螺桿泵參數與泵型匹配探究及模板建立

謝凡玲（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

2015年喇嘛甸油田在用螺桿泵采油設備2100口井，平均單井產液47t/d，產油2.5t/d，動液面444m，泵效61.1%。受產量形勢影響，螺桿泵三種主要生產泵型存在參數偏大、工況運行不合理等情況。根據已知螺桿泵桿柱主要受軸向力影響的情況，當轉速發生變化，運行扭矩增加，桿管偏磨加劇，縮短單井運行周期，同時對單井泵效、有功功率等指標都存在較大影響。為了降低參數對單井的影響，研究不同泵型在泵效合理區間內的產量情況、生產狀態，繪制螺桿泵參數與泵型匹配模板，最終通過模板合理設計泵型及運行參數，優化螺桿泵單井運行狀態，達到節能降耗、延長運行周期的目的。

1 螺桿泵不同泵型水力特性分析

1.1 螺桿泵工作特性曲線影響因素

目前對螺桿泵工作特性曲線[1]（圖1）的影響還處于定性分析階段。影響螺桿泵特性曲線的因素包括轉子轉速、過盈量、流體黏度、含氣量、油井溫度、定子橡膠厚度、定子磨損等。其中，有兩個主要因素：定子與轉子間的過盈量；轉子的轉速。

1.2 螺桿泵過盈量的影響

由螺桿泵的工作原理[2]可知，要保證一定的泵效，就必須使定、轉子表面的接觸線保持充分密封，而密封的程度取決于轉子與定子間的過盈量[3]；因此，過盈量的大小直接影響泵效的高低。過盈量大可獲得較高的泵效，但抽油桿的扭矩增加，易出現油管、抽油桿斷脫現象，并且定子橡膠磨損加劇，影響泵的壽命；過盈量小雖然不易出現上述問題，但泵容易產生漏失，影響泵的容積效率，容積效率低將降低螺桿泵的系統效率；因此，要對過盈量進行合理的選擇。近年來，喇嘛甸油田廣泛使用0.1～0.2mm過盈量的螺桿泵，取得良好的應用效果（表1）。

圖1 螺桿泵工作特性曲線

表1 2014年小過盈螺桿泵使用效果統計

圖2 喇3-PS2935井不同轉速下扭矩變化曲線

1.3 螺桿泵轉速的影響

轉子的轉速能直接決定螺桿泵的排量大小，在油井產能允許的條件下，轉子的轉速越高，排量就越大。但轉速越高，抽油桿離心力就越大，抽油桿的彎曲振動就越嚴重，抽油桿接箍與油管內壁的摩擦力也就隨之增大。同時，舉升高度也將因沿程損失的增加和定子橡膠磨損的加速而下降，因此轉子的轉速不宜過高。

2 螺桿泵不同轉速下工況分析

2.1 螺桿泵扭矩工況

擬合扭矩測試曲線，對比不同轉速下扭矩，可以看出隨螺桿泵轉速的增大，扭矩逐漸增大。在螺桿泵井旋轉過程中，由于受液體黏度、定轉子摩擦狀態等不斷變化的影響，桿柱系統的扭矩并非平穩的，而存在一定振動，這種振動變化反映了井下桿柱、定轉子等設備運行工況[4]的平穩性。如圖2所示，若在較高轉速范圍（200r/min以上）和較低轉速范圍（40～50r/min）下，設備運行工況明顯不如80～120r/min轉速運行范圍平穩，其中100r/min轉速下實時工況最為平穩。

2.2 扭矩與轉速變化關系

隨著轉速增大，軸向力和旋轉雷諾數增大，不僅會使抽油桿旋轉摩阻增大，也會使液流上升流動阻力增大。在喇3-PS2935井現場測試了不同轉速下扭矩和軸向力變化（圖3）。結果表明，當轉速低于160r/min時轉速與扭矩和軸向力基本呈線性關系；當轉速超過120r/min時扭矩和軸向力大幅度上升。

