螺杆泵教材最终稿.ppt

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1、一、国内外应用现状及发展趋势,二、螺杆泵采油系统,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,四、螺杆泵抽油杆,五、螺杆泵采油配套技术,六、螺杆泵适应性分析,七、螺杆泵井的选泵与单井设计,八、螺杆泵井下作业及生产管理,九、螺杆泵采油的经济对比分析,十、需进一步完善和解决的问题,目 录,螺杆泵采油系统,螺杆泵采油的技术特点,一是,一次性投资少。与电动潜油泵、水力活塞泵和游梁式抽油机相比，螺杆泵的结构简单，一次性投资最低。,二是,泵效高，节能，维护费用低。由于螺杆泵工作时负载稳定，机械损失小，泵效可达90%，系统效率高。设备结构简单、体积小，维护方便。,三是,占地面积小。螺杆泵的地面装置简单，安装方便。,四

2、是,适合稠油开采。一般说来，螺杆泵适合于粘度为8000mPa.s以下的原油开采，因此多数稠油井都可应用。,五是,适应高含砂井。理论上，螺杆泵可输送含砂量达80%的砂浆，在原油中含砂量达40%的情况下也可正常生产。,六是,适应高含气井。螺杆泵不会发生气锁，因此较适合于油气混输，但井下泵入口的游离气会影响容积效率。,七是,适合于海上油田丛式井组和水平井。螺杆泵可下在斜直井段，而且设备占地面积小，因此适合于海上采油。,螺杆泵采油的技术特点,一、国内外应用现状及发展趋势,(一)螺杆泵采油技术的发展历程,(二)国内外螺杆泵应用现状,(三)螺杆泵采油技术的发展趋势,20世纪30年代中期法国的moineau

3、 发明了单螺杆泵水力机械原理以来，单螺杆泵在石油工业领域得到了广泛的应用。20世纪60年代末前苏联开发应用了潜油电泵采油系统用于井下原油的举升，并形成了排量为10-200m3/d、扬程为600-1200m的系列产品。,潜油螺杆泵 采油系统 Sketch of ESPCP oil production system,(一)螺杆泵采油技术的发展历程,地面驱动螺杆泵采油起源于20世纪80年代初期，法国、加拿大、美国和德国等相继开发并形成了排量为2-300m3/d，扬程为500-2000m的系列产品，并得到广泛应用。我国自20世纪80年代中后期开始研发地面驱动螺杆泵采油系统以来，已形成排量为2-240

4、m3/d、扬程为500-1800m的系列产品，并已在国内各大油田逐步推广应用。,地面驱动螺杆泵采油系统Sketch of surface driving PCP oil production system,大庆油田自1986年到1992年开展GLB120-27型螺杆泵的研制，初期由于螺杆泵定子质量不过关及其配套工艺技术不完善，导致现场试验井抽油杆断脱、油管脱落及泵定子脱胶现象时有发生，螺杆泵使用寿命较短。1993年至1998年针对大庆油田三次加密井采油和排液的需要，先后完成了GLB40-42和GLB75-40型螺杆泵机组的研制；针对聚合物驱油田举升的需要完成了GLB500-14和GLB800-

5、14 型螺杆泵机组的研制。,2000年至2002年针对高产液井举升和电泵井转型的需求完成了GLB1200-14型螺杆泵机组的研制；针对长期困扰螺杆泵采油技术推广应用的清防蜡和测压问题，完成了KGLB120-27和KGLB500-14型空心转子螺杆泵机组的研制，目前空心转子已形成系列化，排量、扬程和使用寿命均达到了同型号常规螺杆泵的应用水平，已成为常规螺杆泵的替代产品。,稠油井应用,加拿大约40%的重油井使用螺杆泵采油，其中一石油公司采用PCM/IFP联合公司生产的Rodemip地面驱动螺杆泵采油系统，井下部分连续运转了两年，地面部分5年。扬程2000m，排量240m3/d，驱动功率小，节约电耗

6、60-75%，投资与维护保养费用均较低。俄罗斯的螺杆泵主要应用在巴什基里亚、古比雪夫和西西伯利亚等油矿，油井最长的检泵周期为二年九个月。在姆哈诺夫斯克油田，气油比高达400m3/m3，油井最长的检泵周期为477天；在粘度为1400mPa.s的油井条件下，油井最长的检泵周期达340天，中、小排量螺杆泵的泵效达到70%。,(二)、国内外螺杆泵应用现状,1、国外应用现状,稀油井应用,在稀油井中应用螺杆泵同样有降低电力损耗、减少维护费的作用。如印尼的Melibur油田（原油粘度），从1990年开始用螺杆泵代替电潜泵采油35口，泵挂深度4000ft（1220m），最大排量2000bpd（318m3/d）

