螺杆泵井的优化设计与发展趋势.ppt

螺杆泵井的优化设计与发展趋势,一、螺杆泵工作原理及力学性能,二、螺杆泵采油系统及配套技术,三、螺杆泵优化设计,四、螺杆泵当前使用现状及存在问题,五、螺杆泵发展趋势,目 录,一、螺杆泵工作原理及力学性能,本章主要讲解的内容：,(一)螺杆泵基础知识,(二)螺杆泵运动学及动力学基础,(三)螺杆泵的工作特性,(四)螺杆泵泵型及结构参数,螺杆泵又叫渐进式容积泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。,什么是螺杆泵？,(一)、螺杆泵基础知识,采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用。螺杆泵的转子、定子副（也叫螺杆衬套副）是利用摆线的多等效动点效应，在空间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作用。螺杆泵又有单头(或单线)螺杆泵和多头（或多线）螺杆泵之分。,1：2结构 2：3结构 3：4结构 4：5结构,井下单螺杆泵由哪几部分组成？,1-下接头；2-限位销；3-定子；4-转子；5-上接头,井下单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。,螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体装置。定子内表面呈双螺旋曲面，与转子外表面相配合。,沿着螺杆泵的全长，在转子外表面与定子橡胶衬套内表面间形成多个密封腔室；随着转子的转动，在吸入端转子与定子橡胶衬套内表面间会不断形成密封腔室，并向排出端推移，最后在排出端消失，油液在吸入端压差的作用下被吸入，并由吸入端推挤到排出端，压力不断升高，流量非常均匀。,螺杆泵工作原理是什么？,螺杆泵工作的过程本质上也就是密封腔室不断形成、推移和消失的过程。,(一)、螺杆泵基础知识,螺杆泵定、转子的线数,目前所应用的螺杆泵线数均采用N/N+1形式，即定子的线数总是比转子的线数多一线，这是由空间啮合理论所决定的。螺杆泵的线数与螺杆数量是两个根本不同的概念，不应混为一谈。,螺杆泵有哪些结构参数？,e 转子偏心距，mm；D 转子截圆直径，mm；T 定子导程，mm。,螺杆泵三个重要的结构参数：,在螺杆泵参数设计过程中，这三个基本结构参数的合理选择及相互之间的合理配比显得尤为重要，它们直接影响着螺杆泵的工作特性和使用寿命。,GLB500-14K为空心转子螺杆泵，每转排量500毫升，级数14；GLB120-27(2:3)为多头螺杆泵，转子与定子头数比为2:3，每转排量 120毫升，级数27。,例如,螺杆泵规格型号是如何规定的？,空心转子用“K”；实心省略；等壁厚定子用“D”；金属定子用“J”转子与定子头数比，用阿拉伯数字表示，单头省略泵的总级数泵的几何排量，ml/r 单螺杆抽油泵,“螺”和“泵”两字汉语拼音第一个字母泵的驱动方式：抽油杆地面驱动，用“杆”字汉语拼音第一个字母G表示；潜油电机井下驱动，用“潜”字汉语拼音第一个字母Q表示,LB,(),现场应用中，根据选用泵的型号可计算出理论排量，公式如下：,式中：Q螺杆泵理论排量，m3/d；q螺杆泵每转排量，ml/r；n转子转速，r/min。,螺杆泵理论排量如何计算？,理论排量公式如下：,螺杆泵作为水力机械必须要满足以下三个必要：1、定、转子能够互相匹配 能够满足一般齿形啮合运动的要求。2、转子和定子衬套能够保证密封性 转子和定子衬套间能形成多个密封腔室，以充满工作液体。3、密封腔室能够不断推移 转子的转动能够使密封腔室连同其中的工作液体连续地沿轴向推移，并在推移过程中进行机械能和液体能的相互转化。,螺杆泵的三个基本要求是什么？,条件,螺杆泵综合了柱塞泵和离心泵的优点，即在不同的压力条件下流量改变很小，而且流量非常均匀；无阀，对气的适应性好，不会产生“气锁”现象（柱塞泵）和“气蚀”现象（离心泵）；结构方面的特点：运动件很少（只有转子一个运动件）、流道短而且简单，过流面积大，油流扰动小，因此携带能力强；对砂、蜡的适应性好，能够在高粘原油中以较高的效率工作；螺杆泵的各种优点是相对而言的，对于一些特殊介质，也会对螺杆泵的水力特性产生一定程度的影响，但相对抽油机和电泵而言，敏感性较小。,A,B,C,D,E,螺杆泵的特点及优点是什么？,(二)、螺杆泵运动学及动力学基础,1、螺杆泵运动学特征,（1）螺杆泵定、转子型线 单头单螺杆泵的定转子实质是由普通内摆线的外等矩线作为定子型线，而与之共轭的曲线作为转子型线的空间共轭曲面。