采油螺桿泵的性能模擬實驗研究

楊平(中國石化有限公司勝利油田分公司純梁采油廠)

采油螺桿泵的理論研究需要綜合理論力學、流體力學等多個學科，難度較大，而實驗研究是解決螺桿泵油氣舉升過程研究的有效途徑?？茖W合理的實驗裝置將不僅可以保證螺桿泵實驗研究的硬件支持，而且也可對理論研究成果進行驗證。采油螺桿泵性能模擬實驗裝置需要實現對油氣舉升過程的實際工況進行模擬，為螺桿泵采油技術的進一步發展提供支持，能夠創造明顯的社會與經濟效益。

一、螺桿泵性能模擬實驗裝置定位

1.功能要求

(1)水力特性。測定不同溫度、轉速、壓力條件下，螺桿泵流量、扭矩、效率及進出口介質溫度等參數；

(2)實驗全過程對螺桿泵特性監控。實時及可視化對泵內部壓力與溫度狀況進行監視與測定；

(3)靜壓實驗。驗證螺桿泵的密封效果和橡膠質量；

(4)破壞實驗。提高螺桿泵的轉速、實驗介質溫度或使用高溶脹介質等，以加速螺桿泵定子的失效，進行破壞性實驗；

(5)模擬仿真。保證實驗環境及實驗介質的重要參數與螺桿泵作業現場基本保持一致。

2.實驗要求

(1)螺桿泵在高速、高溫、高壓條件下不發生滲漏，密封部件具有很好的抗老化和抗高溫性能，需要設置異常自動報警和防護措施；

(2)對實驗全過程中螺桿泵內壓力及溫度能夠實現可視化、實時監控與檢測；

(3)認真做好管匯清洗，保證干凈徹底，能夠滿足對其他實驗介質的要求。

二、螺桿泵性能模擬實驗裝置研究

1.工藝流程設計

根據實驗介質和實驗條件，實驗工藝流程包括三個相互獨立、互不干涉的主要流程及一個輔助流程，各流程的切換只需轉換螺桿泵進出口地連接即可。

第一個主要流程是標準實驗流程，用于對標準實驗介質的實驗。主要是調節螺桿泵不同介質溫度和出口壓力，實時測定工作流量、扭矩與轉速，并通過計算得出泵的輸入與輸出功率及容積效率，從而檢測螺桿泵的水力特性。

第二個主要流程是特殊實驗流程。該實驗流程主要是實驗不同的實驗介質的混合比例及采出液中加氣等條件對螺桿泵的影響，也是通過對各參數的測定達到檢測螺桿泵的水力特性的目的。

第三個主要流程是混砂實驗流程。該流程中往混砂罐加砂，并讓混有砂的實驗介質通過螺桿泵，實驗該種條件下螺桿泵的磨損狀況。

輔助流程是清洗流程，完成對三個主要流程的清洗。在每次實驗前對將進行的主要流程進行清洗，以確保螺桿泵及各儀表處于正常工作狀態，為實驗的有效進行提供保障；另外保證不同實驗之間實驗介質不會產生相互干擾。清洗流程與特殊實驗流程共用一個流程，只需在清洗時用清洗罐替代儲液罐2即可。

2.機械傳動設計

螺桿泵采用變頻電機提供驅動動力，通過變頻器調節螺桿泵轉速。根據螺桿泵型號參數，可計算出螺桿泵小樣約為540～3000mm，再考慮螺桿泵兩端的連接接箍、轉子與定子及其連接器等，整體長度將達到8.5m長，考慮到空間限制，將該實驗裝置設計成臥式結構，前段是8.5m長的實驗檢測部分，后段是螺桿泵拆裝平臺，長為4m，總長為12.5m。

機械傳動部分可分為實驗臺和拆裝平臺兩大部分。其中實驗臺包括：①電機，選用MDSP200L1-6型6極電機，額定功率18.5千瓦，額定電流為38安培，額定扭矩是181.2Nm，極限轉速是975r/m in；②變速器，選用17BJ25-00030A型東風變速箱，有五檔變速，最大/最小變速比是7.31/1，最大輸入扭矩是550Nm；③旋轉動密封；④轉子與定子連接；⑤夾緊裝置；⑥彈性聯軸器；⑦支承輥，采用滾動支承與絲杠組合結構；⑧底座，采用焊接鋼結構將傳動、電機、變速箱等各裝置底座合成。拆裝平臺包括：①電機，選用4極1.5kw的普通電機；②變速器，選用R8-Y 5.5-4P-56.38-M 1-I型變速箱，輸出扭矩是542Nm，輸出轉速為25r/m in；③夾緊裝置采用手動夾緊；④支承輥與實驗臺共用；⑤底座，采用整體式結構，導軌移動。

3.液壓系統的設計

液壓系統主要是實現實驗臺夾緊鉗的夾緊控制。其執行元件是兩個驅動夾緊裝置的馬達。整個系統另外還包括油箱、油水過濾器、溢流閥、壓力表、液壓泵、節流閥、電磁換向閥、二位電磁閥以及油管與密封元件等。其中溢流閥與二位電磁閥調節控制系統壓力大小，并通過壓力表指示出來。節流閥通過調節進入馬達液壓油排量的大小控制液壓馬達的轉速，電磁換向閥通過切換液壓馬達進出油口來實現馬達正反轉的切換。

4.保溫與加熱設計

由于采油螺桿泵的性能模擬實驗有很多需要在高溫條件下進行，所以需要對設備和管線進行保溫處理。采用雙層保溫結構，分別選用太空絕熱瓷層和復合硅酸鹽絕熱涂料。該種結構具有較好的保溫效果、較高的機械強度，還能夠起到防水、防蒸汽的保護作用。以散熱量為基準，根據GB4272-92可計算出保溫層厚度分別為：太空絕熱瓷層厚0.5mm，復合硅酸鹽絕熱涂料厚25mm。

加熱系統主要對三個部分提高所需熱量：循環系統的介質達到實驗溫度、相關聯的設備與管匯達到實驗溫度以及設備與管線外表面的散熱。

5.安全防護、環保及布局設計

安全防護主要包括三個部分：①螺桿泵轉子、定子以及各配件的拆裝作業，實現各流程間切換的機械自動化，以降低實驗人員的勞動強度。整個系統操作力求簡便；②實驗裝置中所有暴露的轉動部件都應裝防護罩，信號線與動力線分開走線布置，在實驗區域要布置攝像頭進行監控；③管道與閥門內部要進行防腐與防銹處理，能承受10MPa壓力。

環境保護主要依據ISO9001及采油院QHSE要求，收集回收實驗過程中泄露的實驗介質，盡量減少環境污染。

系統布局首先保證實驗裝置的功能性要求，在此前提下做到系統布局的科學性和合理性。

結束語

采油螺桿泵性能模擬實驗裝置的研究實現了對螺桿泵實際工況的有效模擬與檢測，不僅可以對采油螺桿泵的制造與裝配質量進行檢測，大大增加了一次投產的成功率，而且也為采油螺桿泵的理論研究提供了有效的實驗平臺。

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