油田生产中高扬程螺杆泵的原理及应用

　　大排量、高扬程 ，已经在辽河油田的部分井区投入应用。这种高扬程螺杆泵日排量最高可达100立方米，在同等排量条件下，该高扬程螺杆泵可下到井下1800米处，创造了国内油田生产用高扬程螺杆泵使用上的新纪录。该文主要对油田生产用高扬程螺杆泵的构成、原理和使用特征进行分析和研究，对油田相关设备的应用及管理提供有效的参考。

　　1 高扬程螺杆泵的工作原理

　　高扬程螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口。

　　2 高扬程螺杆泵的结构构成

　　高扬程螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵，泵的主要构件：一根单头螺旋的转子和一个通常用弹性材料制造的具有双关螺旋的定子，当转子在定于型腔内绕定子的轴线作行星回转时，转定子之间形成的密闭腕就沿转子螺线产生位移；因此就将介质连续地，均速地、而且容积恒定地从吸入口送到压出端，基于这件特性，单高扬程螺杆泵特别适合于下列工况的工作：输送高粘度介质：根据泵的大小不同可以输送粘度从37000-200000厘泊的介质；含有颗粒或纤维的介质：颗粒直径可以这30mm（不超过转子偏心距）。纤维长可以350mm（相当0.4位转子的螺距）。其含量一般可达介质窖的40%，若介质中的固体物为细微之粉沫状时，最高含量可达60%或更高也能输送。要求输送压力稳定，介质固有结构不受破坏时，选用单高扬程螺杆泵输送最为理想。

　　由于高扬程螺杆泵的特性，除油田生产原油应用以外，还广泛应用于化学工业，如酸、碱、盐液，各种粘滞、糊状乳状化学浆液的输送。对于勘探采矿，对各种钻探泥浆、采矿用水、浮先浆状物和浮液。造船业：船底污水、污油、各种燃油淡水输送。还有陶瓷工业，陶土、粘土、釉料输送。还有造纸业、医药、食品、化妆工业等广泛用途。

　　3 高扬程螺杆泵采油系统组成

　　高扬程螺杆泵采油系统主要由驱动装置、井口装置、井下高扬程螺杆泵以及中间油管组成。根据其驱动方式不同，可分为电动、液动和机动三种类型的高扬程螺杆泵采油系统。地面驱动(机动)高扬程螺杆泵的应用最为广泛，本节主要介绍机动高扬程螺杆泵系统。

　　机动高扬程螺杆泵采油系统由井底高扬程螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆扶正器及地面驱动系统等组成。

　　工作时，由地面动力带动抽油杆柱旋转，连接于抽油杆底端的高扬程螺杆泵转子随之一起转动，井液经高扬程螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口，再通过地面管线输送至计量站。

　　这种采油方式最为简便，实际使用时井下也不需要安装泄油装置，因为高扬程螺杆泵转子一旦脱离泵筒，油套管之间便相互连通，于是起到了泄油的作用。同时，这种装置的使用费用也较低，是浅井较理想的采油方法。

　　4 高扬程螺杆泵的工作特点

　　单高扬程螺杆泵由于结构和工作特性，与活塞泵离心泵、叶片泵、齿轮泵相比具有下列诸多优点：能输送高固体含量的介质；流量均匀压力稳定，低转速时更为明显；流量与泵的转速成正比，因而具有良好的变量调节性；一泵多用可以输送不同粘度的介质；泵的安装位置可以任意倾斜；适合输送敏性物品和易受离心力等破坏的物品；体积小，重量轻、噪声低，结构简单，维修方便。

　　5 油田高扬程螺杆泵的选用要求

　　油田生产选用泵的规格是根据被输送液体的性质和流量、压力来决定的，而泵的转速则由输送液体的粘度和腐蚀性、作为主要参数来选择，该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//www.ems86.com总第514期2013年第31期-----转载须注名来源才能确保泵的可靠运行。由于泵的设计转速为输送清水或清水相类似的无腐蚀性液体时允许最高转速，在实际使用中因介质性质与寿命要求不同，选用时一般都应低于设计转速，对高粘度和含颗粒介质，一般采用设计转速的1/2-1/3或更低些，低转速对泵的磨损有利，但在使用后由于定子的磨损流量下降，这时可适当提高转速，以补偿流量下降也为常策。

　　输送介质的温度应在-10℃～80℃特殊情况可高达120℃。泵的每级（定子的一个导程）正常压力为0.6Mpa，短时间（不超过30分钟）内允许高达0.8Mpa，当磨损后在相同输出压力时的容积效率要逐步下降。泵送清水时最高吸程为8米，实际使用建议不超过6.5米，当泵送高粘度介质时，应以正压吸入。

　　6 油田高扬程螺杆泵数字化建设

　　数字化建设方面，需要对以下参数进行选择和采集：

　　油压，油温，电机三项电压、电流、转速、转矩、负荷有功功率及无功功率

　　高扬程螺杆泵数字化建设需要采集参数的作用：

　　油压：测量油井出油的压力，以便判断油量。

　　油温：测量油井的油温，为了更好的控制油井温度，防止停抽后，管线冻堵，同时避免过高温度、过低影响生产，避免引起事故。

　　套压：测量井口套管压力，监测底层压力。

　　电机转速、扭矩、负荷：监测油井的生产运行情况，同时可用于产液计量；电机三相电压、电流、有功及无功：监控电机的运行状态；变频参数采集、控制。

　　测量这些参数主要是为了获取电机的当前运行状态，以便对电机进行控制，确保电机正常运转，这些参数是很重要的参数。电机是整个采油平台的动力，是采油正常进行的核心所在，也可以通过这些参数推测出当前采油的相关情况。

　　建立高扬程螺杆泵光杆载荷的理论计算公式，可表示为光杆载荷与各影响因素的函数式：

　　式中的其他参数包括油井生产数据、泵参数、油井物性参数等等，对目标井来说均为可获得的已知量。上式结合测得的光杆载荷、扭矩、油套压即可由反函数推导计算得到油井的动液面，即：

　　建立油井正常工况下的泵效与其相关影响因素的函数变化关系式，即：

　　因此通过自动监测油井载荷、转速、油套压等参数，计算的到的动液面数值，由上式来计算油井泵效，进而根据泵理论排量实时计算油井当前产量。

　　当油井在漏失等泵效不正常工况下，可先由井口监测数据计算动液面，然后通过拟合IPR曲线及采液指数计算产量。

　　7存在问题和应用前景

　　对于螺杆柱塞泵井最大的缺点就是不能空抽，因为液面低于泵挂对于高扬程螺杆泵井可能带来烧泵的严重后果，因此对于供液不稳定或是高含气的高扬程螺杆泵井，须随时监测动液面的变化。由于目前没有有效的连续监测液面的仪器，并且某些井由于高套压等原因无法准确测得液面，因而需要通过地面测试参数来推算井下液面位置。

　　针对液面计算与自动求产，可以通过传感器实时监测油井高扬程螺杆泵的扭矩与载荷，并油套压测试数据一起无线远传至站点的中控计算机，通过计算机上安装的专业软件计算各井的实时动液面与产液量，并在油井的动液面降低接近泵挂或无产量时，软件报警提示并自动对该井发出停井、降低电控箱频率来调低转速等操作，以提前避免烧泵等事故的发生。

　　乔荣德（作者单位：中国石油辽河油田公司冷家油田开发公司采油作业三区）