,转子可视为半径为R的圆片沿着螺距为t、偏心为e的螺旋线连续移动所形成的轨迹。,转子结构,定子衬套曲面是由两个半径为R（转子半径）的半圆和两条长度为4e的直线段组成的封闭对称曲线以长度T（T=2t）为导程螺旋旋转形成空间螺旋曲面。,定子结构图,y1,2e,2e,x1,R,t,O1,x1,y1,O1,2e,2e,R,A,A,定子型线,2=-1,A、转子中心的运动规律 a、角速度的关系,转子的自转与公转,（2）转子运动规律分析,1、螺杆泵运动学特征,T,TZ,Fa,Fy,F,轴向力:横向力:惯性力:,负载扭矩:倾倒力矩:摩擦扭矩:,(二)、螺杆泵运动学及动力学基础,2、螺杆泵动力学特征,2、螺杆泵动力学特征,2、螺杆泵动力学特征,(三)、螺杆泵的工作特性,p,MPa,螺杆泵工作特性曲线,q,m3/d;v,%,.,T,N.m;P,kW,1、排量特性,密封腔室产生、运移和消失规律,一个封闭腔室的产生和消失不总是同时发生;封闭腔室的数量不总是固定的;线啮合线密封能力是点啮合线密封能力的2倍。,1、排量特性,密封腔室的漏失特性,定、转子啮合点无间隙，即=0时，漏失量为零，封闭腔室完全密封；因工作压力，故增加泵级数会降低每个密封腔室的密封压力，从而减少漏失；因啮合线处的间隙是由工作压力P产生的，所以增加定、转子间的过盈会有效减少间隙，从而达到减小漏失的作用；提高工作转速n会有效补偿漏失，这就是螺杆泵的离心泵特性。,漏 失 量,1、排量特性,1、排量特性,(三)、螺杆泵的工作特性,2、负载特性,杆柱轴向力特性,螺杆泵在正常工作时,抽油杆柱井口的轴向力为:,Fz-转子在液压力作用下的轴向载荷，N，由上式计算；Fg-杆柱自重引起的轴向载荷，N；Fr-杆管环空液压力引起的轴向力载荷，N；Ff-杆液摩擦引起的轴向载荷，N。,A,式中：i-第i段流体平均粘度，Pa.s；vi-第i段流体平均流速，m/s；Di-第i段油管内径，m；di-第i段抽油杆直径，m。,式中Gi第i段杆柱的单位重力，N/m；li-第i段杆柱的长度，m；L抽油杆柱的长度，m。,式中D-转子载面直径，m；d-最下一级抽油杆直径，m。,2、负载特性,杆柱负载扭矩特性,举升井筒流体的扭矩:,式中:Ty-举升井筒流体的扭矩，N.m；-泵出口压力，MPa；-泵入口压力，MPa。,杆液的摩擦扭矩Tf:,式中:Tf-杆液的摩擦扭矩，N.m；n-转子工作转速，r/min。,B,2、负载特性,负载特性的主要特点,GLB500-14 型泵转子扭矩曲线,螺杆泵转子扭矩与工作压力有很好的直线性，且摩擦扭矩在举升具有润滑性的液体时，只占转子负载扭矩的较小一部分。,3、能耗特性,螺杆泵采油井的能耗主要消耗在举升流体的驱动杆柱的能耗和地面驱动系统的传动能耗。地面驱动系统的能耗一般可用传动效率来表征。螺杆泵采油系统总的能耗计算如下：,而有功能耗为：,(三)、螺杆泵的工作特性,无功损耗为：,螺杆泵采油系统的系统效率为：,=,式中:e,D,t螺杆泵的结构参数；t地面驱动系统的传动效率。,3、能耗特性,GLB1600-13大排量泵系统效率数据（10月底）,3、能耗特性,能耗特性的主要特点,图2-29 GLB500-14型泵能耗特性曲线,定、转子间摩擦损耗对工作压力不敏感；水力损耗是螺杆泵能耗的主要组成部分；随着工作压力即举升高度的增加和泵容积效率的降低水力无功损耗显著增加。,由分析和试验发现，采油螺杆泵能耗有何特点？,(四)、螺杆泵泵型及结构参数,在地面驱动式螺杆泵举升系统中，由定子和转子组成的井下泵体是整个系统的核心设备。国内螺杆泵生产厂家在井下泵的设计理论、加工工艺及方法、水力特性的检测与评价等方面进行了大量的科研攻关，取得了一系列科研成果，形成了适应不同排量范围的井下泵系列。,螺杆泵基本结构尺寸,一、螺杆泵工作原理及力学性能,二、螺杆泵采油系统及配套技术,三、螺杆泵优化设计,四、螺杆泵当前使用现状及存在问题,五、螺杆泵发展趋势,目 录,二、螺杆泵采油系统及配套技术,本章主要讲解的内容：,(一)螺杆泵采油系统分类,(二)地面驱动螺杆泵采油系统组成及功能,(三)螺杆泵系统测试技术,(一)、螺杆泵采油系统的种类,地面驱动单螺杆泵采油系统,潜油电机驱动单螺杆泵采油系统,二、螺杆泵采油系统及配套技术,本章主要讲解的内容：,(一)螺杆泵采油系统分类,(二)地面驱动螺杆泵采油系统组成及功能,(三)螺杆泵系统测试技术,（二）地面驱动单螺杆泵采油系统组成及功能,1电控箱；2-电机；3-皮带；4-方卡子；5-光杆；6-减速箱；7-专用井口；8-抽油杆；9-抽油杆扶正器；10-油管扶正器；11-油管；12-螺杆泵；13-套管；14-定位销；15-防脱装置；16-筛管,1、组成：分为地面和井下两大部分。