石油工程——毕业论文螺杆泵合理转速研究.doc
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1、 高等继续教育毕业设计(论文)题 目_螺杆泵合理转速研究_ 学 生_联系电话_指导教师_评 阅 人_教学站点_专 业_完成日期_ _摘 要螺杆泵采油作为一种重要的机械举升方法,具有很明显的特点和优势,其应用数量与水平正呈明显的上升趋势。分析和研究螺杆泵合理转速范围,对指导油田实际生产、实现节能降耗有着重要工程实际意义。本文通过对螺杆泵发展历史、国内外应用现状及发展趋势的调研,在介绍螺杆泵结构及工作原理的基础上,对螺杆泵工作特性曲线及其特点进行了分析;理论分析了影响螺杆泵泵效和系统效率的主要因素,主要有砂粒、定子与转子间配合间隙、温度及转速;通过给出螺杆泵进出口压差计算公式和对抽油杆进行了受力分
2、析,给出了确定螺杆泵合理转速范围的方法;利用给出的方法,编制了计算机程序,并进行了10口井的现场试验研究,结果表明本方法有效、可行。在综合分析理论研究及现场试验结果的基础上,提出了一些合理化建议,对延长螺杆泵寿命、指导螺杆泵井生产有一定应用价值。关键词:螺杆泵 工作特性曲线 转速 泵效 系统效率目 录第1章 概 述11.1 螺杆泵采油的发展历史11.2 国内外应用现状21.3 本文研究的意义及主要内容3第2章 螺杆泵的基本工作原理52.1螺杆泵的基本工作原理52.2 螺杆泵相关参数72.3 螺杆泵工作特性曲线102.4 螺杆泵最佳/合理工作区的选择11第3章 螺杆泵泵效和系统效率影响因素分析1
3、33.1砂粒的影响133.2 定子与转子间配合间隙对螺杆泵效率的影响133.3 温度的影响183.4 转速的影响18第4章 螺杆泵合理转速的研究204.1 螺杆泵进出口压差的计算204.2 抽油杆受力分析224.3 算例274.4 小结及建议34结 论36参考文献37致 谢39附录一40附录二43第1章 概 述1.1 螺杆泵采油的发展历史作为一种新型的机械采油方式螺杆泵采油核心的螺杆泵已经有了较长的发展历史,19世纪20年代中期法国人勒内莫依诺发明设计出这种泵,30年代初期,莫依诺原理获得专利权,很快便有很多公司开始生产螺杆泵1。1945年以来,螺杆泵在技术和制造工艺上都做了大量的改进和完善,
4、继法国之后,美国、前苏联以及加拿大等国家都开展了螺杆泵的研制和应用,50年代中期,莫依诺原理(Moyno Theory)被用于钻井工业中,80年代初期,螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备,美国的Kois & Myers公司是首批采油螺杆泵的制造商,他们把螺杆泵作为一种代替常规举升工艺的替代技术推向市场。我国从80年代中期将螺杆泵引入到油田生产当中,1986年大庆油田从加拿大Griffin公司引进螺杆泵在油田试用,从此,国内厂家便开始了较系统地研制井下采油螺杆泵的工作。目前,井下采油螺杆泵大致可分为以下三种结构形式2:一是地面驱动采油螺杆泵,它是井下采油螺杆泵中最简单的结构形式,也是国内外井下
5、采油螺杆泵采用的主要结构形式,其主要的特点是螺杆泵在井下,而提供动力的装置在地面之上,二者之间由抽油杆联系起来。由于是利用抽油杆传递螺杆泵所需要的扭矩,因此在大排量情况下很难实现深井采油。为地面驱动单螺杆泵提供动力的装置是驱动头。驱动头所需的动力主要由电动机或者液压马达提供。由电动机作动力的驱动头,有的采用变频调速,有的利用胶带和减速器共同调速,还有的直接利用减速器调速。利用液压马达作动力调节螺杆泵的转速非常方便。二是电动潜油单螺杆泵,它的最大特点是螺杆泵和驱动其工作的电机都处于地下,因而不需要抽油杆传递动力,特别适合于深井、斜井和水平井采油作业。较早开展这种泵研究工作的是前苏联和法国,近年来
