螺杆泵采油技术PPT幻灯片课件

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1、第三章螺杆泵采油技术 主讲李树臻 1 螺杆泵采油装置的结构组成地面驱动单螺杆泵装置由地面部分 井下部分组成 1 地面部分2 井下部分 2 3 中间部分 由抽油杆和抽油管将地面部分和井下部分连接成为螺杆泵采油装置 3 一 螺杆泵的结构与工作原理 1 螺杆泵的结构形式螺杆泵的主要组成部分是螺杆 转子 及与之相配套的衬套 定子 螺杆泵的分类 螺杆泵按其具有的螺杆的个数不同 可分为单螺杆泵 双螺杆泵 三螺杆泵 五螺杆泵等 在油田所用的螺杆抽油泵泵中 以单螺杆泵为主 本节主要讨论单螺杆泵 按螺杆的螺线头数单螺杆泵又分为单头螺杆泵和多头螺杆泵 如图所示 4 单螺杆泵的结构特点 1 下接头 2 限位销 3

2、定子 4 转子 5 上接头 定子由钢制外套和橡胶衬套组成 转子由合金钢的棒料经过调质 精车 镀铬并抛光加工而成 具有较高的强度和耐磨性 转子有空心转子和实心转子两种 螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体装置 定子内表面呈双螺旋曲面 与转子外表面相配合 5 单头螺杆 在单螺杆泵中 只有一个螺杆 螺杆的任一断面都是半径为r的圆 如图3 1所示 整个螺杆的形状可以看成是由很多半径为r的薄圆盘组成 不过这些圆盘的中心O1分布在一条圆柱螺旋线上 该圆柱的半径为螺杆泵的偏心距e 螺旋线的螺距为t 6 螺杆泵定子衬套 螺杆泵定子衬套是由橡胶衬套粘接在钢体外套内形成的 其的断面形状是

3、由两个半径为R 等于螺杆断面的半径 的半圆和两个长度为4e的直线段组成的长圆形 如图3 2所示 衬套的内表面就是由很多这样的断面所组成的导程为T T 2t 的双头内螺旋面 衬套的旋向与螺杆的旋向是相同的 图3 2单螺杆泵的衬套 T R 7 螺杆与衬套组成的螺杆 衬套副 8 2 螺杆泵的工作原理 1 接触点与接触线将螺杆置于衬套内 则在每一个横截面上 螺杆断面与衬套断面都有相互接触的两个点 在不同的横截面上 接触点是不同的 当螺杆断面位于衬套长圆形断面的两端时 螺杆和衬套的接触为半圆弧线 而在其它位置时 螺杆和衬套仅有a b两点接触 如图3 3所示 图3 3图3 3螺杆 衬套副的密封线和密封腔室

4、 9 2 密封腔 这些接触点在螺杆 衬套副的有效长度范围内构成了两条空间密封线 而且在衬套的一个导程了内同半圆弧接触线形成一个完整的密封腔 这样 沿螺杆泵的全长 在螺杆的外螺旋表面和衬套的内螺旋表面间形成了一个一个的密封腔室 10 3 密封腔的形成 推移与消失 当螺杆转动时 螺杆 衬套副中靠近吸人端的第一个腔室的容积增加 在压力差的作用下 混合液便进入第一个腔室 之后该腔室形成封闭 以螺旋方式向排出端移动 并最终在排出端消失 同时在吸入端又形成新的密封腔 11 4 螺杆泵工作原理 螺杆泵工作的过程本质上也就是密封腔室不断形成 推移和消失的过程 沿着螺杆泵的全长 在转子外表面与定子橡胶衬套内表面

5、间形成多个密封腔室 随着转子的转动 在吸入端转子与定子橡胶衬套内表面间会不断形成密封腔室 并向排出端推移 最后在排出端消失 油液在吸入端压差的作用下被吸入 并由吸入端推挤到排出端 压力不断升高 流量非常均匀 12 5 单级杨程与定 转子间的过盈量 衬套的一个导程内形成一个完整的密封 称为一级 采油螺杆泵单级举升扬程一般不超过70m水柱 即单级最大工作压力不超过0 7MPa 目前国产螺杆泵单级工作压差设计为0 5MPa左右 单级工作压差主要是靠定 转子间的过盈来实现的 过盈越大 单级工作压差越大 转子扭矩越大 过盈越小 单级工作压差越小 所以螺杆泵定 转子间的过盈应选合理值 螺杆泵的总扬程 单级