地面部分包括:驱动头和控制柜，井下部分包括：井下泵、抽油杆、油管、配套工具（如锚定工具、扶正器）等。见左图。,5个优点,结构简单,维护方便,节能效果明 显,一次性投资少,地面驱动螺杆泵采油,适应性强,地面驱动螺杆泵采油技术以能有效降低采油成本提高采油效益诸如抽油机柱塞泵、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点而倍受国内外油田重视，并有望成为油田主要的机采方式之一。,1、螺杆泵采油系统的电控部分,电控箱是螺杆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵井正常生产时的电流、电压等，有过载、欠载自动保护功能，确保生产井正常生产。,(二)、螺杆泵采油系统组成及功能,电控箱的功能是什么？,它具有对电机作过载、断相、过压、漏电、堵转及三相电流严重不平衡自动的保护功能。电控箱设计结构合理，前门设有安全门锁，箱门处用反边折扣，具有防风沙、防雨、防盗的特点。箱门的电压表、电流表、可直观的反映电网电压及螺杆泵的工作情况。集成化的电脑综合保护器，具有功能全、稳定性好，响应动作快的特点。有的电控箱还可以连续记录工作运行电流，为螺杆泵泵况分析提供依据。,1,2,3,4,5,B,GLB-型螺杆泵电控箱示意图,（1）、电控箱的原理,控制系统:、合上空气开关后，按动启动按扭QA，交流接触器QC得电吸合，接通主电路，使电动机 M运行，螺杆泵便可正常运转。、当准备停止工作时，只需按下常闭按钮TA，交流接触器失电断开主电路，电机M停止运转，螺杆泵便停止工作。,电控箱是整个螺杆泵系统的电控核心。,B,(2)、监测和保护系统,A 电控箱配有电流表A，可监测电动机工作电流。当电动机起动时或不需要测量电流时，电流表被QT1按钮短路，起保护电流表的作用，按下QT1即可读表，得到电流值。B 电控箱装有JD-5-V系列保护器，实现电动机的过载、短路、断相、堵转保护，动作灵敏可靠。,螺杆泵采油系统的电控部分,B,（3）、目前螺杆泵专用控制柜的应用参数,目前，螺杆泵控制柜主要应用两种型号，具体应用参数见下表。,螺杆泵电控柜应用参数表,有关变频调参驱动技术,螺杆泵无级调参驱动有变频、机械和液压等几种方式。目前，应用较多的是变频调速。无级调参驱动方式与有级调参驱动方式相比，无级调参驱动方式的优点如下：,优点一,提高螺杆泵适应油井产能变化的能力；,有级调参驱动的螺杆泵井，一般只有不连续的几个调参档位。当油井产液量波动较大，或者最佳转速落在两个档位之间时，这种驱动方式就表现出局限性。特别是聚驱井和新井，投产初期产能较高而稳定期产能较低。有级调参往往需要停机，增加躺井几率。,采用无级调参驱动方式，驱动装置的输出转速连续可调，有效地解决了这一问题。,优点二,调参操作简便直观，方便现场管理,在有级调参驱动方式下，当螺杆泵井需要调参时，首先要选择备用的带轮和皮带，然后停机，再由人工操作，拆装带轮和皮带，调整完毕后起机运转。如果应用的井数增多，则现场维护和管理的工作量必然增加。,采用无级调参驱动方式，调参时只需旋转调速旋钮即可，而且调参前后的工作参数均可以在操作面板上读取。,有关变频调参驱动技术,变频控制柜的电路图 将变频器和电控箱结合在一起，制做成变频调速控制柜，改变变频器的输出频率实现无级调速。采取温控措施，保证变频器在野外工况下正常工作。,变频调参工作原理,这里只介绍变频无级调参驱动技术。,主要功能、技术参数及应用实例,主要功能,软启停,无级调参,技术参数,输出频率：20-80Hz,驱动功率：5.5-37kW,调速范围：0-300r/min,环境温度：-40-+40,变频无级调速,地面驱动装置是螺杆泵采油系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械装置。从传动形式上分，有液压传动和机械传动；从变速形式上分，有无级调速和有级调速。,螺杆泵驱动装置的,种类,机械驱动装置,液压驱动装置,2、螺杆泵采油系统的地面驱动部分,（二）、螺杆泵系统的组成及功能,机械驱动装置传动部分是由电动机和减速器等组成，其优点是设备简单，价格低廉，容易管理并且节能，能实现有级调速且比较方便。其缺点是不能实现无级调速。液压驱动装置是由原动机，液压电机和液压传动部分组成。其优点是可实现低转速启动；转速可任意调节；因设有液压防反转装置，减缓了抽油杆倒转速度。