6、,美国等发达国家也开始重视电动潜油螺杆泵的开发,并在多砂、高粘深井、定向井、水平井中采用,取得了很好的效果,在某些情况下,电动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高5倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高,大大降低了采油成本,使一些原来经济上无开采价值的油井有了良好的效益。电动潜油螺杆泵由螺杆泵、柔性轴、装有轴承的密封短节、齿轮减速器和潜油电动机等组成。三是单螺杆液动机单螺杆泵装置,这种装置将地面动力液送入井下的顶部螺杆衬套副中,以顶部螺杆衬套副作为动力,驱动底部螺杆衬套副旋转,由底部螺杆衬套副作为泵来实现采油作业,目前,这种装置在国外已投入现场应用,但数量很少。1.2 国内外应用现状在国外应用较普
7、遍的是井下采油单螺杆泵3-5,目前井下采油单螺杆泵的最大下井深度已达到2438m,最大排量已达795m3/d,泵的平均净举升高度为900m1550m,排量为80m3/d160m3/d,在这种情况下泵的系统效率在63%左右,美国一家石油公司曾对螺杆泵采油系统、电动潜油离心泵和有杆泵抽油系统三种采油设备,在水驱采油井中进行同样条件下的采油试验,试验结果表明,三种采油系统的效率分别为63.4%、52.4%、50.4%,其中螺杆泵采油系统的效率最高,此外螺杆泵采油系统的装备投资费用比另外两种采油装备低20%30%以上,螺杆泵定子的平均寿命为1年2年,地面驱动部分的寿命在5年以上。推荐螺杆泵的工作转速在
8、500r/min以下。法国PCM Pompes公司生产的地面驱动采油单螺杆泵的下井深度达到了2000m,排量为120m3/d,使用情况良好。美国Robbins & Myers公司生产的螺杆泵曾用于煤层气井排水作业。由于水中含有大量的悬浮煤粉和砂,无法应用普通泵,最后选用了螺杆泵。泵的下入深度为800m900m,平均转速为338r/min,平均排液量为47m3/d,最大排液量达到了196m3/d。在最初的阶段,水中固体颗粒浓度最高,螺杆泵定子的平均寿命仍能达到半年。一年以后,由于水中固体颗粒减少,定子和转子的平均使用寿命分别达到了1年和1.5年,最长的定转子使用寿命达4.7年,有多台达到了3.8
9、年。加拿大一家石油公司在极稠的油井中应用单螺杆泵采油,井下部分连续运转了两年没有发生故障,地面部分五年内不需要检修6,7。螺杆泵的工作寿命主要取决于定子衬套材料的性能,定子材料受到多种因素的影响,如温度、芳香族化合物、H2S等,因此深入研究不同环境条件下的定子衬套材料是提高采油螺杆泵性能和工作寿命的关键。目前,国外主要研制了4种橡胶材料作为螺杆泵定子衬套副的材料,即丁腈橡胶、超高丙烯腈含量橡胶、氢化丁腈橡胶和含氟橡胶。含氟橡胶能适应较高的温度,但机械性能不够好,因此工作寿命不长,在定子橡胶中加入添加剂对减小螺杆衬套副之间的摩擦很有益处,尤其在高含水含气井中8。转子的寿命也是影响螺杆泵工作寿命的
10、因素之一。在磨蚀和腐蚀环境下表面硼化处理的转子比表面镀铬的转子寿命长得多,试验已证明,表面硼化处理的转子寿命是表面镀铬转子的5倍。在原油开采中,螺杆泵采油井有抽油机井不可比拟的优点:首先螺杆泵采油的地面设备简单紧凑、操作安全可靠、管理方便、重量轻占地面积小、一次性投资少;其次由于螺杆泵是螺旋抽油的容积式泵,排量均匀无脉动,轴向流动流速稳定,因此没有液柱和机械传动的惯性损失,泵内无阀件和复杂的流道,所以水力损失小,故障率低而且泵效高,成为现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一,同时由于能均匀地排液和吸液,溶解气不易从原油中析出,从而减少了气体对泵效的影响,不会发生气锁,因此较适合高含气井
11、;再次螺杆泵是靠橡胶定子和镀铬转子挤压配合,使进入密封腔的流体随转子的转动从吸入端向排出端移动,而且转子和定子之间腔室位置的横截面积和体积都是相同的,腔室移动排油不存在配合间隙和余隙容积问题,不可能发生砂卡、阀失效、气锁等有杆泵常见的故障,所以适合抽汲高粘度和高含砂原油,一般的螺杆泵适合输送粘度为800 mPas以下的流体,特殊的螺杆泵能输送粘度更高的流体。与其他各种采油方式一样,螺杆泵采油也有它自身的缺点:一是容易出现定子脱胶的问题,定子脱胶的原因是由于高速旋转摩擦产生大量的热,使被硫化的橡胶在高温下老化而与钢管脱离,这就要求橡胶定子具有良好的耐磨、耐腐蚀和耐热等物理化学性质,同时,还应具有