6、扬程 级数 13 6 特点 由于螺杆泵的衬套由橡胶制成 螺杆与衬套间的相对运动为滚动加滑动 为高粘度 高含砂 高含气原油的输送创造了有利的条件 加之螺杆泵的运动件少 过流面积大 油流扰动小 使其能在高粘原油中高效工作 14 3 单螺杆泵的理论流量与泵效计算 螺杆泵四个重要参数 式中e 螺杆的偏心距 m D 螺杆断面的直径 m T 定子衬套的导程 m n 螺杆的转速 r min T D e 15 3 单螺杆泵的理论流量与泵效计算 如图所示 定子空腔的截面积为两个半圆和一个长方形组成 转子的截面是圆 由定子空腔与转子形成的空腔截面积为 单螺杆泵的理论流量由下式计算 Qi 4eDTnm3 min或Q

7、i 5760eDTnm3 d单螺杆泵的泵效由下式计算 Q Qi式中 单螺杆泵的泵效 Q 单螺杆泵的实际产液量 16 双头螺杆泵由双线螺杆转子和三线内螺旋面定子组成 17 课间休息 18 二 螺杆泵采油系统 螺杆泵采油系统在按驱动类型可分为地面驱动和井下驱动两大类 1 地面驱动螺杆泵采油系统 1 传动形式分类根据传动形式不同 可分为皮带传动和直接传动两种型式 1 皮带传动电动机 柴油机或液压马达 皮带传动轮 减速器等均置于地面采油井口装置上面 当驱动装置工作时 带动抽油杆和转子旋转 将油举升到地面 2 直接传动将电动机通过行星减速器与抽油杆光杆直接连接 驱动抽油杆旋转 19 地面驱动螺杆泵采油示

8、意图 图3 4地面驱动螺杆泵采油示意图1 电控箱 2 电机 3 皮带 4 方卡子 5 光杆 6 减速箱 7 专用井口 8 抽油杆 9 抽油杆扶正器 10 油管扶正器 11 油管 12 螺杆泵 13 套管 14 定位销 15 锚定装置 16 筛管 20 2 系统组成 以地面驱动井下单螺杆泵采油系统为例介绍系统组成 它是由地面驱动部分 井下部分 电控部分 配套工具及其它井下管柱等五部分组成 地面驱动部分 包括减速箱6 皮带传动3 电机2 盘根盒 支撑架 方卡子4等 井下泵部分 主要由抽油杆 接头 转子 导向头和油管 接箍 定子 尾管等组成 为了防止油管 定子脱扣 在尾管下部应安装油管锚定装置 21

9、 2 系统组成 电控部分 包括电控箱 电缆等 配套工具部分 包括防脱工具 防蜡器 泵与套管锚定装置 单向阀 封隔器等 常规及简易井口装置 正扣及反扣油管 实心及空心抽油杆 抽油杆扶正器 光杆扶正器等 另外 采油树 抽油杆 光杆等均为常规标准成品 22 3 工作原理 地面驱动设备可分为电机 柴油机 液压等方式 现以电机驱动为例 介绍地面驱动螺杆泵抽油系统 地面驱动螺杆泵采油一股适用于井深1000m左右的直井 其工作原理是 地面动力带动抽油杆柱旋转 使螺杆泵转子随之一起转动 油井产出液经螺杆泵下部吸入 由上端排出 并沿油管柱向上流动 至地面管汇 23 4 特点 这种采油方法简便 实际使用时井下不需

10、要再装泄油装置 由于螺杆泵转子随抽油杆柱下入或起出 螺杆泵转子一旦脱离定子 油套管之间便连通 于是起到了泄油的作用 同时可在生产过程中测量动液面 使用费用也较低 是较理想的采油方法之一 24 2 井下驱动螺杆泵采油系统 无杆采油泵 按驱动形式不同 可分为电驱动和液压驱动两种形式 动力置于并底 不用抽油杆 其系统结构特点如下 25 1 电动潜油螺杆泵采油系统 将潜油电动机 保护器与螺杆泵组合在一起 下入井下 利用电缆将其地面电力输送到井下潜油电动机 地面上有变压器和自动控制柜等 当井底电机接通电源后 电机驱动螺杆泵工作 将井底原油泵入油管内 并通过油管柱流至井口 最后输送到计量站 正常工作时泄油

11、器 同电动潜油离心泵 通孔是关闭的 起下油管时泄油器旁通孔被打开 使油套管之间相互连通 便于起下油管作业 3 26 电动潜油螺杆泵采油工艺简单 而且可在不停产情况下直接测量动液面 但井底电机 电缆及其接头在井液中的绝缘仍是个棘手的问题 27 2 液压驱动螺杆泵采油系统 利用地面泵提供一定压力和排量的液体 通过导管通向井下液压马达 驱动转子旋转抽油 整个系统分为地面和井下两部分 地面设备有动力液泵 管汇 油水分离器等 井下部分有动力油管 液马达 封隔器 及螺杆泵 工作时供液泵将高压动力液供给液马达 液马达带动螺杆泵工作 井底原油从其上部排出并与废动力液混合后流入油套环形空间 由于封隔器的存在 油

