采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置研究

侯 宇

（大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453）①

螺桿泵采油作為一種新興的人工舉升方式，具有投資少、設備結構簡單、操作方便、節能效果明顯、適應性強等特點，能有效降低采油成本，提高采油效益。由于其擁有抽油機柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機采方式無法比擬的優點，因此倍受國內外油田重視［1］。

目前，對螺桿泵性能檢測主要是用單一的液壓油進行常溫試驗，得到螺桿泵的水力特性曲線，以此評價螺桿泵性能［2－3］。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置主要用于螺桿泵新產品及新工藝的科學研究，為優化螺桿泵結構參數和工作參數提供可靠的室內試驗數據。試驗泵型為油田常用（K）GLB40－42～GLB1200－14等型號螺桿泵，此試驗裝置不僅可以完成常規的水力特性曲線的測定，還具有以下功能：

1）用提高螺桿泵轉速（≤500r／min）、提高試驗介質的破壞性（高溶脹介質、加砂）、提高介質溫度等方法使螺桿泵定子加速失效，從而在實驗室再現采油螺桿泵的整個失效過程，為研究采油螺桿泵壽命提供數據支持［4］。

2）試驗介質為油、水單一介質以及任意混合比例的砂、液、氣混合介質，溫度可達150℃，可以模擬與采油螺桿泵完全一致的工作環境，對螺桿泵進行試驗［5］。

1 試驗流程

根據系統所要求的功能，采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置要在實驗室內進行多種介質、多種條件的試驗，因此本試驗裝置的工藝流程包括標準試驗流程、特殊試驗流程、混砂試驗流程和1個輔助流程——清洗流程。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置試驗流程如圖1所示。

圖1 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置工藝流程

1）標準試驗流程 主要是通過調節出口壓力及實時采集螺桿泵工作時流量、輸入轉矩、轉速，并計算螺桿泵的輸入功率、輸出功率和容積效率，從而完成螺桿泵水力特性的檢測。通過設置試驗介質的不同溫度，模擬不同的井下工作溫度，對螺桿泵的水力特性進行檢測。

2）特殊試驗流程 特殊試驗流程除了可以完成標準試驗流程的工作外，通過改變試驗介質的混合比例來模擬現場采出液對螺桿泵進行試驗，對螺桿泵的水力特性進行檢測。

3）混砂試驗流程 混砂罐內的介質通過螺桿泵再回到混砂罐，對螺桿泵進行磨損試驗。

4）清洗流程 用于對特殊試驗流程的清洗。清洗流程的作用是在檢測前對螺桿泵進行清洗，為系統各種儀表的正常工作和試驗系統的正常運行提供保證，同時保證此流程在對不同試驗介質試驗時各種介質之間不互相影響。清洗流程與特殊流程完全相同，只是在清洗時將儲液罐2更換成清洗罐。

3個主要流程是各自獨立的，需要進行某個試驗時就將相應的流程接入系統中，目的是防止不同介質之間的影響。不同流程之間的切換用高壓軟管及快換接頭來實現，方便、快捷。通過3套試驗流程，既可以完全模擬采油螺桿泵實際工況，又能夠對采油螺桿泵實施加速破壞試驗，再現采油螺桿泵失效過程。

2 機械傳動

本裝置主要是基于螺桿泵新產品、新工藝的研究而建立，試驗用泵使用小樣泵，長度為5～6個定子導程。按不同型號采油螺桿泵計算出小樣泵的長度為540～3 000mm。

采油螺桿泵極限性能模擬實驗裝置機械傳動結構如圖2所示，整個試驗裝置的機械傳動總長12.5 m，主要包括以下幾部分：

圖2 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置機械傳動結構

1）電機 是整套裝置的動力設備，為螺桿泵轉子提供旋轉的動力。采用變頻電機，利用變頻器對螺桿泵轉速進行調節。選用4級電機，功率22 kW，額定電流44.2A，額定扭矩215.5N·m，轉速975r／min，變頻器頻率變化范圍15～50Hz，通過變頻器可以將電機的轉速在292.5～975.0r／min無極調速。

