螺杆泵井基础知识培训教材.ppt

,螺杆泵采油 基础知识,螺杆泵工作原理及组成 1、螺杆泵工作原理：采油螺杆泵是单螺杆式水利机械的一种,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。,1）电控部分：螺杆泵井的控制部分，控制电机的起、停。2）地面部分：（驱动装置、及驱动头）是把动力传给井 下泵转子使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械 装置。3）井下部分：定子和转子。4）配套工具部分：（1）、专用井口（2）、特殊光杆（3）、抽油杆扶整器（4）、油管扶整器（5）、抽油杆防倒转装置（6）、油管防脱装置,专用井口：简化了采油树，使用、维修、保养方便。同时曾强了井口强度，减小了地面驱动装置的 震动，起到了保护光杆和换盘根是密封井口的 作用。特殊光杆：强度大、防断裂、光洁度高，有利于井口 密封。,机械密封,盘根盒,方卡,上油封,齿轮,轴承,副箱体,轴承,油杯,密封轴,光杆,皮带轮,油封,3、螺杆泵型号的表示方法：主要用螺杆泵的排量和级数来表示：例如：GLB800-14 GLB-杆式驱动井下单螺杆泵 800-泵每转排量800毫升 14-泵的总级数为14级 4、螺杆泵理论排量公式：例如：GLB800-14 单螺杆泵 实际转速n=100 转/分 理论排量公式：Q=800*100*1440*10-6=115.2 m3/d；,5、螺杆泵的理论排量由下式确定,式中 Q螺杆泵的理论排量，m3/d；E 转子的偏心距，mm；D 转子截圆直径，mm，D=2R；T 定子导程，mm，T=2t；n 转子的转速，r/min。螺杆泵的实际排量Q为 式中 螺杆泵的容积效率，%。,螺杆泵定子横截面图,由上面两个公式可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的结构参数E、D、T和工作参数n有关系。对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析表明，在E、D、T三者间存在一定的联系，就是在这三个参数维持一定比值的条件下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作。,二、螺杆泵工作特性分析 1.螺杆泵工作特性曲线 2.螺杆泵的部分离心泵特性 3.影响螺杆泵工作特性的几个因素4.影响螺杆泵使用寿命的主要因素,螺杆泵工作特性曲线,二、螺杆泵工作特性分析 1.螺杆泵工作特性曲线 2.螺杆泵的部分离心泵特性 3.影响螺杆泵工作特性的几个因素4.影响螺杆泵使用寿命的主要因素,图7-14具有过盈的螺杆泵容积效率曲线容积泵特性曲线段；拐点；离心泵特性曲线段,二、螺杆泵工作特性分析 1.螺杆泵工作特性曲线 2.螺杆泵的部分离心泵特性 3.影响螺杆泵工作特性的几个因素4.影响螺杆泵使用寿命的主要因素,过盈量对泵特性的影响=0.45mm；=0.2mm；=0.1mm,1)转子转速对螺杆泵工作特性的影响,由螺杆泵的原理可知，其定、转子间过盈在一定程度上决定了单级承压能力的大小，如上图所示，过盈量将直接影响螺杆泵工作特性。过盈小会降低举升能力，而过盈大会增加定、转子间的摩擦，降低效率。因此，定、转子间的过盈选择是螺杆泵制造的关键技术之一。,2)转子转速对螺杆泵工作特性的影响,转子转速对螺杆泵工作特性的影响162r/min；205r/min；255r/min,如上图所示的三组试验曲线就说明了随着转速的提高，在同一举升高度条件下，泵的容积效率升高；在同一容积效率条件下，泵的举升高度增加。