7、。结果表明，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70%，维护费减少了35%，缓解了油田电力供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，应用大排量螺杆泵80 口井，日产量160000桶（25600 m3/d），该油田原油为35API，泵挂深度1200m。,印尼的Melibur油田（原油粘度），从1990年开始用螺杆泵代替电潜泵采油35口，泵挂深度4000ft（1220m），最大排量2000bpd（318m3/d）。结果表明，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70%，维护费减少了35%，缓解了油田电力供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，应用大排量螺杆泵

8、80 口井，日产量160000桶（25600 m3/d），泵挂深度1200m。,如,稀油井中应用螺杆泵同样有降低电力损耗、减少维护费的作用。,复杂工况井应用,加拿大：井下螺杆泵被应用于含水90%，水中含盐180000mg/l、含CO2 12%和含硫7%的油井中。螺杆泵还用于水平井排砂，该油田位于Alberta东北方向，油井完井深度450750m。用盘管注入，螺杆泵采出的方法成功地清除了水平井段的砂堵。螺杆泵应用于含砂高达20%（体积比）的油井，使用寿命达到6个月。美国：西德克萨斯洲在42API的油井中成功应用螺杆泵举升。阿根廷：使用螺杆泵的最高井温达到127。利比亚：螺杆泵在芳烃含量11%（6

9、5）的油井得到成功应用。应用表明：螺杆泵有着广泛的应用前景,2、国内应用现状,螺杆泵作为一种机械采油设备，它具有其它抽油设备所不能替代的优越性，国内在制造、应用等方面都取得了长足的进步，井下泵已基本形成系列化。但是，与国外石油公司相比，我国在螺杆泵的整体技术发展和应用等方面还存在着一定差距。,应用范围,扬程可达到1800m,排量可达到240m3/d(800m),油品性质：（稠油、含砂、高含水、聚驱采油井等）,井温可达到120,直井,斜度不大于30度的斜井,(二)、国内外螺杆泵应用现状,水驱采油井应用,目前，大庆油田、华北二连油田和大港油田在水驱常规井上采用螺杆泵采油已达到一定规模。,其中：大庆

10、油田:在用水驱螺杆泵采油井1031口。华北二连油田:螺杆泵主要集中在蒙古林油田、宝力格油田和大阿北油田，在用井86口。,60.1%,83.4%,904.9m,950.4m,461d,1099d,平均,泵 效,泵 挂,检泵周期,两油田均在低产井上使用了变频调速技术，管柱锚定均采用支撑卡瓦。二连油田将生产参数远程无线监控系统应用于螺杆泵井的日常管理，在井口安装温度、压力和电流传感器，利用RPC单井配电柜远程无线传输给中控室，进行连续监控，并可以遥控启停、自动录取数据和量油。通过变频配电柜连续录取电流，能够及时发现单井的电流波动，也可以推断出扭矩的波动，及时对单井进行事故处理。,大港油田在中北部高含

11、水出砂开发区推广应用53口井，其中替代小泵生产11口井；替代大直径管式泵生产32口井；替代电泵生产7口井；长停井恢复3口井，取得了增产增效、提高生产时率、减少投资、节能降耗的效果。,目前，大庆油田在聚合物驱采油井上采用螺杆泵采油已达到一定规模，在用聚驱螺杆泵采油井513口。平均泵效 62.6 平均泵挂 929.3米 平均检泵周期 441天,聚合物驱采油井应用,目前，吉林油田、辽河油田、冀东油田和华北油田均在重油井上采用螺杆泵冷采，经过几年的矿场实践都取得了较好的效果，使螺杆泵成为重油井开采的主要举升手段。吉林套保油田在用91口井主要采用进口螺杆泵（加拿大）冷采，平均泵挂350米，平均泵效31，

