螺桿泵水力特性高溫試驗流程系統的研制與應用

杜香芝

中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

■質量安全論壇

螺桿泵水力特性高溫試驗流程系統的研制與應用

杜香芝

中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

近些年隨著稠油熱采井不斷增多，使用抗高溫定子橡膠螺桿泵的數量也不斷增加。促進螺桿泵采油技術水平的提高，并滿足相關標準和用戶的使用要求，需要對螺桿泵水力特性進行測定。為此研制了螺桿泵水力特性高溫試驗流程系統，主要包括技術指標的確定、流程設計及系統組成、功能模塊和流程系統的應用等部分。以220℃導熱油作為試驗介質，模擬抗高溫定子橡膠螺桿泵的實際工況，通過檢測螺桿泵出口壓力與排量等參數得出其水力特性曲線，從而反映螺桿泵產品質量，可以有效地避免不合格產品下井，提高一次投產成功率。

螺桿泵；水力特性；試驗流程

螺桿泵采油具有投資少、設備結構簡單、操作方便、節能效果明顯以及適應性強等特點，以能有效降低采油成本提高采油效益而倍受國內外油田重視，已成為油田主要的機采方式之一。近些年隨著稠油熱采井不斷增多，使用抗高溫定子橡膠螺桿泵的數量也不斷增加，所以需要檢測其水力特性是否滿足相關標準和用戶的使用要求。但實驗室現有的檢測系統不能滿足試驗介質在高溫（90～180℃）下的螺桿泵水力特性試驗。因此，為檢驗螺桿泵在高溫條件下的水力特性，研制了螺桿泵水力特性高溫試驗流程系統[1-4]。

1 高溫試驗流程系統的技術指標及組成

高溫試驗流程系統的技術指標如下：①壓力調節范圍：0～25 MPa，精度0.2%；②流量檢測范圍：0～350 m3/d，精度0.2%；③介質溫度范圍：90～180℃，精度±5℃。

高溫試驗流程系統主要由壓力傳感器、流量計、高溫油罐、補償罐、液位傳感器、電動壓力調節閥、手動閥門、電動閥門、過濾器、溫度傳感器、移動

小車、流程管線等組成。試驗流程如圖1所示。

圖1 高溫試驗流程系統圖

高溫加熱罐采用封閉結構，并設計有熱補償罐，高溫油在加熱罐內加熱，而補償罐中的油溫基本處在常溫狀態，避免了介質油的揮發。工藝流程滿足高溫條件下的試驗流程，所有流程管線及閥門均耐高溫，可以滿足螺桿泵在不同轉速、不同溫度、不同壓力條件下的水力特性模擬試驗。

2 高溫試驗流程系統的功能模塊

試驗流程的主要功能模塊為了滿足試驗的要求，螺桿泵水力特性模擬試驗裝置的主要功能模塊有：壓力的調節與檢測模塊、流量的計量模塊、試驗介質溫度的調節與檢測模塊3個部分。

2.1 壓力的調節與檢測模塊

壓力的調節與檢測模塊主要包括調節螺桿泵的出口壓力、檢測螺桿泵的出口壓力、檢測螺桿泵的入口壓力3個部分。

螺桿泵水力特性就是使螺桿泵在不同的出口壓力下，檢測出口的流量。在其他條件相同的情況下，螺桿泵有相同的出口壓力，則出口流量越大，其性能越好。因此調節螺桿泵的出口壓力是螺桿泵水力特性試驗中的重要環節。主要元件有出口壓力傳感器，電動調節閥等。

2.2 流量的計量模塊

對于90～180℃高溫試驗，試驗介質只能采用抗高溫的導熱油，因此流量計量采用流量計，流量檢測范圍：0～350 m3/d，精度0.2%。主要元件有流量計，電動閥和手動閥。

2.3 試驗介質溫度的調節與檢測模塊

高溫試驗流程試驗時，由于要求油溫較高（90～180℃），需要對油進行加熱滿足試驗要求。為了解決高溫油閃點問題，采用液體管道加熱方式，在試驗進行中對油進行加熱，油罐采用密封。在運行過程中，由于油罐密封，不能將氣體排出，影響試驗的準確性，為解決這一問題，在油罐上方設置補償罐，通過管道與油罐連接，既可以消除油的揮發，也可以將試驗中產生的氣體排出，同時通過補償罐將排出的空氣體積用油補償，保證試驗數據準確。

高溫加熱系統數據計算與選取：①排量為0.5 m3/min；②管線儲油量為0.1 m3；③油罐直徑1.0 m；補償罐體積0.5 m3；④加熱管功率為36 kW；加熱時間約2.4 h。

管道保溫設計：復合硅酸鹽絕熱涂料25 mm與太空絕熱瓷層0.5 mm，其散熱損失為92.7 W/m2，滿足最大散熱損失要求，保溫材料外表面溫度為40.5℃。

雙層保溫結構為復合硅酸鹽絕熱涂料25 mm。保溫層選擇，采用可脫卸式管道保溫套，該保溫套有如下優點：①保溫效果好，耐高溫；②化學穩定性好，防蟲蛀，防霉變；③防火阻燃、耐老化、防水、防油；④絕熱保溫效果好，絕熱層采用耐熱纖維隔熱毯，耐溫300℃以上；⑤方便拆卸、易于安裝，方便清洗設備，方便維修保養；⑥可反復使用、使用壽命長；⑦強度高、即柔軟又有韌性，易于彎曲包扎；⑧適用性強，適用不同的管道設備；⑨環保無污染，不含有害物質，對人和環境無害。