但另一方面，由于螺杆泵的定、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和疲劳。在井温比较高的情况下，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套和橡胶结合面上粘结剂的强度，也加速定子橡胶的老化而缩短其寿命。从试验得知，自动升温值和压缩疲劳以及橡胶的老化是加载频率(即转速)的函数，因此，选择泵的适当转速是很有必要的。一般来说，近几年设计的地面驱动采油螺杆泵，最高转速均在300r/min 左右，而最常用的转速为50200r/min。对于高含砂油井，磨蚀是限制泵转速的又一重要因素。在磨蚀工况下，定子橡胶的磨损量与转速的平方成正比。因此，在高含砂油井，螺杆泵不宜高速运转。,3)定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响,4)举升介质对螺杆泵特性的影响,(1)温度对螺杆泵工作特性的影响,在同一净举升高度条件下，温度升高，螺杆泵容积效率也随之提高，图7-18所示。但试验发现，温度升高泵扭矩变化不明显。,举升介质温度对螺杆泵特性的影响(1)-清水,15度(2)-清水,30度,(2)介质粘度对螺杆泵工作特性的影响,通过室内和现场试验表明，试验介质的粘度增加也会使泵的容积效率得到改善，因为粘度越大，分子间的力就越大，外力破坏其结构就越困难，表现在螺杆泵上，就是密封效果变好，即在同一净举升高度条件下，试验介质粘度增加，泵的容积效率升高。但另一方面，抽油杆在液体介质中作旋转运动，随着介质粘度的增加，抽油杆与液体的摩擦力增加，表现为抽油杆的扭矩增加。,二、螺杆泵工作特性分析 1.螺杆泵工作特性曲线 2.螺杆泵的部分离心泵特性 3.影响螺杆泵工作特性的几个因素4.影响螺杆泵使用寿命的主要因素,影响螺杆泵使用寿命的因素很多，通过长期的实践摸索，从产品质量的角度分析其主要因素有以下几点。定、转子的加工精度及表面光洁度；定子橡胶的耐温、耐油、耐气浸性能；定子橡胶与金属外套的粘结强度；定子内腔及转子的直线度；定、转子间合理过盈量的选择；转子合理转速的确定。,1、选井选泵技术 所谓螺杆泵选井选泵技术是依靠油井的状况来合理选择螺杆泵的泵型、确定泵的工作参数，或根据某一规格的螺杆泵来选井。而螺杆泵采油井的合理工况是指油井在合理流压下生产，螺杆泵在合理工作区域内工作。由螺杆泵的工作特性曲线可知，螺杆泵同潜油电泵一样存在最佳工作区域。经过几年来的实验研究认为，把螺杆泵工作特性曲线分为A、B、C三个区域较为合理。其中A为合理工作区，B为软工作区，C为不合理工作区，如图7-21所示，区域边界的确定方法大致如下。,C区：螺杆泵在该 区工作，尽管有 效扬程较高，但 泵漏失严重，系 统效率非常低，因而螺杆泵在C区 工作很不经济，而且螺杆泵在C区 工作稳定性差，泵效与流压关系敏 感，故螺杆泵不应 在区工作。,螺杆泵合理工作区域确定,A区：螺杆泵 在该区工作，取B、C区之长，避B、C区之短，流压与排量、系统效率的关 系不敏感，生产稳定性好。,B区：螺杆泵在该区工 作，虽然泵效高，但 系统效率低，有效扬 程低，不但泵的潜能 没得到发挥，而且因 生产压差过小，油井 产能也被抑制。因此 螺杆泵不应工作在 B区。,上限：泵容积效率应大于65%；下限：泵的工作压力P Pmax30%。,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,由于螺杆泵本身结构材质以及加工工艺的复杂性，致使螺杆泵的工作特性的稳定性、互换性较差，所以在螺杆泵下井前必须对其工作特性及其加工质量进行全面检测。