電潛螺桿泵間隙值的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

李 云，佟慧寧，趙靜雯，楊夢(mèng)石，苑習(xí)之，謝 巍，李 芳，王麗娜，孟艷敏

1中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘

2中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司科技信息部，河北 任丘

3中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司巴彥勘探開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古 巴彥

4中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)部，河北 任丘

5中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第一采油廠，河北 任丘

1. 概述

隨著科技的快速發(fā)展，我國(guó)的螺桿泵采油技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟和完善，并能夠在地貌環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)得到廣泛的使用[1]。電潛螺桿泵是一種結(jié)合了電潛泵和普通螺桿泵兩種機(jī)采設(shè)備特征的新型無(wú)桿泵，作為一種新型采油設(shè)備[2]，與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資較少、能耗低、適用于高粘度高含砂等特殊井礦工作，對(duì)解決油井偏磨、適應(yīng)新環(huán)境的采油方式以及油井節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了顯著作用[3][4]。在電潛螺桿泵實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，井下泵定、轉(zhuǎn)子之間配合的過(guò)盈值，對(duì)于井下泵的工作特性影響很大。螺桿泵過(guò)盈量作為重要設(shè)計(jì)參數(shù)，影響因素眾多，國(guó)外威德福的阿爾弗雷德和豪爾赫提出預(yù)測(cè)螺桿鉆具定轉(zhuǎn)子過(guò)盈量的方法，斯倫貝謝的山姆巴和馬克西姆等也提出了過(guò)盈量如何選取，國(guó)內(nèi)候宇提出調(diào)整轉(zhuǎn)子直徑和偏心合理過(guò)盈量的確定方法。楊鳳艷、張彤、王哲等分別研究螺桿泵注膠過(guò)程和螺桿泵定子橡膠的磨損行為及其機(jī)理為螺桿泵過(guò)盈量影響因素提供了依據(jù)。高宇提出通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子的節(jié)圓直徑及偏心值來(lái)調(diào)整螺桿泵定轉(zhuǎn)子過(guò)盈量的方法[5] [6] [7]。以上研究都未形成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本文通過(guò)電潛螺桿泵的過(guò)盈量的分析，實(shí)現(xiàn)泵間隙值的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，螺桿泵過(guò)盈配合過(guò)緊，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)充分舉升，但會(huì)產(chǎn)生扭矩增加，磨損加快，泵效降低的后果；配合過(guò)松，又不能實(shí)現(xiàn)有效舉升，電潛螺桿泵的間隙和橡膠變形量是影響電潛螺桿泵使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵，泵的間隙過(guò)盈值為0.10～0.20 mm，啟動(dòng)時(shí)可以依靠地面電機(jī)的大扭矩強(qiáng)行啟動(dòng)，但電潛螺桿泵的泵間隙，都是采用常規(guī)地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵的間隙過(guò)盈值，電機(jī)扭矩小，經(jīng)常無(wú)法啟動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，過(guò)盈值偏大是造成電潛螺桿泵故障的主要原因，它不僅增大轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦力，而且摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)加速定子橡膠的老化，降低定子的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子抱死和定子脫膠等問(wèn)題。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況對(duì)電潛螺桿泵的泵間隙值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到轉(zhuǎn)子與定子合適的過(guò)盈值就顯得非常重要。

2. 泵間隙值確定方法

基于電潛螺桿泵中轉(zhuǎn)子的單級(jí)承受壓力與電潛螺桿泵中定子橡膠的正壓力和單級(jí)承受壓力有關(guān)的系數(shù)、定子橡膠的彈性系數(shù)和對(duì)單級(jí)承壓能力的影響系數(shù)積值，獲得電潛螺旋桿泵的工作過(guò)盈量。由工作過(guò)盈量與定子橡膠通過(guò)熱膨脹產(chǎn)生的過(guò)盈值、定子橡膠通過(guò)油膨脹產(chǎn)生的過(guò)盈值、定子橡膠在高壓條件下產(chǎn)生的收縮量和在定子橡膠與轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的磨蝕量，獲得所述電潛螺桿泵的初始過(guò)盈量。最終基于電潛螺桿泵的工作過(guò)盈量和初始過(guò)盈量獲得泵間隙值。

2.1. 工作過(guò)盈量的確定

工作過(guò)盈量即電潛螺桿泵在工作時(shí)的過(guò)盈量，工作過(guò)盈量用于保證泵在工作時(shí)的壓差和滿足油井舉升的需要。而工作過(guò)盈量的大小與橡膠的平均厚度和彈性模量有關(guān)。在工作中，定子橡膠的正壓力越大，壓縮后所產(chǎn)生的形變值越大，進(jìn)而工作過(guò)盈量越大[8]。

根據(jù)胡克定律確定電潛螺桿泵中定子橡膠的正壓力，之后，通過(guò)轉(zhuǎn)子的單級(jí)承受壓力獲得工作過(guò)盈量δ。

其中，δ為工作過(guò)盈量；

a為與定子橡膠的正壓力和單級(jí)承受壓力有關(guān)的系數(shù)；

k為彈性系數(shù)；

c為對(duì)單級(jí)承壓能力的影響系數(shù)積值；

H為轉(zhuǎn)子的單級(jí)承受壓力。

2.2. 初始過(guò)盈量的確定

在獲得工作過(guò)盈量之后，通過(guò)工作過(guò)盈量獲得初始過(guò)盈量。在設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)就是初始過(guò)盈量。初始過(guò)盈量就是電潛螺桿泵在加工完畢后下井之前，在室溫空氣中所測(cè)得的過(guò)盈量，即電潛螺桿泵的過(guò)盈間隙值1δ[9]。