12、进口螺杆泵平均使用天数为298天，国产泵使用寿命为97天，进口螺杆泵最长使用时间93 0天（仍在使用）。,稠油井应用,经 验,一是,二是,三是,井下泵采用小过盈多级数：设计扬程为1200米的井下泵要求举升压头400-600米时，泵效65-70%。,采用低速：平均转速为50转/分。,合理改变井下泵的结构：把普通的定位销改成侧开口定位销，再把下部铣扁的转子下放到开口定位销内部，螺杆泵工作时，转动的转子一直对定位销里的含砂液体产生扰动，减少了砂子沉积。,四是,采用泵挂深度置于射孔段下方，保证定子散热良好，避免烧泵。,稠油井应用,经 验,四是,采用泵挂深度置于射孔段下方，保证定子散热良好，避免烧泵。,

13、螺杆泵稠油冷采井下管柱示意图,稠油井应用,辽河油田通过多年的应用研究和实践，在螺杆泵稠油开采方面取得了丰富的经验。以海外河油田为例，2000年以来通过螺杆泵应用优化设计，确定合理的工作参数；间歇式棘爪防反转装置的研制与应用，有效地防止了螺杆泵停机后的抽油杆高速反转及杆柱断脱现象的发生；变频器在螺杆泵井上的应用，实现了螺杆泵的软启动和软停机控制和油井产液量的合理调整等技术配套措施，使螺杆泵在稠油开采方面取得了良好的应用效果，投入产出比达到1:11.2。海外河油田应用螺杆泵冷采26口井，平均检泵周期达1年。,稠油井应用,冀东油田,华北油田,重油井应用,2002年以来主要是在稠油出砂区块应用螺杆泵提

14、液，不仅解决了高104-5区块油稠，同时也解决了油井出砂影响生产的问题，提高了油田的经济效益，总体效果显著。高104-5区块共应用37口井，平均检泵周期达1年。,泽70断块共应用35口井，平均下泵深度1423m，最大下泵深度1900m，在螺杆泵开采重油井中，采用了井口加装载荷传感器的过载保护装置实现过载保护，井下加化学降粘剂降低螺杆泵载荷等八项配套工艺技术，提高了螺杆泵的开采效果，平均泵效达到80%，平均检泵周期594天，长寿井已达1592天。,大庆油田螺杆泵应用,大庆油田自1986年引进螺杆泵以来，经历了引进、消化吸收、自主开发三个阶段，“九五”期间，主要攻克了螺杆泵定转子抱死和定子橡胶脱胶

15、等技术难题，“十五”以来，主要攻克了螺杆泵热洗清蜡、驱动装置漏油、杆柱断脱和测试诊断等技术难题。到目前为止，地面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潜油离心泵之后的主力人工举升方式，而且在聚合物驱、三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含水期挖潜增效的作用日益凸显。,螺杆泵采油技术日渐成熟配套,应用规模逐步扩大,1283口,165口,373口,截止到2004年9月底，全油田在用螺杆泵井累计达到1530口，预计2004年底可突破1600口井。,螺杆泵系列逐步完善，形成了从GLB40-42到GLB1

16、200-14的大中小系列螺杆泵，排量范围2240m3/d，扬程5001800m。螺杆泵井检泵周期得到了有效延长，,297天,335天,376天,778口,(三)、螺杆泵采油技术的发展趋势,1,电动潜油螺杆泵,2,主要包括以下几种泵：金属定子螺杆泵、等壁厚定子螺杆泵、合成材料螺杆泵、插入式螺杆泵和多吸入口螺杆泵。,为满足稠油井、斜井及水平井举升的需要，应开发应用电动潜油螺杆泵。辽河油田研制成功了井下电潜螺杆泵，其系统与美国BAKER-HUGHES公司的基本相似，由地面控制系统、井下电缆、螺杆泵、保护器、减速器和电机等组成。电潜螺杆泵在辽河曙光油田和海外河滩海油田应用4口井5井次，收到良好的采油效

17、果。,探索新型螺杆泵,3,5,4,螺杆泵杆柱卸扭技术,.螺杆泵智能化控制技术,螺杆泵定子橡胶适应性研究,螺杆泵停机后，尽管驱动装置可以卡住光杆防止反转，但杆柱储存的弹性能量，以及油套管液位高差造成的螺杆泵马达效应，会造成起杆柱或拆卸井口过程高速旋转，乃至甩弯光杆，形成安全隐患，需要研发相应的停机时杆柱卸扭技术。,在螺杆泵无线工况测试诊断技术的基础上，研发螺杆泵井过载保护和无液流保护智能化控制技术，以及转速在线调整、供排关系智能监测的螺杆泵智能化控制技术，确保井下泵在水力高效区、合理工况下运行。,针对各油田不同区块原油物性的特点，研制和优选螺杆泵定子橡胶，使其与原油物性相匹配，使螺杆泵应用有针对

