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.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《螺杆泵井的优化设计与发展趋势.ppt(199页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、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)
2、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
3、,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
4、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,
5、“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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、/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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、、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
16、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
17、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
18、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
19、,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
20、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
21、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。
22、,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、
23、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
24、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
25、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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 螺杆 优化 设计 发展趋势
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2234442.html