其中，δ1為初始過(guò)盈量，單位為mm；

δ2為定子橡膠通過(guò)熱膨脹產(chǎn)生的過(guò)盈值，單位為mm；

δ3為定子橡膠通過(guò)油溶脹產(chǎn)生的過(guò)盈值，單位為mm；

δ4為定子橡膠在高壓條件下產(chǎn)生的收縮量，單位為mm；

δ5為定子橡膠與轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的磨蝕量，單位為mm；

δ為工作過(guò)盈量。

2.3. 泵間隙值的確定

在獲得工作過(guò)盈量和初始過(guò)盈量之后，工作過(guò)盈量和初始過(guò)盈量形成的區(qū)間值作為泵間隙值δ3，見圖1 [10] [11] [12]。

其中，δ3為定子橡膠通過(guò)油溶脹產(chǎn)生的過(guò)盈值；

w為定子橡膠通過(guò)油溶脹的溶脹率；

E為定子的偏心距；

r為轉(zhuǎn)子的半徑；

R為定子的外殼內(nèi)徑。

Figure 1. Schematic diagram of stator rubber before and after swelling圖1. 定子橡膠溶脹前后示意圖

由此可知，定子橡膠通過(guò)油溶脹產(chǎn)生的過(guò)盈值為基于定子橡膠膨脹面積、定子橡膠溶脹率、定子的偏心距、定子的外殼內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子的半徑獲得的值。

3. 系統(tǒng)效率綜合評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)例

X 油田平均泵深1000 m 左右，動(dòng)液面范圍500～800 m，油管液柱壓力約6.5 MPa，井口回壓不高于0.5 MPa，管內(nèi)延程阻力1.0 MPa，所以電潛螺桿泵在舉升壓頭8.0 MPa 的條件下，容積效率達(dá)到60%即可滿足油田不同區(qū)塊不同油井的舉升要求。根據(jù)電潛螺桿泵的排量設(shè)計(jì)了定子與轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈量配合尺寸，分別對(duì)不同的泵間隙值的電潛螺桿泵分別進(jìn)行室內(nèi)性能檢測(cè)，并對(duì)整套機(jī)組在試驗(yàn)井進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)不同螺桿泵的定子與轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈量(即泵間隙值)做進(jìn)一步的優(yōu)選和修正。通過(guò)觀察不同定子與轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈量相配合的條件下，電潛螺桿泵的水力工作特性，以評(píng)價(jià)并優(yōu)選合理的過(guò)盈量。試驗(yàn)方案逐項(xiàng)進(jìn)行，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，定子和轉(zhuǎn)子過(guò)盈量配合參數(shù)見表1。

Table 1. Interference coordination parameter table of stator and rotor表1. 定子和轉(zhuǎn)子過(guò)盈量配合參數(shù)表

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)井的整套機(jī)組試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)6 小時(shí)以上壓力升高、排量增加，說(shuō)明在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)后井筒溫度上升，定子橡膠膨脹，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙減小。

試驗(yàn)結(jié)果表明，同等轉(zhuǎn)速下改進(jìn)后的泵出口壓力為8.0 MPa 時(shí)，容積效率達(dá)到60%以上，因此可以滿足油田不同區(qū)塊不同油井的舉升要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在泵舉升壓力為8.0 MPa 的條件下，GLB75-40電潛螺桿泵的泵間隙值由原來(lái)的0.20 mm 降至改進(jìn)后的0.04 mm 和0.00 mm 時(shí)，容積效率由70.3%變化到68.6%，基本保持不變。由此可以說(shuō)明電潛螺桿泵的舉升能力基本沒(méi)有改變，電潛螺桿泵的工作扭矩由158 N·m 變化到141 N·m，比常規(guī)過(guò)盈螺桿泵降低近20 N·m，說(shuō)明電潛螺桿泵的無(wú)用功消耗減少，電潛螺桿泵的總效率提高。改進(jìn)前后工作參數(shù)變化見圖2～4 所示。

Figure 2. Changes in volumetric efficiency of different interference levels圖2. 不同過(guò)盈級(jí)別容積效率變化

Figure 3. The volumetric efficiency of different interference levels varies with outlet pressure圖3. 不同過(guò)盈級(jí)別容積效率隨出口壓力變化

Figure 4. Torque changes with outlet pressure at different interference levels圖4. 不同過(guò)盈級(jí)別扭矩隨出口壓力變化

試驗(yàn)表明，電潛螺桿泵的泵間隙值改進(jìn)后，電潛螺桿泵的舉升能力幾乎不受影響，電潛螺桿泵的總效率有所提高，達(dá)到了優(yōu)化過(guò)盈量的要求。因此，電潛螺桿泵泵間隙值確定在0～0.04 mm 之間，此泵間隙值的電潛螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間配合間隙合理，在起泵初期、泵正常工作時(shí)、泵停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)避免了泵抱死等現(xiàn)象，能夠正常工作。

4. 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析，對(duì)電潛螺桿泵的工作過(guò)盈量和初始過(guò)盈量確定值進(jìn)行研究，提出了一種電潛螺桿泵泵間隙值的計(jì)算方法，利用調(diào)整電潛螺桿泵的泵間隙值優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)電潛螺桿泵工作性能，提高了電潛螺桿泵的工作效率和使用壽命，有效降低了生產(chǎn)能耗，對(duì)螺桿泵采油技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。