12、良好的机械性能;再者螺杆泵的排量低,螺杆泵采油系统的排量随转数的不同而不同。随着我国各大油田开发的不断发展,油田开发的难度不断增加,如大庆油田的原油生产已经进入高含水期,为了确保稳产、高产,外国的一些低渗透油田也进入了开发阶段,在这种情况下举升设备的重要性就日显突出。螺杆泵以其优越的性能在油田生产中的作用越来越显著,目前,螺杆泵采油作为一种重要的油田举升方法,其应用数量与水平正呈明显的上升趋势,在今后的石油开采中,以螺杆泵作为举升工具的采油井数量还会继续增加。前期投产的螺杆泵井需进一步挖掘潜力,提高举升效率,即将投产的螺杆泵井需优选具有较高举升性能的螺杆泵。大庆油田自1986年引进首台螺杆泵以
13、来.经历了引进、消化吸收、自主开发3个阶段.到目前为止.地而驱动杆式螺杆泵采油技术已基本成熟配套.成为继游梁式抽油机和电潜泵之后的主力人工举升方式.而且在聚合物驱、二元复合驱和稠油油井上表现出良好的适应性。与其它人工举升方式相比.螺杆泵低投资、低能耗、对介质适应性强等优势在油田高成熟期挖潜增效的作用日益凸显。1.3 本文研究的意义及主要内容1.3.1 研究意义螺杆泵采油技术具有低成本、低能耗和适应介质能力强的特点,近几年来规模不断扩大。螺杆泵的工作特性,既有柱塞泵硬特性的特点,也有离心泵软特性的特点。从理论上讲,螺杆泵转速越高,理论排量越大,泵容积效率也越高。但在现场调参中发现,为了使螺杆泵的
14、沉没度保持在合理范围内,对高沉没度井进行上调参后,达到一定转速后,随着转速的进一步增加,螺杆泵的容积效率呈下降趋势。如果螺杆泵长期处于高速运转状态,转子与定子之间的磨损加快,单位长度内的定转子间的生热量增大,引起橡胶,定转子之间的扭矩增加,整个抽油系统的负荷上升。提高转速的同时,杆管系统受力的疲劳程度也随之增加,地面驱动装置受力条件变差,电机实耗功率增加。当转速低于一定值时,螺杆泵的容积效率很低,扬程不够,满足不了生产需要。得出螺杆泵容积效率、系统效率与转速的合理匹配关系,对指导实际生产有着重要意义。1.3.2 研究内容(1)在介绍螺杆泵结构及工作原理的基础上,对螺杆泵工作特性曲线及其特点进行
15、分析;(2)分析影响螺杆泵泵效和系统效率的主要因素;(3)给出确定螺杆泵合理转速范围的方法;(4)利用给出的方法,编制计算机程序,进行现场试验研究。第2章 螺杆泵的基本工作原理2.1螺杆泵的基本工作原理2.1.1螺杆泵的组成目前在国内外应用最为普遍的地面驱动井下单螺杆泵采油系统主要由地面驱动部分、井下泵部分、电控部分、配套工具等四部分组成9,10。如图2-1所示。1-电控箱;2-电机;3-皮带;4-方卡子;5-减速箱;6-压力表;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.图2-1 螺杆泵采油示意图(1)地面驱动部分地面驱动装置(驱动头)
16、是螺杆泵采油系统的主要地面设备,它是把动力传递给井下的螺杆泵转子,使转子实现自转和公转,实现抽汲原油的机械装置。从变速形式上分,地面驱动装置有无级调速和分级调速两种类型。机械传动的驱动装置主要由以下几部分组成:减速箱。主要作用是传递动力并实现一级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿轮传递到输出轴,输出轴联接变速箱,变速箱除了具有传递动力的作用外,还将抽油杆的轴向负荷传递到采油树上。电机。它是螺杆泵的动力源,将电能转化为机械能。一般采用防爆型三相异步机。密封盒。主要作用是防止井液流出,起密封井口的目的。方卡子。主要作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。(2)井下泵部分井下泵部分主要由抽油杆、接头、转
17、子、导向头和油管、接箍、定子、尾管等组成。为了防止油管、定子脱扣,在尾管下部应安装油管锚定装置。定子是由丁腈橡胶硫化粘接在定子管内形成的,转子由合金钢调质后,经车铣、剖光、镀铬而成。转子在定子内转动,实现抽汲功能。(3)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,确保油井的正常生产。(4)配套工具部分 专用井口。它简化了采油树,使用、维修、保养方便,同时增加了井口强度,减小了地面驱动装置的振动,起到保护光杆和换密封盒时密封井口的作用。 特殊光杆。它强度大、防断裂、光洁度高,有利于井口密封。 抽油杆防倒转
