气田螺杆泵流量变化的影响因素研究

乔炜，王海峰，赵景龙，杨云鹏

中国石油长庆油田苏里格南作业分公司（陕西 西安 710018）

苏里格南区块气田采出水与天然气经采气支管混输至集气站，经过分离器分离、闪蒸罐沉降后使用螺杆泵密闭管输送至下游处理厂进行集中处理。当气井集中出液造成产液高峰，集气站来液速度超过采出水外输速度时，通过切换流程将一部分采出水排入地埋罐储存，待产液量平稳后再切换流程将地埋罐中的采出水外输[1]。

1 螺杆泵工作原理

1.1 结构原理

螺杆泵可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵。苏里格南区块使用的采出水外输泵属于单螺杆泵。

单螺杆泵的主要工作部件是偏心螺旋体的螺杆（称转子）和内表面呈双线螺旋面的螺杆衬套（称定子）。其工作原理是当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面又沿衬套内表面滚动，于是形成泵的密封腔室。螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体以螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体[2]，如图1所示。

图1 螺杆泵装配示意图

1.2 技术参数

C1 集气站螺杆泵型号为NWI100SH78，最高排出压力7.2 MPa，额定流量7 m3/h，额定转速322 r/min。C3 集气站螺杆泵型号为NWI110SH330，最高排出压力11 MPa，额定流量15 m3/h，额定转速139 r/min。

2 螺杆泵运行情况

C1 集气站两台螺杆泵于2013 年8 月投入使用。随着运转时间的增加，流量下降较为明显。重点分析C1集气站两台螺杆泵流量下降的原因。

2.1 运行概况

截至2020 年4 月，1 号螺杆泵累计运行28 400 h；2号螺杆泵累计运行25 200 h。1号螺杆泵运行至8 479 h 因转子断裂更换定子及转子；运行至22 466 h 因流量下降明显，更换第二套定子、转子。2 号螺杆泵运行至7 547 h因转子断裂更换定子、转子。C1站两台螺杆泵在2018 年3 月改造增加变频器实现螺杆泵软启动，运转效果良好。C1集气站两台螺杆泵流量相对较低，变频器根据工况可在30～50 Hz 自动调频运行。

2.2 流量下降情况

在不同出口压力情况下进行实际流量测算。1号螺杆泵实际流量在2.5～4 m3/h，如图2 所示。2 号螺杆泵实际流量在5.2～7 m3/h，如图3 所示，双泵同时运行实际流量在6.8～10.2 m3/h，其流量随压力变化曲线如图4所示。

图2 1号螺杆泵流量随压力变化曲线

图3 2号螺杆泵流量随压力变化曲线

图4 双泵运行流量随压力变化曲线

通过流量测算可以看出，螺杆泵实际流量随出口压力升高而降低；双泵运行时泵流量小于单泵分别运行流量之和；1号螺杆泵更换定转子后已运行5 979 h，流量衰减显著，2号螺杆泵更换定转子后已运行17 730 h，定子发生溶胀现象将转子磨损部分间隙弥补，流量反而高于1号泵。

3 螺杆泵流量下降的原因分析及对策

3.1 转子及定子的磨损

螺杆泵属于容积式泵，根据螺杆泵的工作原理，介质在转子与定子沿螺旋密封线形成的密封空间内随着转子的旋转将密封空间向下游推进。当转子、定子产生磨损时，两者之间形成的密封空间密封性能下降发生介质漏失现象，从而螺杆泵实际流量降低[3]。定子磨损情况如图5所示。

图5 定子内部磨损情况

正常情况下螺杆泵运转时液体介质有一定的润滑作用，转子与定子的磨损速度不会太快。但当介质中含有固体颗粒物时，转子与定子的磨损加剧，磨损的速度与固体颗粒物的数量、颗粒大小、颗粒坚硬程度都有一定关系。故磨损造成的流量下降是不可逆的。

