等壁厚定子螺桿泵節能效果分析

張濤（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

等壁厚定子螺桿泵節能效果分析

張濤（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

自1980年引進螺桿泵采油技術以來，大慶油田螺桿泵井已經達到8000口以上，配套的生產動態監測等配套技術實現了逐步完善。現場應用結果表明，螺桿泵在應用超過500天后泵效下降幅度較大，出現了調整工作轉速后增產效果差的問題。通過分析制約螺桿泵井系統效率的主要因素，得出泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導致定轉子之間的漏失量增加引起的。通過改變螺桿泵定子外殼的形狀，研制了等壁厚定子螺桿泵。這種螺桿泵定子襯套的橡膠層厚度處處相等，大幅度降低了由于橡膠溫、溶脹引起的形變幅度，提高了螺桿泵的工作性能，系統效率上升5個百分點，節電率達到18.5%，取得了良好的節能效果。

等壁厚；螺桿泵；定子；節能

1 影響系統效率的主要原因

大慶油田目前在用螺桿泵井超過8000口，是大慶油田的主要人工舉升方式之一[1]。現場應用效果表明，螺桿泵在應用超過500天后泵效下降幅度較大，出現調整工作轉速后增產效果差的問題。統計結果顯示，近5年來螺桿泵系統效率維持在30%左右，一直沒有有效的技術措施來提高螺桿泵井系統效率[2]。依據螺桿泵采油系統的組成部分，將螺桿泵的系統效率分成兩個部分，即地面效率和井下效率[3]。

地面系統的能量損耗主要來源于電動機、驅動頭一級減速系統和皮帶，因此

式中：η地面——螺桿泵井地面系統效率；

P光——光桿功率，kW；

P入——輸入功率，kW；

η1——電動機效率；

η2——驅動頭一級減速系統和皮帶的效率。井下系統的能量損耗主要來源于井下的桿、管柱和泵，因此

式中：η地下——螺桿泵井下系統效率；

P水——水功率，kW；

η3——泵效；

η4——桿柱效率；

η5——管柱效率。

在保持一定的工作壓差范圍內運轉螺桿泵，排量的穩定性較好，當生產壓差超過定子襯套腔室的密封臨界值時會發生漏失，且壓差越大，漏失情況越嚴重。

泵的轉速過低會導致液面抽不下去，雖然螺桿泵保持了很高的容積效率，但是能量絕大部分轉化成了熱能而不是用來做功，因此系統的機械效率和總效率很低。而在供液能力一定的情況下，高轉速的螺桿泵的沉沒度較低，漏失量增大，定子襯套和轉子之間的磨擦情況加劇，導致定子襯套橡膠層的溫度升高。

2 等壁厚定子螺桿泵原理及優點

綜上所述，導致螺桿泵在運轉超過500天后泵效下降的主要原因是螺桿泵定子襯套的橡膠層工作性能變差，導致定轉子之間的漏失量增加。理論研究和現場應用表明，定子襯套的橡膠層溶脹和損壞是影響螺桿泵工作性能的主要因素，因此設計定子橡膠的厚度均勻相等的等壁厚定子螺桿泵[4]。減小由于溫升和溶脹引起的橡膠形變，保證襯套橡膠層的型線精度，降低工作扭矩，提高泵效，延長工作壽命。等壁厚定子螺桿泵的優點主要表現在以下幾個方面：

1）等壁厚定子螺桿泵的定子襯套的橡膠層厚度均勻，能夠保證良好的散熱性能，大幅度降低了橡膠層的溫度升高幅度。溫度場的有限元分析結果顯示[4]，等壁厚定子螺桿泵的溫升僅有9%，遠遠低于常規螺桿泵的溫升值20%。

2）螺桿泵的泵效主要是由于定子襯套的橡膠層和轉子之間的過盈嚙合來決定的。泵在實際運轉過程中，定子襯套的橡膠會產生一定的溶脹，增大了過盈量，磨阻變大，扭矩變大，加大了抽油桿的形變，縮短了桿柱的工作壽命。新型螺桿泵的定子襯套橡膠層的壁厚均勻，在實際運轉中的形態變化小，提高了定子襯套腔室的承壓能力，延長螺桿泵高泵效的運轉周期，從而提升系統效率。