18、性和目的性，延长螺杆泵定子橡胶的使用期限，提高螺杆泵整体检泵周期。,一、国内外应用现状及发展趋势,二、螺杆泵采油系统,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,四、螺杆泵抽油杆,五、螺杆泵采油配套技术,六、螺杆泵适应性分析,七、螺杆泵井的选泵与单井设计,八、螺杆泵井下作业及生产管理,九、螺杆泵采油的经济对比分析,十、需进一步完善和解决的问题,目 录,二、螺杆泵采油系统,(一)螺杆泵基础知识,(二)螺杆泵运动学及动力学基础,(三)螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,(四)螺杆泵的工作特性,(五)螺杆泵泵型及结构参数,(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

19、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。,1、螺杆泵的组成

20、,1-下接头；2-限位销；3-定子；4-转子；5-上接头,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。,2.螺杆泵工作原理,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,3、螺杆泵定、转子的线数及线型,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

21、不同的概念，不应混为一谈。,定转子齿形类型主要有以下两种：以短幅外摆线的内等距线作为螺杆的原始齿形曲线，其共轭曲线作为衬套的齿形曲线。以短幅内摆线的外等距线作为衬套的原始齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形曲线。,4、螺杆泵三个基本结构参数,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。,(一)、螺杆泵基础知识,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，

22、转子与定子头数比为2:3，每转排量 120毫升，级数27。,例如,5、螺杆泵型号标注,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。,6、螺杆泵理论排量计算,理论排量公式如下：,

23、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。,7、螺杆泵的三个基本要求,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

24、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,8、螺杆泵的特点及优点,(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

25、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,啮合线方程,线啮合线方程为：,在某一时刻对于线啮合线在空间表现为间隔T/2的轴向长度的一条平面半圆（半径为R）曲线，而点啮合线表现为两条对称间距为2R的两条螺旋状曲线。,点啮合线方程为：,螺杆泵定转子的啮合分为两类啮合，一类是转子与定子衬套半圆处的啮合-线啮合，另一类啮合是转子与定子衬套直线段的啮合-点啮合。,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,A、

26、转子中心的运动规律 b、运动轨迹及速度,转子,定子,点啮合,线啮合,点啮合点速度,线啮合点速度,转子截面中心速 度,啮合点最大和最小滑动速度,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)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,1、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,地面驱动单螺杆泵采油系统的组成,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-

27、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,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。,2、螺杆泵采油系统的组成,（1）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。,(三)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,（2）

28、地面驱动部分 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、螺杆泵采油系统的组成,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

29、保温工作较难，且价格相对较高，不容易管理。（1）减速箱的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，输出轴联接光杆，由光杆通过抽油杆将动力传递到井下螺杆泵转子。减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。（2）电机是螺杆泵井的动力源，它将电能转化为机械能。一般用防爆型三相异步电机。（3）井口动密封的作用是防止井液流出，起密封井口的目的。（4）方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。,螺杆泵驱动装置,3、配套工具部分（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

30、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。,2、螺杆泵采油系统的组成,3、螺杆泵采油系统的工作原理,电机通电后旋转，经过二级减速（三角皮带和齿轮）后，通过方卡带动光杆旋转，光杆通过抽油

31、杆柱将动力传递给井下螺杆泵，螺杆泵将机械能转变为液体能，从而实现油液的有效举升。,(三)、螺杆泵采油系统的种类、组成及工作原理,(四)、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

32、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,(四)、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

33、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

34、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：,(四)、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,由分析和试验发现，采油螺杆泵能耗有如下特点：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。,(五)、螺杆泵泵型及结构参数,

35、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。大庆油田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,需要重点掌握的技术内容:螺杆泵的工作原理；螺杆泵采油系统的组成；螺杆泵采油的技术优势；螺杆泵的排量、负载和能耗特征；螺杆泵采油应用现状。,小 结,一、国内外应用现状及发展趋势,二、螺杆泵采油系统,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,四、螺杆泵抽油杆,五、螺杆泵采油配套技术,六、螺杆泵适应性分析,七、螺杆泵井的选泵与单井设计,八、螺杆泵井下作业及生产管