螺杆泵使用初期由于转子与定子的磨损，介质输送效率呈下降趋势。使用后期，随着定子长期与介质接触产生溶胀现象，转子与定子的间隙减小，介质输送效率会有所回升。

在螺杆泵选型时，当额定流量相同的情况下选择转速越低的型号可以使泵在运行时转速更低，从而达到减缓转子及定子磨损的目的。

3.2 泵的转速及启停频次

在不考虑漏失量的情况下，螺杆泵的流量与转速成正比关系[4]。在不改变转子、定子的情况下可以通过提高转速的方式提高泵的流量，但提高转速同时会加剧转子、定子的磨损。C1站螺杆泵额定转速322 r/min，因流量较小，若通过调整变频器、调低转速则无法满足生产需求。单螺杆泵理论流量计算公式：

式中：Q为流量，L/min；e为转子偏心距，dm；d为转子横截面直径，dm；T为定子导程（转子螺距的2倍），dm；n为转速,r/min。

螺杆泵启泵时转子承受的扭矩比平稳运行时大，因此频繁启停螺杆泵也会加速转子、定子的磨损。在生产条件允许的情况下可通过降低转速以延长螺杆泵平稳运行的时间，从而减少螺杆泵启停的次数，达到延长转子、定子寿命的目的。另外在加装变频器后可实现螺杆泵的软启动，尽量降低转子在启动时承受的扭矩。并通过优化变频器的调频机制延长螺旋杆泵连续运转的时间[5]。

3.3 介质黏度的影响

除因转子、定子磨损因素造成的流量降低外，螺杆泵流量波动性降低多发生在冬季环境温度较低时。尝试在闪蒸罐注入甲醇后，螺杆泵流量恢复正常。由此得出环境温度降低虽然可能对定子的橡胶材质产生影响，但并不是螺杆泵流量降低的主要因素。结合集气站冬季清理闪蒸罐过滤器时清出糊状物的情况，冬季影响螺杆泵流量的主要因素是：温度较低使得采出水黏度增大、流动性降低甚至呈糊状，造成螺杆泵转子、定子形成的密封空间无法充满介质，从而表现出流量下降。

冬季运行中通过常态化安排向闪蒸罐每周注醇两次，每次500 L。实施注醇措施后，闪蒸罐过滤器中的糊状物显著减少，螺杆泵流量波动性降低的情况得到了明显改善。由此推测甲醇作为水合物抑制剂可以起到降低采出水黏度的作用。液体黏度计算公式：

式中：η为液体黏度，mPa·s；A、B、C、D为回归系数；T为液体温度，K。

气田采出水是一种混合液体，无法通过查询物质的回归系数计算出温度T下液体的黏度。但根据液体黏度的计算公式可知，液体黏度与温度之间呈对数函数关系。

3.4 杂质堵塞过滤器造成螺杆泵进液量不足

气田采出水中的杂质流经螺杆泵进口过滤器时附着在过滤器滤网上，经过一段时间的累积造成介质流量下降，从而使得螺杆泵进液不足导致效率下降[6]。通过实验将泵进口的篮式过滤器更换为旋流分离器后未再出现介质中的糊状物堵塞的现象。

通过增加过滤器清洗频次或注入甲醇使介质中的水合物减少，能够有效减少螺杆泵进液量不足的情况发生。

4 结论

1）转子和定子的磨损是造成螺杆泵效率下降的主要因素，现有的井下防砂及井口除砂措施有效控制了固体杂质对螺杆泵的损伤。

2）通过在进入螺杆泵之前增加沉降罐的方式进一步减少杂质进入螺杆泵，从而减缓螺杆泵效率下降。

3）对于新建集气站螺杆泵选型时可以考虑在满足使用要求的基础上适当增大泵的额定流量，通过冗余选型降低螺杆泵正常运转时的转速，减缓磨损，延长转子和定子的使用寿命。

4）通过优化变频器的调频机制延长螺杆泵连续运转的时间，减少启停次数，从而减少螺杆泵因频繁启停造成的异常磨损。