其缺点是在寒冷季节地面液压件和管线保温工作较难，且价格相对较高，不容易管理。,螺杆泵驱动装置,螺杆泵地面驱动装置一般指的是套管井口法兰面以上与套管井口、地面输油管线相连接的那部分设备的总称。狭义的讲它主要由原动机、减速系统、防反转机构、密封系统、支撑系统和安全防护系统等部分组成，广义的讲还包括螺杆泵专用井口、地面电控箱，它是螺杆泵采油系统中的动力输出部分。根据不同的分类原则，螺杆泵地面驱动装置有不同的种类：,螺杆泵地面驱动装置的种类、组成及工作原理,什么是螺杆泵地面驱动装置，它主要由几部分组成？,2、螺杆泵采油系统的地面驱动部分,概念及类型划分,按原动机分为,电动机机械驱动,液压驱动,内燃机驱动,按井口连接方式 分,卡箍连接,法兰连接,按装置调速方式可分为：,无级调速驱动装置：无级调速方式根据实现方法的不同又有机械式无级调速、变频电机式无级调速、液压式无级调速；有级调速驱动装置：目前国内油田应用的主要类型是电动机机械驱动、有级调速、井口法兰连接的地面驱动装置。,电动机变频驱动,螺杆泵地面驱动装置主要功能是什么？为井下螺杆泵提供动力和合适的转速；承受杆柱的轴向载荷；为油井产出液进入地面输油管线提供通道；防止产出液渗漏到井场的密封功能；防止停机过程中杆柱的高速反转功能；安全防护功能；测试、防盗等其它辅助功能。其中驱动装置的密封功能和防反转功能是该产品使用过程中暴露出问题最多的部分，影响产品的长期可靠高效运行，制约螺杆泵采油技术的发展。,一是,二是,三是,四是,五是,六是,七是,螺杆泵地面驱动装置主要功能之一是动力传递，即将原动机的动力通过动力传递系统传递到输出轴上，输出轴再将动力通过方卡传递到连接在杆柱的的光杆上，同时作用在光杆上的轴向载荷和扭矩载荷通过输出轴作用于动力传递系统。对于一般机械式螺杆泵地面驱动装置，其动力传递系统过程如下：,地面驱动装置的动力传递技术,电控箱,电动机,小带轮,大带轮,方 卡,输出轴,大齿轮,齿轮轴,光 杆,机械式螺杆泵地面驱动装置动力传递系统流程图,地面驱动装置的密封技术,地面驱动装置密封系统包括减速箱输入输出轴处的动密封、光杆与驱动装置之间的中低压动密封、井口静密封系统，它们密封性能的好坏、寿命的长短直接影响地面驱动装置的正常工作和采油系统的运转时率及成本。原油或润滑油的泄漏不仅会造成浪费、污染环境，而且还会危及设备和人身的安全，所以在地面驱动装置设计和使用过程中必须重视密封技术的相关性能。,2、螺杆泵采油系统的地面驱动部分,地面驱动装置的光杆密封技术,地面驱动装置的光杆密封主要是指旋转的光杆和驱动装置之间的动密封问题，它对流经驱动装置进入地面输油管线的油井产出液进行有效密封，防止其渗漏到外部环境中。光杆密封系统按动密封系统工作原理的不同又可分为光杆盘根盒动密封系统、密封轴机械密封系统。,A、光杆盘根盒动密封系统,填料装入驱动装置密封腔后，经压盖对它做轴向压缩。,（1）地面驱动装置的光杆密封技术,填料密封机理示意图,1-光杆;2螺栓;3压盖;4盘根;,5盘根盒;6螺栓;7井口。,地面驱动装置的密封原理,光杆盘根盒动密封系统,什么是密封轴机械密封系统？,密封轴机械密封系统是在光杆和驱动装置之间的动密封系统中增加了中间部件密封轴，将光杆和驱动装置之间的动密封转变成为光杆和密封轴之间的静密封和密封轴与驱动装置之间的动密封，通过合理的参数设计，达到预定的密封要求。密封轴机械密封动密封系统根据在驱动装置上安装位置的不同，可分为下置机械密封系统和上置机械密封系统。,（1）地面驱动装置的光杆密封技术,机械密封上置油杯密封系统,1轴头;2机械密封;3油杯;4光杆。,螺杆泵井作业或驱动装置零部件维修更换过程中，需要相应的结构密封井液或者支撑杆柱重量，这种结构称为螺杆泵的专用井口。专用井口也是螺杆泵地面驱动装置中结构功能组成中密不可分的一部份。目前有两种专用井口结构：常规专用井口、卡持密封井口。,（2）、井口密封支撑技术,常规专用井口（如右图所示），安装在地面驱动装置和采油井口中间。在地面驱动装置工作过程中，专用井口不发挥作用。加盘根或者地面驱动装置更换时，专用井口关闭，防止井液外漏。,螺杆泵井专用井口,螺杆泵停机后或卡泵时，贮存在杆柱中的弹性变形能会快速释放，使杆柱快速反转。停机后，在油管及外输管线内的液体与套管内井液压差作用下，螺杆泵会变成液压马达，使转子及连接的杆柱快速反转。油套压差越大，杆柱反转速度越快，持续时间越长，直到油套压差恢复平衡为止。