聚驅螺桿泵井合理轉速設計的影響因素分析及試驗

楊盼盼（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

螺桿泵采油是油田開發過程中有效的機械采油方式之一。近年來，地面驅動螺桿泵因其技術優勢和經濟優勢，在聚驅開發中也逐步得到推廣應用。試驗表明，結合油井的工況水平和泵的不同使用時期，選擇螺桿泵的合理轉速，對泵效、泵的壽命及其高效節能優勢的發揮尤為重要。通過現場應用試驗，對螺桿泵合理的轉速范圍和相關因素進行了分析和探討。

1 轉速與油井工況的關系

螺桿泵的轉速設計應與油井的運行工況相匹配，油井的不同工況對螺桿泵的轉速設計有不同要求，下面通過螺桿泵井主要工況參數扭矩來進行分析說明。

螺桿泵扭矩可按下式計算[1]：

式中：Ma——加速度引起的慣性扭矩，N·m；

Mp——舉升扭矩，N·m；

Mf——定轉子摩擦扭矩，N·m；

My——油管中液體對單位長度油桿的摩擦扭矩，N·m；

Δp——泵吸入端與排出端壓差，MPa；

ε——轉動角加速度，rad/s2；

Jd——單位長度桿柱的轉動慣量，kg·m；

d1——抽油桿直徑，mm；

d2——油管內徑，mm；

n——螺桿泵轉速，r/min；

E——螺桿泵的螺桿偏心距，m；

D——螺桿泵的螺桿斷面直徑，m；

T——螺桿泵的襯套導程，m；

e——泵結構參數；

μ——液體黏度，m2/s；

k0——定子橡膠剛度，(N·m)/mm2；

δ ——襯套橡膠因熱溶脹增加的過盈量，mm；

δ0——定轉子間初始過盈值，mm；

f ——定轉子間的摩擦系數；

R——轉子斷面半徑，mm；

Mz——單個扶正器的摩擦扭矩，N·m；

L——泵掛深度，m；

x——某點距地面高度，m；

Nx——在深度x 以下的扶正器個數。

Mp和Mf為螺桿泵主要扭矩，并且隨轉速和液體黏度增大而增大。黏度較大時，轉速過高，不僅會引起泵的機械損失增大，而且會對抽油桿的強度造成一定的影響；所以，當抽汲液體的黏度較高時，泵轉速應降低些。

圖1～圖3為現場測試不同泵型在不同轉速下的扭矩變化曲線。由圖1～圖3可知，隨螺桿泵轉速的增大，桿柱的扭矩逐漸增大；其次，在螺桿泵井運行過程中，由于受液體黏度、定轉子摩擦狀態等不斷變化的影響，抽油桿柱的扭矩并非平穩的，而是存在一定的振動，這種振動變化綜合反映了井下抽油桿、定子、轉子等運行工況的平穩性。

從螺桿泵扭矩實際測試結果看，以GLB800 螺桿泵實測扭矩變化為例，在較高轉速（80 r/min 左右）下，螺桿泵井運行工況明顯不如較低轉速（40～50 r/min）下運行平穩，其中40 r/min 轉速下實測扭矩最為平穩。相同工況條件下，較低轉速下的螺桿泵扭矩波動幅度要低于高轉速。

從螺桿泵的結構動力學方面看，一定存在合理的轉速范圍，因為在此狀態下可以避開抽油桿的扭轉振動和橫向振動的固有頻率，以免產生共振，從而保證螺桿泵運行的平穩性[2]。

圖1 GLB800螺桿泵不同轉速下實測扭矩變化曲線

圖2 GLB300螺桿泵不同轉速下實測扭矩變化曲線

圖3 GLB150螺桿泵不同轉速下實測扭矩變化曲線

2 轉速與油井能耗的關系

現場選取GLB800 螺桿泵井，分別測試了從40～210 r/min 不同轉速下的有功功率。由圖4 可知，隨轉速的逐漸增大，螺桿泵的能耗水平逐漸上升。

圖4 百米噸液耗電量隨螺桿泵轉速變化關系曲線

同時繪制單位轉速下有功能耗增加值隨轉速變化的曲線（圖5）。在不同轉速條件下，增大單位轉速的能耗變化趨勢表明，在較高轉速范圍內，增大單位轉速而增加的能耗要比較低轉速范圍內大；說明在滿足生產需要的條件下，應在較低范圍內調整螺桿泵轉速，可以進一步降低因大幅度提高轉速所帶來的能耗明顯增加。

圖5 螺桿泵轉速增加與能耗變化曲線

以GLB800 型螺桿泵為例，在轉速為140～150 r/min 的條件下，螺桿泵增加單位轉速所對應的能耗增加趨勢較為平緩；說明從減緩能耗增加幅度方面考慮，應在此范圍內設計螺桿泵的合理轉速。

3 合理轉速分析

綜上所述，螺桿泵轉速對抽油桿扭矩、運行能耗、泵效、流體摩擦壓降等均有影響，必須綜合考慮各種因素來選取其合理轉速。以螺桿泵泵效與轉速的關系（圖6）為例，容積效率會隨著轉速增大而增大，機械效率則會隨著轉速增大而降低［3］。對于定子橡膠具有較好的溶脹特性的螺桿泵，隨使用時間增加，容積效率可逐漸增加。因此，可在應用初期低轉速運行，避免因螺桿泵轉子旋轉產生的自動升溫和壓縮疲勞導致定子橡膠老化，同時又能降低流體的摩擦壓降［4］，后期逐漸提高轉速，從而提高泵效。

圖6 不同條件影響下轉速與泵效的關系曲線[5]

4 結論

1）影響螺桿泵合理轉速的因素較多，選取合理轉速范圍時，應綜合考慮抽油桿扭矩、運行能耗、泵效等因素與螺桿泵轉速的關系。

2）根據螺桿泵轉速與抽油桿扭矩的變化關系，確定合理轉速調整范圍，可以避開抽油桿的扭轉振動和橫向振動的固有頻率，減少共振產生，從而保證螺桿泵穩定運行。

3）試驗表明，在滿足采油井生產需要的前提下，應在較低的轉速范圍內調整螺桿泵轉速，可以有效降低螺桿泵運行能耗，保證較高泵效。