18、装置。防止了抽油杆倒扣。 油管防脱装置。锚定泵和油管,防止油管脱落。2.1.2螺杆泵采油系统工作原理螺杆泵采油系统工作时,由地面动力设备带动抽油杆柱旋转,连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动,井液从螺杆泵下部吸入,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。螺杆泵是靠空腔排油,由于定子比转子多一条螺旋线,所以在转子与定子间形成一个个互不连通的封闭腔室,当转子在定子中旋转时,封闭空腔沿轴线方向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,封闭空腔随着转子的旋转而不断变换位置,并呈现周期性的重复出现,且转子沿着自己的轴线旋转的同时又平行于定子轴线
19、并绕定子轴线沿一定的半径作圆周滚动,从而将井内的流体由底部密封腔逐级推向顶部密封腔,并逐级提高压力,这样,把杆管环空中的流体连续不断的举升到地面11,12。如图2-2所示,为单螺杆泵定子转子副,定子和转子之间形成一系列的密封腔室,转子运动时(行星运动),密封腔室在轴线方向沿螺旋线运动,按照旋向,输送原油。由于转子是由金属材料制成,而定子是由弹性材料制成,所以两者组成的密封腔室很容易在入口管路中获得较高的真空度,使泵具有自吸能力,甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。图2-2 螺杆泵定子-转子副如图2-3所示,为单螺杆泵采油系统的工作示意图,图中为转子转动180过程中,转子在定子中的位置。连续输液
20、的过程,是以连续不断地打开和关闭密封腔室而实现的。当定子转子副中吸入的第一个密封腔室的容积增加时,在它和吸入端的压差作用下,油流便进入第一个密封腔室,随着转子的转动,这个密封腔室开始封闭,并向排出端移动。就这样,油液通过一个又一个的密封腔室从吸入端被推挤到排出端,压力不断升高,排量非常均匀,从而形成稳定的环空螺旋流动。因此,螺杆泵抽油井杆管环空中井液的流动形态与抽油机井不同,是典型的稳定环空螺旋流动13。图2-3 螺杆泵工作示意图2.2 螺杆泵相关参数 2.2.1 螺杆泵的工作压力螺杆泵的工作压力取决于它的级数和每级能够承受(实现可靠密封)的压力大小。在螺杆泵结构参数确定的前提下,其级数取决于
21、其长度,长度越大,级数越多。而每级能够承受的压力大小,则取决于定子和转子的配合间隙(过盈)。2.2.2 螺杆泵的理论排量螺杆泵的理论排量为(2-1)式中 理论排量,m3/d; 偏心距,m; 转子截面直径,m; 定子导程,m; 转子转速,r/min.2.2.3 螺杆泵的容积效率螺杆泵的容积效率也常称为螺杆泵的泵效,可由下式计算: (2-2)式中 螺杆泵的实际排量,m3/d.式(2-1)和式(2-2)中偏心距、转子截面直径、定子导程都是螺杆泵的结构参数。结构参数确定后,螺杆泵的排量就只与转速和容积效率有关。2.2.4 螺杆泵的系统效率螺杆泵的系统效率可由下式计算 (2-3)式中 泵进出口压差,其中
22、、分别为泵排出口和吸入口压力,MPa; 转子的工作扭矩,Nm.上述系统效率公式中,排出压力与下泵的深度有关;取决于泵的沉没度,也与下泵深度有一定的关系;转子的工作扭矩与定子和转子的配合间隙(过盈)有关,配合得越紧,摩擦阻力矩越大。2.2.5 螺杆泵的水功率螺杆泵的水功率,即在一定的扬程下,将一定排量的井下液体举升到地面所需要的功率,也称为螺杆泵的有效功率,有 (2-4)式中 混合液密度,kg/ m3; 螺杆泵的实际排量,m3/d; 螺杆泵有效举升高度,m.其中 (2-5)式中 动液面深度,m; 油压,MPa; 套压,MPa; 混合液比重。2.2.6 螺杆泵井系统效率我们定义螺杆泵井的系统效率为
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