圖3 喇3-PS2935不同轉速下扭矩、軸向力變化

2.3 轉速與泵效變化關系

由于螺桿泵的能量損失主要考慮容積損失，因此螺桿泵轉速與泵效有直接關系。其容積效率[5]的計算公式如下：

在泵的結構參數、橡膠材料、油液物性和泵壓等參數不變的情況下，與n成反比，即容積效率隨轉速的增大而增大，這是因為轉速增加可以有效增大舉升揚程，不同程度彌補因轉速增加而增加定子磨損造成的漏失；而與成正比。選擇合理轉速范圍可以取得螺桿泵效的最佳值，保證泵效達到較高水平。再結合扭矩工況分析，當轉速范圍在80～120r/min時，泵效水平保持在50%～70%最合理。

圖4 螺桿泵泵型與參數匹配模板

3 建立螺桿泵泵型與參數匹配模板

3.1 根據生產需要合理確定泵型

按照上述理論分析，當螺桿泵轉速范圍在80～120r/min時，螺桿泵工況穩定；根據地質預產及轉速計算所需泵的理論排量，選擇合適的泵型。

而根據泵入口壓力、入口溫度、原油物性參數、氣油比、含水率等參數，計算螺桿泵泵效；再根據油井產量Q，計算得到螺桿泵的理論排量。

計算泵效公式[6]如下：

式中：Bo——原油體積系數；

ρo——原油密度，kg/m3；

Rp——生產氣油比；

馮可兒往椅背上一仰，碩大的胸部挺得老高，聲音的底氣也顯得更足了一些：老娘的聲音所向披靡，攻無不克戰無不勝，我判斷啊，他們已經動心了。

pb——飽和壓力，MPa；

p——泵吸入口壓力，MPa；

ρw——水密度，kg/m3；

fw——井液含水率，%；

Tp——吸入口處流體溫度，℃；

Z——天然氣壓縮因子。

螺桿泵的實際理論排量與最大理論排量分別為

式中：Qth——實際理論排量，t/d；

Q——油井實際產量，t/d；

Qmax——油井最大排量，t/d；

Qthmax——最大理論排量，t/d。

根據計算結果，對照目前喇嘛甸油田常用螺桿泵的額定揚程和最大理論排量選擇螺桿泵。

3.2 螺桿泵泵型與參數匹配模板

根據上述理論分析，在合理轉速下對不同泵型螺桿泵排量進行計算；同時，根據現場實際泵效情況整合計算，并將計算結果以產量為橫坐標，轉速為縱坐標建立到二維坐標系內，形成螺桿泵泵型與參數匹配模板（圖4）。

利用該模板在方案設計時，可根據單井預產以及所對應泵型及參數進行優化設計，選擇合適的泵效，實現泵效、參數合理匹配，降低驅動桿扭矩，減緩桿管偏磨。保證單井投產后處于最優生產工況，節能降耗，延長運行周期，達到系統效率最優的目的。

2016年運用螺桿泵泵型與參數匹配模板進行方案設計和參數優化93井次，平均單井有功功率下降0.64kW，年累計節電52.1×104kWh，節約電費33.25萬元。

4 結論

1）目前影響螺桿泵特性曲線的兩大主要因素是定子與轉子間的過盈量及轉子轉速。

2）根據不同過盈值螺桿泵的試驗效果分析，0.1～0.2mm過盈量是泵效及扭矩的最優匹配值，現場運用效果良好。

3）通過轉速與螺桿泵工況分析確定轉速在80～120r/min是螺桿泵合理工況參數，可實現低能耗、經濟效益最大化。

4）根據泵效、參數、產量關系建立螺桿泵泵型與參數匹配模板，為方案優化設計帶來可操作依據。

[1]孫成巖，姚華梅，吳璽廷.應用螺桿泵工作特性曲線實現優化設計[J].油氣田地面工程，2006，25（11）：35-36.

[2]羅英俊，萬仁溥.采油技術手冊[M].北京：石油工業出版社，2005：467-468.

[3]韓修廷，王秀玲，焦振強.螺桿泵采油原理及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998：49-54.

[4]李秀梅，楊學勇，張濤，等.淺析螺桿泵扭矩隨工況變化的規律[J].油田節能，2005（1）：44-45.

[5]馬世東，崔會賀，姚光宇.油井合理井底流壓確定方法探討[J].科技咨詢導報，2007，26（3）：30-32.

[6]楊樹人，劉姝祺，范家偉，等.螺桿泵宏觀控制圖研究[J].科學技術與工程，2010（25）：25-27.