增壓注水螺桿泵設計研究

王 卓，童 臨，馮 琪，杜毅斐，解江濤

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

注水泵是油田注水開發工藝中一種十分重要的機械設備。早在二十世紀七八十年代，我國各大油田在經過一段時期的開發開采后，地下油層壓力大幅度下降，導致油井的采收率不斷下降，加之采油驅油技術也相對落后，因此采收率明顯下降[1]。

相繼之下，部分注水單井和注水區塊欠壓問題越來越嚴重，人們就已經意識到了發展增壓注水技術的重要性和緊迫性。增壓注水泵作為增壓注水核心部件，一直是相關部門、眾多研究所和廠家關注的焦點，相繼也投入了大量的人力和物力進行增壓注水泵的設計研發。經過多年的探索試驗，多種泵型陸續投入正式生產，并應用于我國各大油田。雖說國內的增壓注水泵在產品質量、系列化、泵效、狀態監測與故障診斷等方面與國外尚存在一定的差距，但是，到目前為止，國內的增壓注水泵的發展也逐漸向著系列化方向發展，有數十個產品類型，可以滿足國內各大油田的增壓注水需求[2]。

與此同時，對于分布零散的高壓井和一些低滲透油藏來說，單井增壓注水則顯得尤為重要。一方面，少數井完成配注需要提高注水系統的壓力會增加生產成本，影響油田開發效益，另一方面，采用單井注水，能有效改善外圍低滲透油田的注水效果，增壓注水泵能充分發揮其效用，同時使吸水差的油層得到有效利用，具有良好的發展前景[3]。

1 注水泵常見問題分析

目前，單井增壓注水多布局在地面井口附近，廣泛使用的增壓注水泵多為離心式泵和往復式柱塞泵。

1）離心式泵。其主要優點在于輸出流量均勻，平穩，額定流量大，可通過調節排出閥調節流量，且易損件少，無往復運動慣性力，使用壽命長，結構緊促，泵體相對較小，制造安裝成本低，維修費用少；包括地面離心泵和井下潛油離心泵倒置，但這兩種方式都存在泵效低和耗能大的問題，而且前者地面離心泵也存在增壓值小的問題，往往不能滿足增壓效果，后者井下離心泵存在單機發熱量大，散熱困難易燒毀電機的問題。

2）往復式泵。有效壓頭高，可滿足高壓注水要求，包括液壓驅動柱塞泵，曲柄連桿驅動柱塞泵等，這種泵大大提高了泵的工作效率；但是也存在著柱塞腐蝕，盤根漏水，泵閥承載力大，壽命短，維護工作量大的問題，同時在調整泵的排量上也有一定的難度[4]。

介于地面增壓裝置均存在著地面增壓后與井口連接處需要高壓管線和高壓泵閥連接，具有一定的安全隱患，以及以上兩種增壓注水泵型的問題所在，提出了將螺桿泵應用于單井增壓注水領域的思路，嘗試設計了一種新型的增壓注水插入式螺桿泵。

2 螺桿式增壓注水泵

螺桿式增壓注水泵系統由電機控制柜、交流伺服永磁同步電機、萬向聯軸器、承重塊、油套管四通、多級螺桿泵、封隔器等組成，其結構如圖1所示。

該增壓注水泵豎直放置在注水井井口附近，整體采用立式增壓注水的布置方式，低壓來水通過與套管四通連接進入注水系統，套管四通下端口與多級螺桿泵連接，動力由伺服電機提供，經萬向聯軸器傳遞給多級螺桿泵運轉工作，對低壓來水進一步增壓后注入到注水層。

圖1 螺桿式增壓注水泵結構示意圖

該增壓注水泵的特點：

1）注水系統選用交流永磁伺服電機來驅動，在控制柜控制下按需要實現精確控制，大大提高了工作效率，使整個系統變得高效節能；

2）螺桿泵運行轉速可調，泵的出口壓力可隨泵的級數增加而增加，吸入性能良好，流量均勻連續，振動小，噪音低；

3）采用立式布置增壓注水，整體裝置占地面積小，維護簡單，操作方便安全；

4）整個裝置機動性強，安裝移置方便，受外界氣候環境影響小，且高壓位于井下，安全可靠。

3 螺桿式增壓注水泵主要部件設計選型

1）電動機。根據流量及壓力需求，計算電動機轉速范圍，確定電動機型號，本系統采用交流永磁式同步電機，該類型的電機具有結構簡單，體積小，重量輕，損耗小，效率高的特點。

2）萬向聯軸器。系統選擇十字雙萬向聯軸器，可大大減小系統運轉引起的動載荷，十字萬向聯軸器采用整體式叉頭，使運載更具可靠性，結構緊湊，傳動效率高,噪聲低，使用壽命長，維修保養方便。

3）螺桿泵。螺桿泵類型是該系統的核心，通過對比發現，雙螺桿泵結構具有更優的工作性能。單從結構上而言，雙螺桿泵是外嚙合的螺桿泵，它利用相互嚙合，互不接觸的兩根螺桿來抽送液體，雙螺桿泵獨特的結構使它可以實現無攪拌、無脈動、平穩的輸送各種介質，由于泵體結構保證泵的工作元件內始終存有泵送液體作為密封液體，因此雙螺桿泵有很強的自吸能力，且能汽液混輸，雙螺桿泵的特殊設計還保證了泵有高的吸入性能即很小的NPSHr值。

4）軸承。根據系統工作特點，擬選擇圓錐滾子軸承來對軸向力進行平衡，由于泵在工作時會產生很大的軸向力以及些許徑向力，選擇圓錐滾子軸承對稱布置，在很大程度上減小了系統的軸向力；同時選擇外置軸承結構，在這種情況下雙螺桿泵則是工作腔同軸承分開，這種泵的結構和螺桿間存在側間隙，獨立潤滑的外置軸承允許其輸送各種非潤滑性介質。此外，調整同步齒輪使得螺桿不接觸，同時將輸出扭矩的一半傳給從動螺桿；外置軸承式雙螺桿泵具有自吸能力，而且多數泵輸送元件本身都是雙吸對稱布置，可消除軸向力，也有很大的吸高。

4 結論

1）實驗表明，將螺桿泵應用到注水工藝過程是極為可行而且有意義的。通過現場試驗發現，增壓注水螺桿泵能夠滿足注水井的配注要求，流量和壓力都能滿足實際需要，但是也存在一些問題，該增壓注水泵在工作時，存在很大的振動沖擊現象，需要考慮對電機和泵的固定及密封方式的選擇，避免系統松動不安全和注水時漏失嚴重的發生。

2）為滿足實際配注壓力，流量等要求，需要對螺桿泵核心部件螺桿轉子進行結構優化設計與分析，實現螺桿轉子結構優化和參數選擇，合理對電機和泵的密封方式進行選擇，最后達到泵整體工作性能的提升，這也是作者后續研究的主要工作。

3）該注水系統主要解決的是欠注油井的壓力需求，為分布零散的高壓井和一些低滲透油藏在注水工藝上提供了一種新思路，極大豐富了增壓注水泵類型，而且整個注水泵系統在研究與使用過程中也將會不斷向輕量化，智能化方向發展。