螺杆泵合理转数的研究分析

高伟栋　（大庆油田有限责任公司第一采油厂）



螺杆泵合理转数的研究分析

高伟栋（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

近年来，螺杆泵举升方式及配套技术已经逐步成熟，该项技术也在整个油田得到了广泛应用。大庆油田采油一厂螺杆泵井数也从10年前的100余口增至现如今的1600多口。随着螺杆泵井基数的增大，如何尽可能延长螺杆泵的检泵周期，就成了重中之重。影响螺杆泵检泵周期的原因有很多，作业的质量、日常的维护、杆管的偏磨问题、合理的转速、出砂及蜡堵等等，这些都会减少螺杆泵的使用寿命。其中合理转数是影响螺杆泵检泵周期最主要的原因之一。通过分析影响螺杆泵转数的因素，结合沉没度、产量等实际生产参数，来确定螺杆泵合理的转数区间，提高螺杆泵井工作效率。

螺杆泵；合理转数；工作效率

螺杆泵采油是一种先进的采油工艺技术，因其质量轻、尺寸小、地面设备简单、适应黏度范围广、投资费用低、管理简便、排量调节方便、节能效果好等优点，节能效果明显以及适应性强等诸多优点被广泛应用。影响螺杆泵转数的因素主要有螺杆泵的扭矩、举升过程中力的作用、油井现场实际运行工况以及螺杆泵的泵效几大原因，其中螺杆泵的泵效与转数之间的关系尤为重要［1］。合理转数的确定直接影响螺杆泵的生产能力、检泵周期以及安全性。

1　影响螺杆泵转速因素分析

1.1转数与螺杆泵扭矩之间的关系

螺杆泵在运行过程中的主要扭矩有：举升扭矩、定子转子之间的摩擦扭矩、油管中液体对单位长度抽油杆的摩擦扭矩、加速度引起的惯性扭矩、单个扶正器引起的摩擦扭矩。其中，举升扭矩与定子转子之间的摩擦扭矩为影响螺杆泵的主要扭矩。

螺杆泵的扭矩M可按下式计算：

式中：M——螺杆泵扭矩，Nm；

Mp——举升扭矩，Nm；

Mf——定子转子之间的摩擦扭矩，Nm；

My——油管中液体对单位长度抽油杆的摩擦扭矩，Nm；

Ma——加速度引起的惯性扭矩，Nm；

Mz——单个扶正器引起的摩擦扭矩，Nm；

Nx——在深度X以下的扶正器个数；

L——泵挂深度，m；

X——某点距地面的高度，m。

通过现场实测扭矩曲线（图1）可得出以下结论：

1）螺杆泵转速与扭矩是成正比的，即随螺杆泵转速增大，扭矩也会逐渐增大。

2）由图中的波浪曲线可知，螺杆泵井运行过程中，扭矩并非平稳，而是震动的。

3）由图中曲线的振幅大小可知，螺杆泵转数过高或过低都会使螺杆泵的运行变得不平稳。

由以上结论可得，合理的转速可避免扭矩波动过大，使螺杆泵井运行更加平稳。

图1　螺杆泵在不同转速下实测扭矩变化曲线

1.2举升过程中阻力的作用

螺杆泵在运行过程中，主要受到以下几种阻力的影响。

1.2.1衬套磨蚀产生的阻力

螺杆泵衬套磨蚀主要以摩擦磨损、疲劳磨损及磨砺磨损为主。泵的衬套磨损量与工作转速的平方成正比［2］。转速越高，转子、衬套之间的滑动速度越大，衬套所受的循环载荷的频率也越大，接触区的温升也越高，这就加剧了摩擦磨损及疲劳磨损的程度。所以，从降低衬套磨损、延长泵的寿命角度来看，泵的转速不宜过高。然而，降低泵的转速会对泵的容积效率造成不利的影响。

1.2.2举升过程中产生的摩擦阻力

螺杆泵采油系统能耗的一部分要用来克服油套环空内井液上升流动的摩擦阻力，计算不同转速条件下流体上升摩擦力对合理转速同样重要。液体流动摩擦力随转速增加而增加［3］，但是不同转速范围之内液体流动摩擦力差距较大，在满足其他条件下，适当降低转速可使摩擦阻力较为明显的降低，从而能量损失也会明显降低。

1.2.3泵筒压力造成的阻力

泵正常工作时，每转1转泵将吸入管腔内一定量的液体，管腔内的压力将上升。液体受压缩，定、转子间的间隙漏失速度随着压力的增大也将有所增大。这样，随着泵不断地工作，管腔内的压力将不断上升，降低了泵效。合理调节转数可以把这种现象的影响尽可能降到最低，使泵效达到最高点。

1.3油井现场实际运行工况的影响

1.3.1原油的物性

原油的黏度增加会使泵的容积效率得到改善，因为黏度越大，分子间的作用力也就越大，表现在螺杆泵上就是密封效果越好，即在同一举升条件下，介质黏度增加，泵的容积效率会升高。