36、理,九、螺杆泵采油的经济对比分析,十、需进一步完善和解决的问题,目 录,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,本章主要讲解的内容：（一）螺杆泵地面驱动装置的种类、组成及工作原理（二）地面驱动装置的密封技术（三）地面驱动装置防反转及安全防护技术（四）地面驱动装置的主要技术参数及配置（五）无级调参驱动技术（六）地面电控技术,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

37、，螺杆泵地面驱动装置有不同的种类：,（一）螺杆泵地面驱动装置的种类、组成及工作原理,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,1、概念及类型划分,1、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。,1-盘根盒；2-配重；3-变速箱；4-大皮带轮；5-方卡子；6-小带轮；7-电动机；8-油管四通。,垂直电机法兰连接有级

38、调速驱动装置,直角驱动装置结构示意图,1-电动机；2-电动机支架；3-支座；4-齿轮减速系统；5-带轮传动系统；6-动密封系统；7-输出轴及方卡。,1,2,2、地面驱动装置组成、工作原理及功能,驱动装置安装于井口之上，支座下法兰与井口套管法兰或专用井口法兰螺栓连接，支座侧面出油口与井口地面输油管线联结，连接抽油杆柱的光杆穿过驱动装置通过方卡座在驱动装置输出轴上，电动机通过电线与相匹配的电控箱相连。当螺杆泵采油系统投入生产时，启动电控箱开关，电动机的动力通过皮带轮一级减速系统、齿轮二级减速系统传递到驱动装置输出轴上，输出轴通过方卡带动抽油杆柱、井下泵以合适转速旋转，并传递动力扭矩，抽吸井液。输出

39、轴的转速改变采用有级调参方式，转速级差30-60r/min。,在整个工作过程中，螺杆泵地面驱动装置要实现如下主要功能：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

40、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：,3、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,A、电动机的选择,由于螺杆泵地面驱动装置的电动机工作位置正好处于采油井口上方，井口溢漏出的气体易燃易爆，作业过程中的油水等物质会对电动机内部线路造成侵蚀，所以地面驱动装置选用的电动机必须是防（隔）爆型，防护等级为IP54或IP55。由于螺杆泵流量-压力特性曲线具有容积泵的特性，而且具有长期连续运行

41、的特点，所以电动机一般可以选择鼠笼式交流异步电动机。电动机的额定转速应根据螺杆泵的转速、地面驱动装置的减速机构来确定，一般可选用同步转速为970r/min或1470r/min的电动机，即级数为6级或4级的电动机。,Qr 螺杆泵采油井实际排量，m3/d；H 螺杆泵采油井实际有效扬程，m；螺杆泵采油井采出液密度，t/m3；0 螺杆泵采油井采出原油密度，t/m3；n w 螺杆泵采油井含水率，%；螺杆泵井筒传递效率，%；g重力加速度。,式中：,PX1.1Pr/=1.1QrHg/(86400)kW,电动机的功率选择根据采油井工况选择，具体可由下式确定:,根据上面公式计算出电动机的功率后，查电动机产品手册

42、，靠上选择电动机的功率。一般常用的螺杆泵地面驱动装置有5.5kW、7.5 kW、11kW、15kW、18.5 kW、22kW、30kW、37 kW。,B、输出轴转速的调整（调参）,由于螺杆泵采油井的理论产液量跟螺杆泵转子旋转转速成正比，所以螺杆泵采油井的产液量调整一般是通过调整转子旋转速度来进行，而转子的旋转速度与输出轴转速相同，所以通过在地面调整螺杆泵地面驱动装置输出轴转速就可以完成螺杆泵采油井的工况调整。由于齿轮减速系统一般采用恒定传动比方式，所以输出轴转速的调整一般都是通过调整带轮传动系统的大小带轮尺寸来进行，即通过更换不同规格的带轮来实现输出轴转速的调整。,输出轴转速，r/min；电动

43、机的额定转速，r/min；大带轮的节圆直径，大带轮是指安装在齿轮轴上的带轮，m；小带轮的节圆直径，小带轮是指安装在电动机输出轴上的带轮，m；弹性滑动系数；大齿轮齿数；小齿轮齿数；带轮传动系统传动比，齿轮传动系统传动比。,式中：,为了便于更换带轮，一般情况下采用在传动轴和带轮之间安装带有锥度的带轮锥套，降低更换的工作量。至于带轮的更换和皮带调整操作过程可参见具体产品使用说明书。,（二）地面驱动装置的密封技术,三、螺杆泵地面驱动装置及调控技术,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