,地面驱动装置防反转及安全防护技术,螺杆泵系统反转原因及危害,停机反转的原因分析,2、螺杆泵采油系统的地面驱动部分,螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏；螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐患。,螺杆泵采油系统停机反转会有什么危害？,A,B,地面驱动装置防反转及安全防护技术,地面驱动装置防反转结构形式及工作特点,为了解决螺杆泵采油系统停机反转造成系统故障，普遍在驱动装置中设置机械防反转系统。防反转系统可以装在输出轴或输入轴上，装在输入轴上的防反转系统受到的工作扭矩远小于装在输出轴上的工作扭矩，但装置横向尺寸也相应变大。综合考虑选用防反转系统装在输入轴上的方案较好，易于调整维护。,目前机械防反转系统主要有棘轮、棘爪机构、摩擦式防反转装置、楔块防反转系统、液压防反转系统和电磁式防反转装置等方式。其中棘轮棘爪防反转因结构简单，而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩，寿命较长，现场也可以随时更换，目前是国内应用最多的一种防反转装置结构形式。,该防反转系统一般装在驱动装置输入轴上，依靠刹车带的摩擦力释放反转势能。当驱动装置工作时，棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合，防反转系统不工作。当停机时，杆柱反转带动光杆反转，这时棘爪在重力和弹簧力作用下与棘轮刹车,棘轮-棘爪式防反转装置,带啮合，防反转系统工作，依靠摩擦力避免驱动装置高速反转。通过手动旋松扭矩释放螺栓，可以将贮存在杆柱中的反转扭矩释放掉，提高了驱动装置操作维护的安全性。,不足,该系统不仅结构简单，成本低，而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩，现场也可以随时更换。,为保证防反转系统可靠工作，需要经常调整棘轮刹车带摩擦面的压紧力。,低速时，棘轮棘爪由于接触会产生噪音和磨损。,刹车带摩擦面压紧力调整及反转扭矩释放都需要人为近距离操作，而且在扭矩释放过程中，杆柱还会以一定速度反转，如果人为操作不当或刹车带摩擦面打滑，也会对操作者带来安全隐患。,1,2,3,该种防反转系统工作原理类同汽车刹车系统。当螺杆泵停机时，杆柱反转驱动液压马达，输出的液压油驱动摩擦块作用于刹车盘，缓慢释放掉弹性能。反转扭矩越大，摩擦力也越大，反转扭矩小，摩擦力也小。该种防反转系统可以完全释放掉杆柱弹性能，扭矩释放不需要人员参与，可靠性较高。不足：价格较高，液压件要求具有较高的质量，对环境条件要求较高。,液压防反转系统,失效形式：液压系统漏油，油品变质，液压马达损坏。操作性：更换维护方便，需要有专业人员操作。,安全防护技术,螺杆泵驱动装置安全防护技术是为了防止螺杆泵驱动装置的零部件破损、松脱和损坏造成人员、设备伤害的技术。驱动装置安全防护技术主要包括光杆方卡防护罩、加强型皮带罩和安全标识。光杆方卡防护罩是在螺杆泵生产井上现场安装，套在光杆方卡外面，连于螺杆泵驱动装置上端盖上，在生产中起到安全防护作用，防止方卡螺栓松脱飞出、光杆甩弯伤人问题。加强型皮带罩要求皮带罩有足够的结构强度，现场操作方便，能够避免断裂的皮带、皮带轮损坏而带来的对操作人员的伤害，对于输入轴安装的棘轮棘爪系统同样起到防护作用。安全标识主要是为操做人员提供安全警示。,带轮防护罩,方卡防护罩,螺杆泵地面驱动装置的主要技术参数及配置,螺杆泵地面驱动装置的主要技术参数：,螺杆泵地面驱动装置的主要技术参数包括：电动机功率、传动比、输出转速、轴向最大载荷、密封介质压力、密封光杆尺寸、密封介质、安全性能以及相关井口连接尺寸。这些参数一部分可以从螺杆泵地面驱动装置铭牌上得到，一部分可以从使用说明书中得到。,2、螺杆泵采油系统的地面驱动部分,电动机功率是该类型螺杆泵地面驱动装置设计所允许配置的最大电动机功率，如果所配用的电动机功率超过设计功率，可能会带来意想不到的设备损坏。目前驱动装置配用电机功率有5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、30kW等规格，电动机级数为4级、6级。为了安全的需要，螺杆泵地面驱动装置配用的电动机都是防爆电动机。,螺杆泵地面驱动配置,目前油田主要研制应用的是电动机机械驱动、有级调速、井口法兰连接的地面驱动装置，具体螺杆泵地面驱动配置参数见下表。,（1）专用井口：简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增强了井口强度，减小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换盘根时密封井口的作用。