地面直驅(qū)等壁厚螺桿泵采油系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

姜海峰 何艷（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

近幾年，大慶油田螺桿泵井的應(yīng)用數(shù)量迅速增加，截至2011年底，螺桿泵在用井?dāng)?shù)7 813口，已成為繼抽油機(jī)之后的第二大舉升方式。但從應(yīng)用情況看，螺桿泵檢泵周期與抽油機(jī)相比存在較大差距，系統(tǒng)效率維持在30%左右，其系統(tǒng)能耗仍然偏高。為解決這一問題，開發(fā)了地面直驅(qū)裝置和等壁厚螺桿泵，并將其集成配套應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了降低螺桿泵井能耗和生產(chǎn)成本的目的。

1 新型螺桿泵地面直驅(qū)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置是井下螺桿泵動(dòng)力輸入設(shè)備，目前油田上廣泛采用防爆型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、齒輪減速結(jié)構(gòu)。由于傳動(dòng)部件多，自身能耗大，地面效率低，在規(guī)模化應(yīng)用中，還暴露出調(diào)參困難、維護(hù)工作量大、防反轉(zhuǎn)裝置不可靠等問題。為了有效地解決傳統(tǒng)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置存在的問題，開發(fā)了新型螺桿泵直驅(qū)裝置，取消了皮帶傳動(dòng)和機(jī)械減速器部分，采用立式空心軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵光桿，簡(jiǎn)化了主體結(jié)構(gòu)。螺桿泵地面直驅(qū)裝置包括驅(qū)動(dòng)頭和控制器兩個(gè)部分。

1.1 驅(qū)動(dòng)頭部分結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)部分由方卡、機(jī)械密封、立式交流永磁電機(jī)、軸承箱、卡持密封機(jī)構(gòu)和支架等部分組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)做成空心軸結(jié)構(gòu)，光桿從電機(jī)空心軸穿過，通過方卡與電動(dòng)機(jī)輸出軸聯(lián)接，整個(gè)裝置通過底部支架法蘭坐在井口上，出油口與地面管線連接（圖1）。

1.2 工作原理

供電線路的交流電通過控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光桿旋轉(zhuǎn)，把動(dòng)力傳遞給井下抽油桿和螺桿泵，將井下流體舉升到地面，采出液經(jīng)出油口進(jìn)入地面輸油管線。調(diào)參通過控制器的面板或旋鈕的操作來實(shí)現(xiàn)。反轉(zhuǎn)控制采用柔性的電氣能耗制動(dòng)方式，桿柱的反轉(zhuǎn)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電能消耗在制動(dòng)電阻上。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1.3.1 傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果顯著

電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了傳動(dòng)部件的能量損耗；永磁電動(dòng)機(jī)沒有勵(lì)磁損失，功率因數(shù)接近1，傳動(dòng)效率高。通過室內(nèi)試驗(yàn)，直驅(qū)裝置的傳動(dòng)效率可以達(dá)到85%，相同工況條件下，比常規(guī)裝置提高約10%（圖2）。

1.3.2 安全穩(wěn)定，運(yùn)行可靠性高

直驅(qū)裝置的重心與光桿重合，對(duì)中性好，與電動(dòng)機(jī)側(cè)置式傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置相比，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更好。采用電氣能耗反轉(zhuǎn)制動(dòng)，使反轉(zhuǎn)扭矩緩慢釋放，可有效避免抽油桿脫扣、機(jī)械損壞及人身傷害事故的發(fā)生，減少了故障發(fā)生率，使系統(tǒng)運(yùn)行更安全可靠。

1.3.3 操作簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好

利用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)軟啟動(dòng)和軟停機(jī)，無須機(jī)械保護(hù)。實(shí)現(xiàn)了通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)無級(jí)調(diào)速功能，在額定電壓下，轉(zhuǎn)速在0～250 r/min之間可調(diào)。調(diào)速范圍寬，調(diào)速平滑，操作簡(jiǎn)便。

1.3.4 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)

永磁變速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以用3～4倍的額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，過載能力是300%額定轉(zhuǎn)矩，能夠滿足螺桿泵低轉(zhuǎn)速、大扭矩的啟動(dòng)要求，良好的啟動(dòng)特性和過載能力可以極大地提高系統(tǒng)適應(yīng)性，防止了“大馬拉小車”的浪費(fèi)現(xiàn)象。