2）變速器 由于試驗裝置對轉速的范圍要求較寬（50～500r／min），因此采用變速器對變頻電機的輸出轉速進行變速。選用5擋變速器，傳動比分別為1.00、1.54、2.45、4.31、7.31，通過變速器將電機的1種速度范圍轉變成5種轉速范圍，從變速器輸出的轉速為40～975r／min，即為試驗螺桿泵轉速。

3）轉矩轉速傳感器 用于檢測試驗過程中螺桿泵的轉矩和轉速，為計算螺桿泵的輸入功率提供數據。

4）動密封裝置 在試驗過程中螺桿泵的定子與機械傳動的固定部分相連，螺桿泵的轉子與機械傳動的旋轉部分相連，這樣就存在一個旋轉部分和固定部分之間的動密封問題。該動密封必須保證在10MPa的工作壓力下不泄露，而且要運轉阻力小。

5）轉子定子連接器 連接試驗螺桿泵和試驗裝置的部件。將螺桿泵的轉子與電機軸相連，螺桿泵的定子與動密封相連。

6）夾緊裝置 用來將試驗螺桿泵的定子固定在試驗裝置上，夾緊裝置承受螺桿泵工作過程中產生的扭矩。要求對中性好、夾緊可靠。

7）支承輥 對螺桿泵的定子和轉子提供支承，并且可以根據所檢測螺桿泵的直徑大小進行高度方向的調節。

8）底座 將試驗裝置機械傳動各部分連接固定。

3 測控系統

采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統主要包括：試驗裝置變頻電機的轉速調節與控制以及參數的采集2大部分。采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統如圖3所示。

圖3 采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置測控系統

1）主電機變頻調速系統 由變頻器、螺桿泵驅動電機組成。通過變頻器的頻率調節控制主電機的轉速，從而實現螺桿泵轉子轉速的無級調節。

2）轉矩轉速檢測系統 由轉矩轉速傳感器、轉矩轉速儀等組成。轉矩轉速傳感器與螺桿泵驅動軸同軸連接，工作時將轉矩、轉速轉變為電信號，再通過ADAM－4117模塊將4～20mA信號轉換成RS－485信號，經由 ADAM－4520模塊轉換成 RS－232信號輸入計算機，實現計算機數據采集。

3）泵入口壓力檢測系統 由壓力傳感器組成，數據采集方法與轉矩轉速檢測系統相同。

4）泵出口壓力控制及檢測系統 由電動調節閥、壓力傳感器組成。通過計算機或手動控制方式進行電動調節閥的開度控制，從而實現出口壓力的無級調節。應用智能數顯控制儀的超限報警控制功能，實現超壓保護。

5）流量檢測系統 由質量流量計組成，數據采集方法與轉矩轉速檢測系統相同。

6）溫度控制與檢測系統 由電加熱器、溫度傳感器、溫控儀等組成。溫控儀接收來自熱電阻的信號，據此控制電加熱器的電流值，實現試驗介質的溫度控制，通過溫控儀上RS232通訊端口完成試驗介質溫度參數的采集與計量。

4 結語

通過對采油螺桿泵極限性能模擬試驗裝置試驗流程、機械傳動以及測控系統的設計，研制出的試驗裝置可以使采油螺桿泵在不同溫度、不同壓力、不同試驗介質下工作，可以模擬采油螺桿泵各種工況；同時可以對采油螺桿泵進行高溫、高速、加砂試驗及極限性能檢測和破壞性試驗。為研究采油螺桿泵失效過程、提高螺桿泵使用壽命提供試驗數據。

［1］杜秀華.采油螺桿泵螺桿－襯套副力學特性及磨損失效研究［D］.大慶：大慶石油學院，2010.

［2］韓國有，宋玉杰，杜秀華，等.采油螺桿泵舉升性能檢測技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011.

［3］付路長，周洪濱，郭力謙，等.單螺桿泵試驗臺及測控系統設計［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：47－50.

［4］穆金峰，呂有喜，魏三林，等.超深稠油螺桿泵舉升工藝技術研究與應用［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：72－75.

［5］王永昌，杜香芝.螺桿泵試驗轉速和溫度對水力特性的影響［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：65－69.