通过检测可以有效地避免不合格产品下井，同时为螺杆泵的选井、选泵提供技术依据，也为设计参数选择、制造工艺改进提供主要的基础依据。,2.检测技术,螺杆泵水力工作特性检测系统,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,管柱防脱技术 因为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，定子的扭矩 会使上部的正扣油管倒扣造成管柱脱扣，所以螺杆泵的 管柱必须实行防脱措施。可靠的防脱措施有两种：锚定 工具、反扣油管。,(1)管柱防脱技术 支撑卡瓦 反扣油管,图7-25a DQ0552支撑卡瓦 图7-25b 卡瓦中心管,Y221型螺杆泵不压井 机械式油管锚的应用,为解决螺杆泵井作业时压井问题，试验 应用了Y221型螺杆泵不压井机械式油管锚。该油管锚将锚定和不压井作用合二为一，连 接在螺杆泵下方，正常起下管柱时，油管锚 内部的密封套将油管密封，井下液体不能从 油管内流出，达到不压井作业的目的。,工作原理:,该油管锚与普通油管锚一样连接在螺杆泵下方，正常起下油管时,Y221型自封式油管锚内部的密封套将油管蜜封，井下液体不能从油管内流出；当需要座封时；上提管柱约50mm，右旋油管3-4圈，（多转无害、边提边转最佳），然后下放管柱，即可座封。如中途座封、或需要解封，只需上提管柱1-1.5米即可。,Y221型螺杆泵不压井机械式油管锚结构示意图,Y221自封式油管锚结构:,(2)杆柱防脱技术 抽油杆柱脱扣机理分析 抽油杆柱防脱措施,一、抽油杆柱脱扣机理分析,（1）负载扭矩过大停机后杆柱高速反转造成抽油杆脱扣 螺杆泵采油井一旦发生蜡堵、结蜡严重或卡泵时，负载扭矩会明显加大，因而整个杆柱上贮存一定量的弹性变形能，一旦停机或过载停机，杆柱内贮存的弹性变形能要释放，从而造成杆柱高速反转，特别是杆柱上部即在弹性变形能释放后，在惯性力的作用下，要继续反转，从而会使杆柱丝扣联接处倒扣，造成杆柱脱扣。（2）停机后油管内液体回流杆柱反转造成抽油杆脱扣 如果螺杆泵采油井突然停机，而且油井动液面较深，那么停机后，螺杆泵在管柱内的液力作用下，将驱动转子反转，带动杆柱反转脱扣。,（3）转子在油套环空内的液力作用下转动，造成杆柱脱扣 对于那些产液能力较强并有一定自喷能力的螺杆泵井（指大排量螺杆泵而言），一旦停机，套压会很高，螺杆泵在油套环空液力的作用下，将驱动转子正向转动，而此时转子将带动杆柱正向转动，转子转动将使整个杆柱的螺纹联接处于倒扣状态，因而会造成杆柱脱扣。（4）施工作业过程中造成杆柱脱扣 在施工过程中，如果抽油杆联接螺纹上扣扭矩不够，当转子进入定子时，转子正转，从而会使转子上部抽油杆杆柱螺纹联接不紧处发生脱扣。,1、在杆柱旋转过程中，接箍不断与油管内壁碰撞，造成杆柱脱扣。2、防脱抽油杆拨叉抗扭强度低于杆体，在传递扭矩过程中，拨叉断。,我厂螺杆泵应用葫芦岛抽油杆脱扣原因分析:,抽油杆的惯性力作用,螺杆泵用抽油杆属于细长杆，在它传递扭矩过程中，整个杆柱上存储了一定量的弹性变形能。停机时，杆体释放存储的弹性变形能，导致反转。,抽油杆在开始转动时，由于抽油杆弹性变形，则抽油杆任意截面的扭转角为：,即抽油杆储存的弹性能量相当于850m的抽油杆转16圈左右。,二、杆柱防脱技术 抽油杆柱脱扣机理分析 抽油杆柱防脱措施,1）机械防反转装置 在驱动头上安装防反转装置，使抽油杆不能反转，从而达到防止因抽油杆反转而造成的脱扣的目的，如图7-26。该装置采用定向离合器的原理，使抽油杆只能做单向转动。在离合器的外壳体上安装有刹车带。当需要上提杆柱时，可先放开刹车带，将弹性变形能释放出去，确保施工作业安全。