（2）光杆：强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封。（3）抽油杆扶正器：避免或减缓杆柱与管柱的磨损，使抽油杆在油管内居中，减缓抽油杆的疲劳。（4）油管扶正器：减小管柱振动。（5）抽油杆防倒转装置：防止抽油杆倒扣。（6）油管防脱装置：锚定泵和油管，防止油管脱落。（7）防蜡器：延缓原油中胶质在油管内壁沉积速度。（8）防抽空装置：地层供液不足会造成螺杆泵损坏，安装井口流量式或压力式抽空保护装置可有效地避免此现象的发生。（9）筛管：过滤油层流体。,3、螺杆泵采油系统的配套技术,（二）、螺杆泵系统的组成及功能,、螺杆泵抽油杆的发展状况,（1）、螺杆泵抽油杆,抽油杆是有杆抽油设备的重要部件，它将地面驱动装置的动力传递至井下，驱动转子旋转，实现抽汲运动。抽油杆的疲劳强度和使用寿命影响了整个螺杆泵采油系统的运转周期。抽油杆柱由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成。在螺杆泵采油系统中，抽油杆柱承受拉、压及扭力等循环载荷的作用，其工作环境为含有一定腐蚀介质的原油。因此，抽油杆的故障形式为疲劳断裂或脱扣。抽油杆的断脱事故会严重影响整个抽油系统的运转周期及原油产量，增加维护费用，提高采油成本。,螺杆泵抽油杆的发展状况,为了提高螺杆泵抽油杆工作的可靠性和使用寿命，国内外在抽油杆的材料、制造、使用、保管和维护等方面开展了大量的研究工作，并取得了一定的成果。如材料选用超高强度合金钢；采用中频感应透热设备加热；使用自动化平锻机进行锻造；采用中频感应加热淬火装置调质；利用红外光导智能测温仪器监测温度；刀具旋转抽油杆不旋转方法加工杆头螺纹；生产线上接箍自动生产；采用先进的设计方法进行模锻设计；滚压工艺加工抽油杆外螺纹；采用表面感应淬火工艺提高杆体疲劳性能等，大大提高了抽油杆的制造水平和产品质量。合理设计抽油杆结构是保证螺杆泵采油系统正常运转的前提。抽油杆柱在运转过程中，条件恶劣、受力状况复杂。国内外在抽油杆柱的运动学和动力学方面开展了许多研究工作，利用计算机编制了螺杆泵采油系统动态预测和参数优选程序，螺杆泵井诊断程序，上述研究工作提高了抽油杆的应用及理论水平。,国内各大油田在螺杆泵抽油杆的断脱机理方面开展了许多研究工作。通过对现场螺杆泵抽油杆故障类型分析，针对不同的断脱原因，采取了相应的解决措施。如通过改变抽油杆接头形式，改善螺杆泵抽油杆螺纹受力状态；合理匹配泵杆，提高承载安全系数；改进加工工艺，提高抽油杆质量等。上述实验研究，对提高螺杆泵抽油杆产品质量和现场应用水平有了很大的指导作用。,1、抽油杆的服役条件 在螺杆泵采油系统井下部件中，由抽油杆组成的抽油杆柱是全部的转动件，它受到拉、压、扭、磨、疲劳以及腐蚀介质腐蚀的联合作用，其服役条件是：,一是：承受循环载荷的作用,二是：受腐蚀介质的侵蚀作用,杆柱承受的载荷包括：抽油杆重量，液柱重量，抽油杆柱在运动中受到的摩擦阻力，驱动杆柱旋转所需要的扭矩作用，因杆柱旋转而引起的拉压作用。,油井中含有的水、硫化氢、二氧化碳、硫酸盐、微生物等腐蚀性介质，这些腐蚀介质或腐蚀微生物的存在，大大降低了抽油杆的疲劳寿命。,螺杆泵抽油杆受力分析,在螺杆泵抽油系统的井下部件中，抽油杆柱是全部的转动件，受拉、压、扭、摩、疲劳等作用力的影响严重，它是抽油系统中最关键的部分，也是问题最多的部分，研究抽油杆柱的受力状态是螺杆泵抽油理论的基础。因此，必须从受力、设计、保护等不同的角度对抽油杆进行研究。,2、螺杆泵抽油杆受力分析,螺杆泵抽油杆受力分析,1、螺杆泵井杆柱断裂原因分析,1,热处理质量,为了保证抽油杆的综合性能，必须通过热处理使其获得一定的综合力学性能，既要有一定的强度，又要有一定的塑性和韧性。,抽油杆失效原因分析,抽油杆是细长杆，细长杆在热处理上存在两大难题：一是热处理质量沿轴向均匀性不容易保证；二是变形较大，引起头部或杆体弯曲。虽然我国抽油杆厂采用热拉伸校直来解决抽油杆的变形问题，但仍然难以从根本上消除。抽油杆头部或杆体弯曲会引起很大的附加弯矩，使抽油杆发生早期疲劳断裂。,当焊接的两个部件不同心时，在焊口的表面会出现凸台，引起应力集中。如果在切削焊缝飞边时强行将凸台切去，就会造成管壁薄厚不均；当焊接的两个部件具有较好的同心度时，如果将飞边完全切去，则会降低焊接部位的强度，如果切削时留有一定的余量，同样会出现凸台，引起应力集中,如图所示。