3 系統的應用

3.1 系統操作

在對螺桿泵水力特性高溫試驗時，將螺桿泵固定在試驗臺上，用軟管與螺桿泵吸入口相連，螺桿泵排出口與管路相連。通過控制臺上操作按鈕可以實現壓力調節閥和電動閥開關及對油罐加熱的遠程控制。

啟動螺桿泵驅動電機，油經高溫油罐出口依次經過過濾器，經軟管進入螺桿泵入口，從螺桿泵出口流經電動壓力調節閥進入計量模塊，進入流量計進行計量后，經手動閥回到高溫油罐。螺桿泵運行一段時間后停止，主要是將管道中的氣體通過液位補償罐的排氣裝置排出，關閉電動閥后，對高溫油罐進行加熱。達到設定溫度后，啟動螺桿泵驅動電機，對螺桿泵進行高溫油水力特性試驗。試驗中通過調節電動壓力調節閥，滿足試驗中不同螺桿泵出口壓力調節的需求，從而實現入口和出口壓力及流量采集，結合扭矩的測量，最終計算出螺桿泵容積效率和總效率。

3.2 應用實例

開展了不同型號的螺桿泵在介質溫度120℃、150℃條件下的水力特性試驗。現以GLB500-14型螺桿泵的試驗為例，轉速150 r/min，試驗數據見表1～表2。

表1 GLB500-14型螺桿泵在120℃溫度下試驗數據

由表1～表2可以看出,GLB500-14螺桿泵120℃時的最高效率是90.09%，對應的壓力點為4.55MPa、150℃時的最高效率是88.87%，對應的壓力點為5.72MPa。溫度越高，總效率最高點的壓頭越大。在120℃、7.06MPa時容積效率是73.31%，150℃、7.10MPa時容積效率是82.96%。在合理工作區相同壓力下溫度越高容積效率越高。通過實驗發現溫度增加，在同一舉升高度條件下，泵的容積效率增加。溫度越高，總效率最高點的壓頭越大。溫度變化對螺桿泵扭矩的影響不大。

表2 GLB500-14型螺桿泵在150℃溫度下試驗數據

根據標準GB/T 21411.1—2014[5]規定螺桿泵的排量應在理論排量的10%范圍內，GLB500-14螺桿泵在150 r/min的理論排量108 m3/d，實驗測得120℃和150℃時的排量分別是107.50 m3/d和104.30 m3/d，與理論排量的相對誤差分別是0.46%和3.43%，均符合標準要求。

該裝置適應于高溫下的壓力調節和流量計量等功能，滿足螺桿泵在不同轉速、不同壓力、不同介質下泵排量的測量，其裝置的技術指標達到對螺桿泵性能進行評價的要求。

4 結論

螺桿泵水力特性高溫流程系統的研制為耐高溫螺桿泵和全金屬螺桿泵的性能分析、質量評價、國內外油田采油技術服務等技術公關和新產品的研發提供了有力的保障手段。同時為油田嚴把質量關，有效控制不合格品流入油田市場，起到重要約束作用。該裝置于2016年初建立并通過國家計量認證，至今完成了100余臺套螺桿泵產品的檢測工作。對試驗與承檢產品做出科學、準確的評價。

[1]楊野,王鳳山.采油設備、井下工具及油田化學劑技術手冊[M].北京：石油工業出版社,2013．

[2]杜香芝.螺桿泵檢測系統[J].油氣田地面工程,2007,26(5)：62.

[3]魏紀德,師國臣.試驗介質溫度、黏度對螺桿泵容積效率的影響[J].石油機械,1993,21(9)：15-20．

[4]楊樟柏.提高螺桿泵舉升性能研究[D].大慶：東北石油大學, 2006．

[5]全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會.石油天然氣工業人工舉升用螺桿泵系統第1部分：泵[S]：GB/T 21411.1—2014.北京：中國標準出版社,2015.

With the increase of heavy oil thermal recovery wells,the use number of high temperature stator rubber screw pump is increasing.In order to promote the development of screw pump production technology and meet the requirements of related standards and users,it is necessary to measure the hydraulic characteristics of the screw pump.For this purpose,the screw pump hydraulic characteristic high-temperature test process system was developed,including the determination of technical indicators,process design and system composition,application of functional modules and process system.The oil of 220℃is used as test medium to simulate the actual condition of high temperature resistant stator rubber screw pump,the hydraulic characteristic curve of the screw pump is obtained by detecting its outlet pressure and output volume,which can reflect the quality of screw pump products,so as to effectively avoid substandard products to enter well,and improve the success rate of once put into production.

screw pump;hydraulic characteristic;test process

尉立崗

2017-04-25

杜香芝（1967-），女，工程師，現主要從事采油工程產品質量監督檢驗與實驗工作。