3）由于定子襯套的橡膠層厚度均勻，橡膠層溫升、溶漲幅度變化小，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提高了泵的工作效率，降低了工作扭矩，節能效果好。

3 室內對比試驗分析

由于500型螺桿泵是大慶油田的主力泵型，通過開展相同初始過盈值的GLB500型普通螺桿泵和DGLB500型等壁厚定子螺桿泵的水力特性對比試驗，有效的驗證等壁厚定子螺桿泵的扭矩小、腔室承壓高、泵效高的優勢。

1）工作轉速試驗。在50℃介質溫度條件下，對比兩種螺桿泵在不同轉速下的性能曲線，分析工作轉速對兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化影響。

試驗結果表明，兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓和泵效的變化趨勢相同，在模擬現場實際生產中工作轉速100 r/min，承壓6 MPa時，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵容積工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，效率高12.07%，高泵效工作區間延長（圖1～圖4）。

2）工作溫度試驗。試驗介質為32號液壓油，工作轉速為100 r/min，分析不同的工作溫度對兩種螺桿泵的工作扭矩、腔室承壓的變化影響。

圖1 轉速對扭矩的影響

圖2 轉速對單級承壓的影響

圖3 轉速對DGLB500-14泵容積效率的影響

圖4 轉速對GLB500-14泵容積效率的影響

試驗結果表明，當溫度升至50℃時，等壁厚定子螺桿泵的工作扭矩的變化幅度比普通螺桿泵低18%，腔室承壓低36%，有效的驗證了溫度升高對等壁厚定子螺桿泵的定子襯套橡膠層的形態變化小的特點（圖5～圖6）。

圖5 溫度對單級承壓的影響

圖6 溫度對扭矩的影響

4 應用效果分析

截至2016年5月底，在大慶油田采油三廠現場應用等壁厚定子螺桿泵300余口，泵效平均值為62%，動液面540 m，系統效率值達到了37.12%，節電率為18.5%。等壁厚定子螺桿泵的平均檢泵周期692天，遠遠超過普通螺桿泵550天的檢泵周期。

在開展現場試驗的同時，開展了對兩種相同泵型的螺桿泵在相同區塊的典型井動液面和泵效的對比分析，如圖7、圖8所示，現場應用效果表明，與普通螺桿泵相比，等壁厚定子螺桿泵井動液面高，高泵效持續時間長。

圖7 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井動液面對比

圖8 等壁厚定子螺桿泵井與普通螺桿泵井泵效對比

對比分析結果表明，兩種螺桿泵在工作運轉500天后，等壁厚定子螺桿泵動液面比普通螺桿泵高出103 m，泵效高出12.3%。等壁厚螺桿泵在整個運轉周期內，泵效保持了較高值，波動變化幅度小，工作性能平穩。

5 結論

1）通過設計改變螺桿泵定子鋼管的形狀，設計的定子襯套的橡膠層的厚度均勻，有效的降低了橡膠層的溫升和溶脹變化幅度，保證了襯套橡膠層的型線精度，提升了襯套腔室的密封性能，提升了螺桿泵的工作性能。

2）通過開展螺桿泵水力特性試驗，對比同過盈值的等壁厚定子螺桿泵和普通螺桿泵，在模擬實際生產現場中工作轉速100 r/min，承壓6 MPa的情況時，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵工作扭矩降低14 N·m，腔室承壓高64%，容積效率高12.07%。

3）從現場應用的典型井可知，等壁厚定子螺桿泵比普通螺桿泵的動液面高，泵效保持了較高值，波動變化幅度小，工作性能平穩。

[1]Liu He，Wang Fengshan，Shi Guochen，etc.An Innovative PCP Logging Technique for the Separated Layer Production Wells[c]//SPE Progressing Cavity Pumps Conference.Alberta：Society of Petroleum Engineers，2010：9.

[2]姜滔，蓋偉濤，何艷.提高螺桿泵井系統效率的對策[J].采油工程，2012（3）：41-43.

[3]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）：64-65.

[4]何艷，秦佳，朱雪芹，等.等壁厚定子螺桿泵的有限元分析[J].石油機械，2006，34（6）：53-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.009

2016-07-03

（編輯 張馨怡）

張濤，工程師，2005年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事產能建設、新井投產管理工作，E-mail：tzhang_dq@petrochina.com. cn，地址：黑龍江省大慶市第三采油廠機關生產運行部，163000。