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油田生产用螺杆泵的设计与应用分析
[2023-09-27] 齿轮泵

  由法国PCM公司生产的300TP2400型大排量、高扬程螺杆泵,日前首次在辽河油田双北2545井投入应用。这种螺杆泵日排量最高可达100m3,在同等排量条件下,该螺杆泵可下到井下1800m处,为国内最深。

  单螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵,泵的主要构件:一根单头螺旋的转子和一个通常用弹性材料制造的具有双关螺旋的定子,当转子在定于型腔内绕定子的轴线作行星回转时,转定子之间形成的密闭腕就沿转子螺线产生位移;因此就将介质连续地,均速地、而且容积恒定地从吸入口送到压出端,基于这件特性,单螺杆泵特别适合于下列工况的工作:

  输送高粘度介质:根据泵的大小不同可以输送粘度从37000 200000厘泊的介质。

  含有颗粒或纤维的介质:颗粒直径可以这30mm(不超过转子偏心距)。纤维长可以350mm(相当0.4位转子的螺距)。其含量一般可达介质窖的40%,若介质中的固体物为细微之粉沫状时,最高含量可达60%或更高也能输送。要求输送压力稳定,介质固有结构不受破坏时,选用单螺杆泵输送最为理想。

  勘探采矿:各种钻探泥浆、采矿用水、浮先浆状物和浮液。造船业:船底污水、污油、各种燃油淡水。

  陶瓷工业:陶土、粘土、釉料。能源工业:各种燃油、油煤浆、水煤浆、煤泥及核废料。污水处理:污水、污油、淤泥。

  医药、食品、化妆工业:各种粮浆果浆、淀粉糊、膏剂、母液、薯泥、酒及酒糟等。

  螺杆泵是靠空腔排油,即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室,当转子转动时,封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失,空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时,又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样,封闭空腔不断地形成、运移和消失,原油便不断地充满、挤压和排出,从而把井中的原油不断地吸入,通过油管举升到井口。

  螺杆泵采油系统主要由驱动装置、井口装置、井下螺杆泵以及中间油管组成。根据其驱动方法不一样,可分为电动、液动和机动三种类型的螺杆泵采油系统。地面驱动(机动)螺杆泵的应用最为广泛,本节主要介绍机动螺杆泵系统。

  机动螺杆泵采油系统由井底螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆扶正器及地面驱动系统等组成。工作时,由地面动力带动抽油杆柱旋转,连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动,井液经螺杆泵下部吸入,由上端排出,并从油管流出井口,再通过地面管线输送至计量站。这种采油方式最为简便,实际使用时井下也不要安设泄油装置,因为螺杆泵转子一旦脱离泵筒,油套管之间便相互连通,于是起到了泄油的作用。同时,这种装置的使用费也较低,是浅井较理想的采油方法。

  单螺杆泵由于结构和工作特性,与活塞泵离心泵、叶片泵、齿轮泵相比具有下列诸多优点:

  能输送高固体含量的介质;流量均匀压力稳定,低转速时更明显;流量与泵的转速成正比,因而拥有非常良好的变量调节性;一泵多用可以输送不同粘度的介质;泵的安装的地方能随意倾斜;适合输送敏性物品和易受离心力等破坏的物品;体积小,重量轻、噪声低,结构相对比较简单,维修方便。

  选用泵的规格是根据被输送液体的性质和流量、压力来决定的,而泵的转速则由输送液体的粘度和腐蚀性、作为主要参数来选择,才能确保泵的可靠运行。

  泵的设计转速为输送清水或清水相类似的无腐蚀性液体时允许最高转速,在实际使用中因介质性质与寿命要求不同,选用时一般都应低于设计转速,对高粘度和含颗粒介质,一般都会采用设计转速的1/21/3或更低些,低转速对泵的磨损有利,但在使用后由于定子的磨损流量下降,这时可适当提高转速,以补偿流量下降也为常策。

  输送介质的温度应在10℃~80℃特殊情况可高达120℃。泵的每级(定子的一个导程)正常压力为0.6Mpa,短时间(不超过30分钟)内允许高达0.8Mpa,当磨损后在相同输出压力时的容积效率要逐步下降。泵送清水时最高吸程为8m,实际使用建议不超过6.5m,当泵送高粘度介质时,应以正压吸入。

  油温:测量油井的油温,为越来越好的控制油井温度,防止停抽后,管线冻堵,同时避免过高温度、过低影响生产,避免引起事故。

  电机转速、扭矩、负荷:监测油井的生产运作情况,同时可用于产液计量;电机三相电压、电流、有功及无功:监控电机的运作时的状态;变频参数采集、控制。

  测量这些参数主要是为了获取电机的当前运作时的状态,以便对电机来控制,确保电机正常运作,这些参数是很重要的参数。电机是整个采油平台的动力,是采油正常进行的核心所在,也能够最终靠这些参数推测出当前采油的相关情况。

  对于螺杆柱塞泵井最大的缺点在于不能空抽,因为液面低于泵挂对于螺杆泵井可能带来烧泵的难以处理的后果,因此对于供液不稳定或是高含气的螺杆泵井,须随时监测动液面的变化。由于目前没有有效的连续监测液面的仪器,并且某些井由于高套压等原因无法准确测得液面,因而一定要通过地面测试参数来推算井下液面位置。

  针对液面计算与自动求产,能够最终靠传感器实时监测油井螺杆泵的扭矩与载荷,并油套压测试数据一起无线远传至站点的中控计算机,通过计算机上安装的专业软件计算各井的实时动液面与产液量,并在油井的动液面降低接近泵挂或无产量时,软件报警提示并自动对该井发出停井、降低电控箱频率来调低转速等操作,以提前避免烧泵等事故的发生。

  建立螺杆泵光杆载荷的理论计算公式,可表示为光杆载荷与各影响因素的函数式:

  式中的其他参数包括油井生产数据、泵参数、油井物性参数等等,对目标井来说均为可获得的已知量。上式结合测得的光杆载荷、扭矩、油套压即可由反函数推导计算得到油井的动液面,即:

  因此通过自动监测油井载荷、转速、油套压等参数,计算的到的动液面数值,由上式来计算油井泵效,进而根据泵理论排量实时计算油井当前产量。

  当油井在漏失等泵效不正常工况下,可先由井口监测数据计算动液面,然后通过拟合IPR曲线及采液指数计算产量。