44、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。,1、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

45、盘根;,5盘根盒;6螺栓;7井口。,光杆盘根盒动密封系统,利用盘根盒里的盘根实现光杆和装置之间的动密封，它具有结构简单、成本低，易于设计制造的特点。但是这种结构需要经常添加盘根，而且大部分井应用效果不好，易发生渗漏现象。造成驱动装置盘根盒漏油主要原因是由于光杆和盘根之间的旋转动密封工作条件恶劣，润滑不好，填料和光杆磨损严重，另外光杆旋转带来的周期性振动以及其本身表面质量不高也是造成该处密封效果差，无法实现长期有效密封的原因。而且光杆盘根盒动密封系统还带来大量无用机械损耗,光杆的长时间磨蚀还容易发生断脱故障。,地面驱动装置的密封原理,光杆盘根盒动密封系统,B、密封轴机械密封系统,密封轴机械密封系

46、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,1光杆;2油杯;3密封轴;4下置机械密封。,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。,机械密封下置油杯密封系统,B、密封轴机械密封系统,下置机械密封系统将机械密封动环固定在密封轴上，机械密封的静环固定在装置的支座上，机械密封的动环和静环实现井口动密封。密

47、封轴与装置输出轴连接成为一体，与方卡、光杆、输出轴上部盘根、机械密封的动环在齿轮副带动下一起同速旋转；油杯和机械密封的静环与箱体和支座保持绝对静止。光杆与密封轴之间的密封通过输出轴上部盘根的静密封来实现；密封轴和装置支座之间的动密封由机械密封来实现。,机械密封正常工作时，备用的盘根盒密封系统不起作用，日常管理不再有添加盘根填料的工作。当机械密封失效后而又不想更换机械密封时，就可以使用备用的盘根盒密封系统，保证驱动装置正常运转。,装有下置机械密封系统的驱动装置平均密封寿命可以达到1.5年，但是一旦失效后，现场无法人力维修更换，必须上吊车等设备才能实现维护任务。,上置机械密封系统：将机械密封系统安

48、装在驱动装置的上部。该系统将机械密封系统上移到驱动装置上部，同减速箱中的油杯配合将光杆与驱动装置之间的动密封转换成光杆与轴头的静密封、轴头与油杯之间的动密封，油杯与光杆之间为间隙配合。该密封方案相对下置机械密封系统具有结构紧凑、现场能够维修更换机械密封的优点。,采用上述机械密封系统后，不仅解决了盘根盒漏油问题，实现免维护无泄漏密封1-2年的水平；而且光杆和密封系统之间没有相互磨损，不会发生因光杆磨损而带来的光杆断脱故障。,2、减速箱下部输出轴密封技术,螺杆泵驱动装置油封、油杯结构,减速箱输入轴、输出轴和箱体之间装有四处动密封，保证箱体内的润滑油不渗漏，其中减速箱输出轴和箱体下部的动密封起着关键

49、的密封作用，一度成为驱动装置的多发故障源。驱动装置的减速箱下部输出轴密封用于解决下部输出轴、减速箱的齿轮油渗漏，保证箱体内有足够的润滑油润滑。该处的动密封现在主要有两种结构：油封密封、油杯结构密封，具体结构如右图所示。,2、减速箱下部输出轴密封技术,油杯结构密封技术解决了上述问题，它将输出轴与减速箱箱体之间的低位动密封改变成箱体与油杯之间的静密封和油杯与上部输出轴高位动密封。这样即使油杯上部高位动密封失效，也能保证减速箱箱体内有足够的润滑油保证齿轮轴承润滑。,油杯为空心圆环结构，下部通过备紧螺母连接在减速箱箱体上，利用O型圈与箱体实现静密封；上部与输出轴形成高位动密封；中间为光杆进出通道。正常

50、工作时，油杯静止不动，光杆和外部的输出轴同步旋转。由于油杯和减速箱箱体之间是静密封，很容易实现长久可靠密封，而输出轴和油杯之间的高位动密封位置远远高出减速箱齿轮油液面，齿轮油也不会从此处泄漏，从而在结构上彻底解决了减速箱输出轴下部齿轮油渗漏问题。,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。,3、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