泵效有直接的關系。泵效主要分為容積效率和機械效率。

容積效率η ν計算公式為：

式中：η ν——容積效率，%；

Kν——容積效率常數；

n——螺桿泵轉數，r/min；

e——轉子偏心距，mm；

D——轉子直徑，mm；

T——定子導程，mm；

P——泵出口壓力，Mpa；

ρ——采出液體密度，kg/m3；

L——采出液舉升高度，m；

δ0——泵過盈量，mm；

E——采出液黏度，mPa·s。機械效率ηm計算公式為

式中：ηm——機械效率，%；

Km——機械效率常數。

由式（2）可看出，在外在參數不變的情況下，1-ην與η成反比，即容積效率隨轉速的增大而增大，轉速增大可有效增大舉升揚程，不同程度的彌補了摩擦造成的損失。

m而降低。

因此，選擇合理的轉速范圍，可以取得螺桿泵容積效率和機械效率的最佳平衡點，保證合理的泵效，從而延長檢泵周期。

2　理論合理轉數區間的確定

通過以上分析可知，螺桿泵的轉數對扭矩、泵效、舉升阻力、運行能耗均有不同程度的影響。其中，以轉數與泵效之間的關系尤為重要。通過確定合理的泵效區間，通過公式，即可計算出理論上的合理轉數區間。

泵效可由下式計算：

式中：Q——泵的實際排量，m3/d；

Qt——泵的理論排量，m3/d；

dp——螺桿截面直徑，m；

T——襯套的導程，m。

通過查找資料得表1。

表1　3種螺桿泵主要技術參數　單位：m

通過日常實際管理和學習，分析認為螺桿泵的合理泵效大概在50%～70%。通過計算，大致推算出泵徑為500 mm、800 mm、1200 mm的3種常用螺桿泵的理論合理轉速區間見表2。

表2　3種螺桿泵理論合理轉速區間

由表1和表2分析可得出結論，500 mm、800 mm、1200 mm的3種常用螺桿泵的理論合理轉速區間大概是80～155 r/min。

3　螺桿泵的實際轉數情況及分析

根據機房報表信息，現有水驅螺桿泵井430口，其中φ500 mm、φ800 mm和φ1200 mm的3種常用泵徑，月生產天數在20 d以上正常生產的螺桿泵井142口（表3）。

表3　三種螺桿泵實際轉速統計

由表3可知，在三種常用泵徑螺桿泵井中，有107口井是在80～150 r/min的，低于80 r/min的井35口，沒有高于155 r/min的井。由此可知，大部分螺桿泵還是符合計算出的理論合理轉速區間的。

通過表3發現，有一部分螺桿泵井是低于理論合理轉速區間的。轉速過低會大幅度降低泵的容積效率，增大轉子扭矩的波動，導致運行不平穩，工作效率也會降低。而且，過低的轉速還會導致螺桿泵的防反轉裝置失效，從而留下安全隱患。因此，對于轉速過低的螺桿泵井，應該在井底供液以及現場機況條件的允許下，適當上調轉速，增加泵效。達到增產和安全生產的目的。

4　結論

1）螺桿泵的轉速與很多參數和因素密切相關，螺桿泵合理轉速的選取應充分考慮不同井的不同工況、不同結構參數、不同大小以及不同的使用時期等。根據實際情況合理調整轉速，提高泵效，延長檢泵周期，提高工作效率。

2）螺桿泵在投產運行初期應低轉速運行，避免因螺桿泵轉子旋轉產生的溫度升高和泵筒壓力造成橡膠老化，同時也可以降低舉升過程中的摩擦阻力，減少扭矩的波動性，避免過度磨損以及運行不穩定。運行一段時間后，可以依據產能逐漸提高轉速，增加泵效，提高效率。

3）確定合理的泵效區間，就能夠通過計算，得出合理的理論轉速區間。在泵效在50%～70%時，3種常用泵徑螺桿泵的理論合理轉速區間為80～155 r/min。

4）該采油廠大部分螺桿泵是符合計算出的理論合理轉速區間的。對于轉速過低的螺桿泵井，應該在條件允許的情況下，適當上調轉速，增加泵效。達到增產和安全生產的目的。

［1］韓俢廷.螺桿泵采油原理及應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998：17-18.

［2］萬邦烈.單螺桿式水力機械［M］.東營：石油大學出版社，1993：36-37.

［3］陳濤平，胡靖幫.石油工程［M］.北京：石油工業出版社，2004：42-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.018

2016-09-07

（編輯賈洪來）

高偉棟，工程師，1998年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事采油工程技術管理工作，E-mail：gaoweidong@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市采油一廠機關油田管理部，163111。