,防反转装置原理图,2）井下回流控制阀 在螺杆泵的吸入口处，安装单向阀，使液体只能做举升方向上的单向流动。停机时，油管内的液体不能回流，抽油杆也就不会因液体回流而反转，从而达到防止因液体回流而造成的抽油杆脱扣。3）放气阀防正转 在井口安装放气阀，当套压大于阀的调定压力时，放气阀自动打开，气体进入输油管线；当套压低于阀的调定压力时，阀关闭，从而保证套压始终不致过高，降低油套环空对泵的液力作用，防止转子在液力作用下正转，实现杆柱防脱。,4）抽油杆防脱器的应用,各种规格的杆柱反转是造成螺杆泵杆柱脱扣的主要因素。杆柱反转时，当反扣扭矩大于螺纹联接扭矩时，即会造成杆柱脱扣。,防脱器工作原理及技术指标,防脱器主要由心轴、轴套、楔块三部分组成，心轴采用偏心设计。杆柱正转时，心轴将楔块带入偏心小尺寸处，带动轴套一起旋转；反转时，心轴将楔块带入偏心大尺寸处，轴套与心轴脱离，实现空转。,38mm抽油杆配套防脱器：最大外径：63mm 额定扭矩：4549N.m,25mm抽油杆配套防脱器：最大外径：52mm 额定扭矩：2775N.m,当整个杆柱承受反扭矩时，第一个 倒扣点是整个杆柱最薄弱点。而防脱器 只传递正转扭矩，不传递反转扭矩。如 果在泵上安装防脱器，那么，此点即成 为倒扣的最薄弱点，倒扣扭矩在此释放，从而保护了整个杆柱。,(3)管柱、杆柱扶正技术 管柱扶正技术 抽油杆扶正技术,管柱扶正技术 由于螺杆泵转子离心力的作用，定子受到周期性冲击产生振动，为减小或消除定子的振动需要设置扶正器。一般在定子上接头处安装较为适宜，而对于采用反扣油管的管柱，则需在定子上、下接头处分别安装扶正器。目前扶正器有两种，一种是弹簧式，一种是橡胶式。,(3)管柱、杆柱扶正技术 管柱扶正技术 抽油杆扶正技术,抽油杆扶正技术 抽油杆柱在油管内转动，杆柱的转动会引起井口的振动及杆柱与管柱的摩擦，所以抽油杆柱必须实施扶正，特别是高转速的螺杆泵井。通常在杆柱的上端即光杆附近、杆柱的下端即转子附近以及中下部一定要放置扶正器。抽油杆扶正器一般采用抗磨损的尼龙材料制造，其结构如下图。,抽油杆接箍与油管内壁碰撞是螺杆泵井杆柱断脱的又一主要原因。抽油杆接箍与油管内壁碰撞是离心力作用的结果，为克服离心力的作用，开展了抽油杆全井扶正的理论研究和现场试验工作。,全井扶正机理研究及应用,克服了由于杆柱与油管内壁磕碰造成的对抽油杆连接螺纹预紧力的破坏，同时由于附加弯矩降低，抽油杆连接螺纹所承受的拉、压交变载荷幅度大大降低，对连接螺纹预紧力的破坏能力减弱；消除了由离心力产生的杆柱与油管内壁摩擦所造成的倒扣扭矩；减小了抽油杆弯曲频率和横向运动幅度，杆柱的疲劳寿命得到延长。,全井扶正将产生三方面作用：,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,4.清防蜡解堵工艺技术(1)热洗清蜡工艺技术(2)加药清防蜡工艺技术(3)电加热解堵工艺技术,(1)热洗清蜡工艺技术 热洗清蜡工艺是柱塞泵采油普遍采用的成熟技术，对螺杆泵采油也同样适用，但因螺杆泵采油的特殊性其热洗工艺也略有不同。螺杆泵采油井定期热洗清蜡主要有以下几种方法。,空心转子螺杆泵洗井,将转子提出定子洗井 将转子上提，使其脱离定子，在油套环空注入热水进行清蜡洗井。该种方法一般用于不具备热洗流程且化学清蜡不能实施的螺杆泵井。需用吊车设备，费用高。在定子上部安装洗井阀热洗 在定子上部的管柱上，结蜡点以下，安装洗井阀。洗井时，在油套环空注入热水并在热洗温度、压力的作用下，洗井阀打开，使热水流入管柱内，实现清蜡。经现场试验，洗井阀可靠性的待进一步观察。