,摩擦焊接部位示意图,因锻造缺陷断裂的抽油杆,3,锻造质量,抽油杆头部的锻造必须严格控制始锻温度和终锻温度。始锻温度过高会引起“过热”或“过烧”；终锻温度过低，金属变形困难，容易产生裂纹等缺陷。观察失效抽油杆的过热组织，可以看到其晶粒粗大，这种组织大大降低了材料的强度和韧性，致使发生早期疲劳断裂。因锻造缺陷引起断裂的抽油杆如图所示。,除了过烧引起组织缺陷外，抽油杆头部锻造时产生的缺陷还有折叠、裂纹、皱折和缺肉，其中以折叠和裂纹对抽油杆的疲劳性能危害最大。由于折叠和裂纹的存在，减少了有效截面，降低了承载能力，特别是折叠和裂纹末端的应力集中，大大缩短了疲劳裂纹的萌生期，从而降低了抽油杆的疲劳寿命。,4,泵杆不匹配,有些螺杆泵井抽油杆断裂是由于泵杆匹配不合理所致。现以25mmD级抽油杆应用于GLB800-14螺杆泵为例，来分析杆柱的断裂原因。根据2001年1至6月份的统计资料显示，应用于GLB800-14螺杆泵井抽油杆中，25mmD级抽油杆故障率高，随着杆径加大，断裂比例明显下降。,25mm抽油杆在不同扬程时的安全系数,现场统计数据表明，在额定扬程8MPa下，目前用于GLB800-14螺杆泵的抽油杆所承受的扭矩为1106 Nm。对于25mmD级普通实心抽油杆，其屈服点为s620MPa，屈服扭矩为933Nm。上表给出了该抽油杆在不同扬程下的安全系数。,显然，25mm实心抽油杆应用于GLB800-14螺杆泵井，在额定举升扬程8MPa下工作，抗扭强度达不到要求。,5,冲击载荷影响,螺杆泵井在正常生产过程中，受原油物性、定子橡胶溶胀等因素影响，有时会出现卡泵现象，转子不能顺利转动，杆体承受的载荷远大于正常生产时的载荷，使剪应力过大而超过抽油杆承载极限发生断裂。另外，螺杆泵井停机后重新启动，杆柱要承受定转子之间的静吸附力作用，会对抽油杆造成冲击载荷，这种瞬间冲击载荷作用将缩短抽油杆的裂纹萌生期，加速抽油杆的疲劳破坏。,6,井身结构影响,抽油杆应用于斜井，在弯曲部位，抽油杆将受到附加弯曲应力作用，这极易造成杆柱断裂。而且随着杆体直径增大，弯曲应力也随之变大。因此，在斜井中，空心抽油杆更容易发生断裂事故。,7,泵质量问题,由于螺杆泵定转子间有一定的过盈值，转子在定子内旋转时，定子橡胶受到周期性压缩，产生摩擦面的自动升温与疲劳。在井下高温情况下，加速了橡胶分子链的重新组合，使弹性模数减小，从而降低疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结剂的强度，也加速定子橡胶的老化。高度老化的橡胶在粘结强度降低的情况下极易发生碎裂、脱落。左图某口井定子橡胶损坏脱落情况。此时杆柱将要承受正常生产时几倍以上的扭力作用，使抽油杆因超负荷运转而断裂。,定子橡胶损坏情况,8,抽油杆磨损引起断裂,抽油杆在井下工作时其受力状况较为复杂，一方面要驱动转子旋转，承受扭矩作用，另一方面要承受杆体自重，承受拉力作用，同时由于杆体自身旋转，抽油杆还要承受离心力作用。而正是由于离心力的存在，使得抽油杆与油管内壁不可避免地发生碰撞，造成杆体磨损，承载能力下降。当磨损的抽油杆承载能力无法满足正常生产所需要的扭矩时，就发生了杆体断裂事故。,由图可见，抽油杆两侧已造成明显的壁厚差异。,磨损断裂抽油杆,抽油杆失效原因分析,2、螺杆泵井杆柱脱扣原因分析,在螺杆泵应用初期，杆柱大多采用抽油机井用普通抽油杆，由于负载状况不同，杆柱脱扣事故时有发生。造成杆柱脱扣主要有以下几个方面的原因：,一是,抽油杆弹性变形能释放,抽油杆接头靠螺纹接触面之间的摩擦力，以及在预紧力作用下螺纹接头的台肩垂直面与接箍端面之间的摩擦力来抵抗脱扣扭矩的作用。在螺杆泵抽油系统中，由于抽油杆柱的扭转变形较大，在螺杆泵停机后抽油杆柱中储存的弹性变形能要释放出来，使抽油杆反转引起脱扣。,二是,液体回流影响,螺杆泵井因测试或维护临时停机时，如果动液面较深，那么管柱内液体压力将驱动井下泵转子反转。转子将带动杆柱高速反转。随着液体倒流，泵进出口压差逐渐减少，转子逐渐停止转动。而由于惯性作用，上部抽油杆仍在高速反转，反转产生的惯性扭矩一旦超过杆柱某处丝扣所能承受的扭矩时，就造成了杆柱脱扣事故。,三是,产能影响,对于一些产液能力强，特别是有自喷能力的螺杆泵井，停机后套压会很快升高，井下泵会在油套环空液压力的作用下驱动转子转动，实现自喷生产。转子将带动上部杆柱正转，使整个杆柱的螺纹处于卸扣状态。,抽油杆失效原因分析,3、螺杆泵井杆柱撸扣原因分析,螺杆泵井杆柱撸扣原因主要有以下哪几方面原因？