12、水混合液只能由油套环形空间返回井口 经分离计量后输至大罐 分离出的水再注入供液泵 图3 6液压螺杆泵采油示意图1 动力液 2 井口 3 出油管线 4 油管 5 液马达 6 套管 7 封隔器 8 螺杆泵 9 筛管 10一死堵 11 油层 28 旁通阀的工作特点 正常工作时 旁通阀靠压力差处于关闭状态 起下管柱时 阀靠弹簧打开 使油套环空相互连通 从而起到平衡管柱内外压力的作用 由此可见 液压螺杆泵采油虽然比电动潜油螺杆泵复杂 涉及到的设施较多 且在测试液面时须关井停泵 但这些设施相对容易解决 且系统工作可靠 并能根据油层供液能力 动液面高度及泵挂深度 确定出系统的技术参数 同时一个地面站可集中管

13、理多口井 便于维护和管理 旁通阀 29 三 螺杆泵采油系统的特点 螺杆泵与其它机械采油设备相比 具有以下优点 1 由于结构简单 价格较低 节省一次投资 2 地面装置结构简单 安装方便 可直接坐在井口套管四通上 占地面积小 除原井口外 几乎不另占面积 3 泵效高 节能 管理费用低 由于螺杆泵是螺旋抽油的容积泵 流量无脉动 轴向流动连续 流速稳定 因此它与游粱式抽油机相比 没有液柱和机械传动的往复惯性力 泵容积效率可达90 它是现有机械采油设备中效率较高的机种之一 30 4 适应粘度范围广 可以举升稠油 一般来说 螺杆泵适合于粘度为8000mPa s以下的各种含原油流体 多数稠油井都可应用 5 适

14、应高含砂井 从理论上来讲 螺杆泵可输送含砂量达80 的砂浆 在高含砂的情况下螺杆泵仍可正常生产 6 适应高含气井 螺杆泵不会发生气锁 故较适合于油气混输 但井下泵入口的游离气会占据一定的泵容积 使泵效降低 7 适应于海上油井丛式井组和水平井 螺杆泵可下在斜井段 而且设备占地面积小 因此适合海上油田丛式井组或水平井使用 8 允许井口有较高回压 在保证正常生产情况下 井口回压可控制在l 5MPa 因此对边远井的集输很有利 当发动机或电机停转时 在某些情况下 砂沉积在泵的上部 与有杆泵比较 螺杆泵有更大的恢复工作的可能性 31 螺杆泵缺点 1 定子最容易损坏 检泵次数多 每次检泵 必须起下管柱 2

15、泵需要较好的润滑 如果泵只靠极低粘度的液体润滑而工作 则泵过热将会引起定子弹性体老化 甚至烧毁 3 定子的橡胶不适合在注蒸汽井中应用 4 若操作人员不经适当操作训练 操作失误 就会造成泵损坏 5 它与有杆泵比较 总压头较小 目前现场应用在井深1000m左右的井 32 课间休息 33 四 地面驱动螺杆泵主要配套设备 1 螺杆泵地面驱动头 1 结构形式地面驱动头主要是一个减速系统 它将动力源的高转速降低到适合螺杆泵 及抽油杆的转速 一般为150 500r min 目前应用的驱动头的结构形式主要有四种 34 1 偏置式 电机呈卧式或立式 由皮带轮第一级皮带减速传给减速箱 减速箱体内部有一对伞齿轮 功

16、能是将水平轴的旋转变为垂直轴的旋转 箱体与井口法兰连接 钢圈密封 光杆用盘根盒密封 偏置式驱动装置的特点是重量轻 体积小 不需用平衡装置 35 2 平衡式 这种形式的驱动头的电机呈立式 用一对皮带轮一级减速将动力转给减速箱 减速箱内有一对直齿轮 再一次减速 箱体内两根轴呈平行分布 整体占据空间较大 需在电机对侧放一平衡块 以便调整重心对准井口 驱动头与井口法兰连接 钢圈密封 光杆转动 盘根动密封封住光杆 这种装置体积大 重量大 移动不方便 但稳定性好 目前应用较多 36 3 一体式 电机呈立式 输出轴端连接一摆线针轮减速器 减速器下端直接与井口连接 这种装置对中性能最好 不存在偏心 实现动 静平衡 且体积小 重量轻 操作方便 缺点是调参困难 光杆动密封可靠性能差 另一种是电机直接驱动 无减速器 选用低转速电机 直接与井底抽油杆连接 转速高 操作方便 重量轻 目前应用较少 37 2 光杆连接方式 驱动装置通过特殊光杆与井底抽油杆相连接 特殊光杆强度大表面光滑 一端带螺纹 长约2 3m 上端穿过驱动头的轴套孔 通过方卡子与轴套连接 下端与井底的抽油杆螺纹连接 驱动装置下部安装密封盘根盒 密