但是原油黏度大，其流动性就差，产生的流动阻力就会很大，对泵的寿命产生严重的影响。所以当地层井液黏度较大时，应将泵的转速调低些，以增加泵的检泵周期。

1.3.2溶解气量的影响

螺杆泵转子旋转把井液举升到地面，转子与定子之间会发生磨擦，磨擦产生的热量主要是靠举升的液体来带走。举升液体的含气量多，液体少，带走的热量就少，若螺杆泵的转速过高，会造成烧泵现象。因此，对于含气量多的螺杆泵井，要降低螺杆泵的转速，避免烧泵现象的发生。

1.3.3油井供液能力

螺杆泵转速的大小还应与油井自身的供液能力相匹配。若该井供液不足，却用较高的转数生产，这显然是不行的。评价油井产量的指标，做到不同的产量调整不同的合理转数，也能有效增加螺杆泵的检泵周期。

1.4螺杆泵的泵效对转数的影响

螺杆泵转速与泵效有直接的关系。泵效主要分为容积效率和机械效率。

容积效率η ν计算公式为：

式中：η ν——容积效率，%；

Kν——容积效率常数；

n——螺杆泵转数，r/min；

e——转子偏心距，mm；

D——转子直径，mm；

T——定子导程，mm；

P——泵出口压力，Mpa；

ρ——采出液体密度，kg/m3；

L——采出液举升高度，m；

δ0——泵过盈量，mm；

E——采出液黏度，mPa·s。机械效率ηm计算公式为

式中：ηm——机械效率，%；

Km——机械效率常数。

由式（2）可看出，在外在参数不变的情况下，1-ην与η成反比，即容积效率随转速的增大而增大，转速增大可有效增大举升扬程，不同程度的弥补了摩擦造成的损失。

m而降低。

因此，选择合理的转速范围，可以取得螺杆泵容积效率和机械效率的最佳平衡点，保证合理的泵效，从而延长检泵周期。

2　理论合理转数区间的确定

通过以上分析可知，螺杆泵的转数对扭矩、泵效、举升阻力、运行能耗均有不同程度的影响。其中，以转数与泵效之间的关系尤为重要。通过确定合理的泵效区间，通过公式，即可计算出理论上的合理转数区间。

泵效可由下式计算：

式中：Q——泵的实际排量，m3/d；

Qt——泵的理论排量，m3/d；

dp——螺杆截面直径，m；

T——衬套的导程，m。

通过查找资料得表1。

表1　3种螺杆泵主要技术参数　单位：m

通过日常实际管理和学习，分析认为螺杆泵的合理泵效大概在50%～70%。通过计算，大致推算出泵径为500 mm、800 mm、1200 mm的3种常用螺杆泵的理论合理转速区间见表2。

表2　3种螺杆泵理论合理转速区间

由表1和表2分析可得出结论，500 mm、800 mm、1200 mm的3种常用螺杆泵的理论合理转速区间大概是80～155 r/min。

3　螺杆泵的实际转数情况及分析

根据机房报表信息，现有水驱螺杆泵井430口，其中φ500 mm、φ800 mm和φ1200 mm的3种常用泵径，月生产天数在20 d以上正常生产的螺杆泵井142口（表3）。

表3　三种螺杆泵实际转速统计

由表3可知，在三种常用泵径螺杆泵井中，有107口井是在80～150 r/min的，低于80 r/min的井35口，没有高于155 r/min的井。由此可知，大部分螺杆泵还是符合计算出的理论合理转速区间的。

通过表3发现，有一部分螺杆泵井是低于理论合理转速区间的。转速过低会大幅度降低泵的容积效率，增大转子扭矩的波动，导致运行不平稳，工作效率也会降低。而且，过低的转速还会导致螺杆泵的防反转装置失效，从而留下安全隐患。因此，对于转速过低的螺杆泵井，应该在井底供液以及现场机况条件的允许下，适当上调转速，增加泵效。达到增产和安全生产的目的。

4　结论

1）螺杆泵的转速与很多参数和因素密切相关，螺杆泵合理转速的选取应充分考虑不同井的不同工况、不同结构参数、不同大小以及不同的使用时期等。根据实际情况合理调整转速，提高泵效，延长检泵周期，提高工作效率。

2）螺杆泵在投产运行初期应低转速运行，避免因螺杆泵转子旋转产生的温度升高和泵筒压力造成橡胶老化，同时也可以降低举升过程中的摩擦阻力，减少扭矩的波动性，避免过度磨损以及运行不稳定。运行一段时间后，可以依据产能逐渐提高转速，增加泵效，提高效率。

3）确定合理的泵效区间，就能够通过计算，得出合理的理论转速区间。在泵效在50%～70%时，3种常用泵径螺杆泵的理论合理转速区间为80～155 r/min。

4）该采油厂大部分螺杆泵是符合计算出的理论合理转速区间的。对于转速过低的螺杆泵井，应该在条件允许的情况下，适当上调转速，增加泵效。达到增产和安全生产的目的。

［1］韩俢廷.螺杆泵采油原理及应用［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998：17-18.

［2］万邦烈.单螺杆式水力机械［M］.东营：石油大学出版社，1993：36-37.

［3］陈涛平，胡靖帮.石油工程［M］.北京：石油工业出版社，2004：42-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.018

2016-09-07

（编辑贾洪来）

高伟栋，工程师，1998年毕业于大庆石油学院（石油工程专业），从事采油工程技术管理工作，E-mail：gaoweidong@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市采油一厂机关油田管理部，163111。