,一是,原油中的腐蚀性介质与抽油杆螺纹接触后，对螺纹表面产生腐蚀性作用，使螺纹抗剪切能力下降；,二是,螺纹尺寸不规范，连接后螺纹间隙过大，使得实际受剪切面减小；,三是,抽油杆螺纹某处局部变形，在旋合过程中对与其接触的螺纹造成损伤，使螺纹失去了原有的承载性能。,螺杆泵抽油杆的种类及特点,1、普通抽油杆,其杆体是实心圆形断面的钢杆，两端为镦粗的杆头。杆头由螺纹接头、卸荷槽、推承面台肩、扳手方颈、凸缘和圆弧过度区组成。螺纹接头用来与接箍相连接，扳手方颈用来装卸抽油杆接头时卡抽油杆用。,普通抽油杆结构,普通抽油杆性能稳定，广泛应用于螺杆泵采油系统中，特别是在小排量螺杆泵井。当与大中排量螺杆泵配套使用时，其杆柱断脱事故率会明显上升。,锥螺纹抽油杆结构,2、锥螺纹抽油杆,锥螺纹抽油杆的基本结构与普通抽油杆大体相同：杆体也是实心或空心圆形断面的钢杆或管。杆头由外螺纹接头、卸荷槽、推承面台肩、扳手方颈、凸缘和圆弧过度区组成。其不同点为：锥螺纹抽油杆螺纹为钻杆锥螺纹。它是根据螺杆泵与钻杆运动的相似性，充分利用了钻杆螺纹的锥度和螺距大，螺纹牙齿刚度大的特点，使得抽油杆螺纹能够承受较大的预紧力而不滑扣。这种螺纹不仅具有良好的密封性，还能传递较大的轴向载荷和扭矩。,锥螺纹结构抽油杆能够实现杆体防断脱的目的，其防脱原理是：增大预紧扭矩，卸扣扭矩也随之增大。依靠这种方法，提高预紧扭矩，使卸扣扭矩提高到接近杆体的承载扭矩，抽油杆就具有了防脱扣功能。,锥螺纹抽油杆螺纹精度比普通抽油杆有更高的要求，材料硬度大，牙型厚，加工难度大。该种抽油杆具有良好的防断脱效果，特别适合于中小排量螺杆泵井应用。,3、插接式抽油杆,为了提高大中排量螺杆泵井抽油杆的防断脱性能，开发了插接式螺杆泵抽油杆，该抽油杆的结构如图。,插接式螺杆泵抽油杆结构图,插接式螺杆泵抽油杆结构示意图,插接式螺杆泵抽油杆的接头,1-杆体上接头；2-O形密封圈；3-接箍；4-杆体下接头,插接式螺杆泵抽油杆的主要结构特点是：相连接的二根抽油杆之间靠互相插入配合的扇形牙体来传递扭矩。由于牙体始终处于插接状态，并且具有足够的抗剪切强度，正反方向能够承受相同的扭矩载荷，因此达到了防脱扣的目的。,插接式螺杆泵抽油杆原则上可以适用于各种排量的螺杆泵井，但从用杆的经济性考虑，该抽油杆更适合于大中排量螺杆泵井。目前插接式螺杆泵抽油杆广泛应用于大中排量螺杆泵井中，防断脱效果较为理想。,4、钢质连续式抽油杆,为了提高大中排量螺杆泵井抽油杆的防断脱性能及下泵深度，延缓油井偏磨，高原公司开发了连续式抽油杆，使螺杆泵在斜井中成功应用。目前各类井况累计成功应用400多口井,4、钢质连续式抽油杆,圆截面连续抽油杆配合大排量螺杆泵的现场应用实践表明，使用连续杆可使螺杆泵井减低运行费用，因为取消了抽油杆接箍，使油井液流阻力大幅下降，尤其是在抽汲重油，和大排量采液的情况下。这使抽油杆和螺杆泵的工作负荷减小，从而可延长它们的工作寿命，使维修费用下降。液流阻力下降同时降低了所需的驱动功率，节约了能源。该项工艺的推广，不仅拓宽了螺杆泵和连续抽油杆的应用领域，而且为油田生产提供了更加有效的节能、增产手段。,由于目前螺杆泵均应用于腐蚀性较小的普通油井中，结合近些年油田螺杆泵抽油杆应用实际效果，推荐使用D级和HL级抽油杆作为螺杆泵井配套杆柱。,螺杆泵抽油杆力学性能,由于螺杆泵抽油主要承受的是扭矩作用，因此，杆体及接头的抗扭性能是螺杆泵的重要性能指标。对螺杆泵抽油杆进行抗扭性能检验，有利于检验抽油杆杆体、接头螺纹及各种防脱结构的承扭能力。螺杆泵抽油杆及接头的抗扭性能指标如下表。,螺杆泵抽油杆抗扭性能,螺杆泵抽油杆的配置,螺杆泵抽油杆的使用寿命不仅取决于抽油杆的产品质量，还取决于抽油杆的使用维护。即使是优质的抽油杆，使用维护不当也会引起抽油杆的断脱事故。因此，科学使用抽油杆，不断提高抽油杆的使用寿命，增加原油产量，是一个重要的问题。,科学使用抽油杆，首先必须根据螺杆泵井的生产条件选用抽油杆及其附件。目前螺杆泵还未批量应用于严重腐蚀的油井中，因此，抽 油杆的选择主要还是考虑其抗扭能力。例如小排量螺杆泵选用小直径实心抽油杆，大排量螺杆泵选用空心抽油杆等。正确使用抽油杆是保证抽油杆柱正常工作的前提。如果抽油杆柱的抗疲劳强度不够，就可能发生抽油杆断裂事故；如果抗疲劳强度富裕过大，又会增加投资，不利于降低成本。,1、抽油杆的配置,如何选配螺杆泵井抽油杆？,螺杆泵与杆柱的选配,3、螺杆泵采油配套技术,防脱管柱示意图,（2）螺杆泵管柱、杆柱防脱扶正技术,螺杆泵管柱防脱扶正技术,A、管柱防脱技术 由于螺杆泵的转子在定子内顺时针转动，工作负载直接表现为扭矩，转子扭矩作用在定子上，定子扭矩会使上部的正扣油管倒扣造成管柱脱扣，所以螺杆泵井的油管柱必须实