,正常生产状态,热洗清蜡状态,螺杆泵温控洗井封隔器的应用,螺杆泵压控洗井封隔器的应用,正常生产状态,热洗清蜡状态,井下泵,自然循环热洗 在油套环空注入热水，热水经过泵 举升到油管线，该方法热洗排量小，热 水循环慢，热洗时间长，特别是对小排 量泵，因为热洗排量受泵的排量限制，清蜡效果差。大排量螺杆泵采取此种办 法热洗。即：GLB500-14型以上的螺杆泵 采取此种办法。,4.清防蜡解堵工艺技术(1)热洗清蜡工艺技术(2)加药清防蜡工艺技术(3)电加热解堵工艺技术,(2)加药清防蜡工艺技术 化学清防蜡药剂对螺杆泵的定子橡胶有一定的影响，所以采用加药清防蜡，应避免化学药剂经过泵，为此，主要采用空心杆内加药工艺。,4.清防蜡解堵工艺技术(1)热洗清蜡工艺技术(2)加药清防蜡工艺技术(3)电加热解堵工艺技术,(3)电加热解堵工艺技术 冬季温度低而原油凝固点高，含蜡量高，若因故停机时间较长会造成上部油管(结蜡点以上)内原油凝固而使螺杆泵起动困难或根本无法起动，需要解堵才能起动。电缆加热解堵是在空心抽油杆内下入活动式加热电缆，通电后电缆产生热量使油管内原油降粘解堵。如下图所示，解堵时电缆车将电缆经井口滑轮下入空心杆(已注满清水)内，当电缆下到结蜡点以下深度时通电，于是电缆放出热量经空心杆传递给油管，从而使油管内原油升温。在加热过程中要定时测量井口油温，当油温达到原油凝固点以上，起出电缆，启动螺杆泵井，从而达到解堵的目的。,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,5 抽空保护技术 由于螺杆泵的定子和转子间采用过盈配合，因此转子在定子中高速旋转时就会摩擦生热。如果产生的热量不能及时由液流携带走，定、转子间就会产生干磨、烧泵的情况。因此必须实施抽空保护技术。,流量法 该方法是通过控制井口流量来实现抽空保护的。该装置安装在螺杆泵出油管线上，当油井正常生产时，液体由管线进入该装置并推动控制头下行，当控制头下行到控流管的过流孔时，液流经过流孔进入输油管线，此时让弹簧继电器工作。螺杆泵井抽空时流经该装置的液体减少，控制头上行，拉杆上端的磁钢片复位，此时弹簧继电器停止工作(延时0.5h以内可调)，控制电控箱使螺杆泵井停止工作，起到保护泵的作用。,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,(1)过载保护技术 为了保证螺杆泵采油系统安全运转，需要实施过载保护技术，因为一旦过载会使油井出现杆断、皮带断，减速箱内的齿轮、轴承损坏，甚至烧坏电机等事故。常用的过载保护有扭矩法和电流法两种。,常用的电流过载保护法：驱动电机的工作电流直接反映了工作负载的大小，所以可在电器控制系统中设置过载保护电流，当工作电流超过设定的过载保护电流时，驱动电机停止工作，实现过载保护。,(2)欠载保护技术 欠载保护技术只是针对螺杆泵井出现杆断、脱扣、扣坏故障时为避免杆柱与管柱磨损而实施的一项保护技术。欠载保护也采用电流法，当驱动电机的工作电流接近驱动电机的空转电流时，自动停机实现欠载保护。,三、螺杆泵采油配套工艺技术 1.选井选泵技术 2.检测技术 3.管柱、杆柱防脱及扶正技术 4.清防蜡解堵工艺技术 5.抽空保护技术 6.过载欠载保护技术 7.故障诊断技术 8.测试技术,1)故障诊断方法及其故障特征 螺杆泵也同其它采油设备一样，如果管理不当、工况不合理或产品质量有问题，也会出现一系列故障。由于螺杆泵采油的特殊性，各类故障的特征反应和诊断方法同其它采油方式有所不同。螺杆泵采油井常见故障有抽油杆断脱、油管脱落、蜡堵、定子橡胶脱落等，经过几年的实践摸索和理论探讨，总结出如下诊断法。,(1)电流法就是通过测试驱动电机的工作电流，根据工作电流大小来诊断泵况的方法。电流法可以诊断如表1中的各类故障。,