2 等壁厚螺桿泵

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論分析和應(yīng)用情況表明，螺桿泵定子不僅是易損部件，而且與轉(zhuǎn)子的配合狀況直接影響螺桿泵的工作性能。常規(guī)螺桿泵定子是由丁腈橡膠澆鑄在鋼體泵筒內(nèi)形成的，襯套內(nèi)表面是雙螺旋曲面，其厚薄不均（圖3）。這種結(jié)構(gòu)存在著諸多不足：在工作條件下的溶脹、溫脹不同，降低了定子橡膠襯套的型線和尺寸精度，改變了定轉(zhuǎn)子嚙合作用，增大了摩擦損失，降低了泵工作效率和使用壽命；螺桿泵工作過程產(chǎn)生的熱量主要聚集在橡膠最厚的部分，過高的溫度使橡膠物性發(fā)生改變，導(dǎo)致定子過早失效。

因此，研制了新型等壁厚螺桿泵（圖4）,通過改變定子外管形狀，將定子橡膠襯套設(shè)計(jì)成均勻厚度，等壁厚螺桿泵定子外管形狀與橡膠襯套一致，呈雙螺旋幾何形狀。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

等壁厚螺桿泵雖然只是將易損部件——厚薄不均的定子橡膠襯套設(shè)計(jì)成均勻厚度,但其在應(yīng)用過程中表現(xiàn)的特性卻有很大的差別，與常規(guī)螺桿泵相比,這種泵具有許多優(yōu)點(diǎn)：

1）均勻的橡膠膨脹，改善了泵的工作性能。等壁厚螺桿泵定子橡膠溶脹、溫脹均勻,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有更好的型線和尺寸精度，泵密封性能好,有利于長(zhǎng)時(shí)間維持高泵效。

2）單級(jí)承壓高，提高了系統(tǒng)效率。均勻厚度的橡膠襯套在動(dòng)態(tài)過程中抵抗變形的能力好，單級(jí)承壓高。試驗(yàn)表明，在相同過盈量下，等壁厚定子螺桿泵的單級(jí)承壓能力是常規(guī)泵的3倍。因此定轉(zhuǎn)子間可以最小的過盈達(dá)到最佳的配合，運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩低，摩擦損失小，提高了泵系統(tǒng)效率。

3）良好的散熱特性，延長(zhǎng)了螺桿泵的工作壽命。等壁厚螺桿泵定子橡膠層薄且均勻，具有良好的散熱性能，可以減緩橡膠的熱老化,延長(zhǎng)泵的使用壽命，降低作業(yè)費(fèi)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

截至目前，大慶油田直驅(qū)等壁厚螺桿泵應(yīng)用87口井，已有17口井運(yùn)轉(zhuǎn)周期超過600天。通過跟蹤測(cè)試，對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺桿泵井與新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井生產(chǎn)情況進(jìn)行了對(duì)比分析（表1），統(tǒng)計(jì)井?dāng)?shù)50口。

表1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺桿泵井與直驅(qū)等壁厚螺桿泵井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過實(shí)際節(jié)能分析，可以看出新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺桿泵井泵效提高10.23個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高7.3個(gè)百分點(diǎn)，每天節(jié)電38 kWh，每年每口井可節(jié)電約13 870 kWh。平均噸液百米耗電量比傳統(tǒng)螺桿泵井低0.226 kWh，節(jié)能效果達(dá)到23.6%。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）新型螺桿泵地面直驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，高效節(jié)能，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2）等壁厚螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了定子橡膠對(duì)工況環(huán)境的敏感性，使螺桿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有更好的型線和尺寸精度，實(shí)現(xiàn)了改善螺桿泵使用性能、延長(zhǎng)泵高效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和工作壽命的目的。

3）通過實(shí)際應(yīng)用分析，新型直驅(qū)等壁厚螺桿泵井與傳統(tǒng)螺桿泵井相比，泵效和系統(tǒng)效率得到提高，節(jié)能效果更為明顯。為了突出集成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成規(guī)模化效益，應(yīng)加大直驅(qū)等壁厚螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用力度。