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1、 高等继续教育毕业设计（论文）题 目_螺杆泵合理转速研究_ 学 生_联系电话_指导教师_评 阅 人_教学站点_专 业_完成日期_ _ 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） II摘 要螺杆泵采油作为一种重要的机械举升方法，具有很明显的特点和优势，其应用数量与水平正呈明显的上升趋势。分析和研究螺杆泵合理转速范围，对指导油田实际生产、实现节能降耗有着重要工程实际意义。本文通过对螺杆泵发展历史、国内外应用现状及发展趋势的调研，在介绍螺杆泵结构及工作原理的基础上，对螺杆泵工作特性曲线及其特点进行了分析；理论分析了影响螺杆泵泵效和系统效率的主要因素，主要有砂粒、定子与转子间配合间隙、温度及转速；通过给
2、出螺杆泵进出口压差计算公式和对抽油杆进行了受力分析，给出了确定螺杆泵合理转速范围的方法；利用给出的方法，编制了计算机程序，并进行了 10 口井的现场试验研究，结果表明本方法有效、可行。在综合分析理论研究及现场试验结果的基础上，提出了一些合理化建议，对延长螺杆泵寿命、指导螺杆泵井生产有一定应用价值。关键词：螺杆泵 工作特性曲线 转速 泵效 系统效率 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） I目 录第 1 章 概 述 .11.1 螺杆泵采油的发展历史 .11.2 国内外应用现状 .21.3 本文研究的意义及主要内容 .3第 2 章 螺杆泵的基本工作原理 .52.1 螺杆泵的基本工作原理 .52.
3、2 螺杆泵相关参数 .72.3 螺杆泵工作特性曲线 .102.4 螺杆泵最佳/合理工作区的选择 .11第 3 章 螺杆泵泵效和系统效率影响因素分析 .133.1 砂粒的影响 .133.2 定子与转子间配合间隙对螺杆泵效率的影响 .133.3 温度的影响 .183.4 转速的影响 .18第 4 章 螺杆泵合理转速的研究 .204.1 螺杆泵进出口压差的计算 .204.2 抽油杆受力分析 .224.3 算例 .274.4 小结及建议 .34结 论 .36参考文献 .37致 谢 .39附录一 .40附录二 .43 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） 1第 1 章 概 述1.1 螺杆泵采油的发展
4、历史作为一种新型的机械采油方式螺杆泵采油核心的螺杆泵已经有了较长的发展历史，19 世纪 20 年代中期法国人勒内莫依诺发明设计出这种泵，30 年代初期，莫依诺原理获得专利权，很快便有很多公司开始生产螺杆泵 1。1945 年以来，螺杆泵在技术和制造工艺上都做了大量的改进和完善，继法国之后，美国、前苏联以及加拿大等国家都开展了螺杆泵的研制和应用，50 年代中期，莫依诺原理（Moyno Theory）被用于钻井工业中，80 年代初期，螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备，美国的 Kois & Myers 公司是首批采油螺杆泵的制造商，他们把螺杆泵作为一种代替常规举升工艺的替代技术推向市场。我国从 8
5、0 年代中期将螺杆泵引入到油田生产当中，1986 年大庆油田从加拿大 Griffin 公司引进螺杆泵在油田试用，从此，国内厂家便开始了较系统地研制井下采油螺杆泵的工作。目前，井下采油螺杆泵大致可分为以下三种结构形式 2：一是地面驱动采油螺杆泵，它是井下采油螺杆泵中最简单的结构形式，也是国内外井下采油螺杆泵采用的主要结构形式，其主要的特点是螺杆泵在井下，而提供动力的装置在地面之上，二者之间由抽油杆联系起来。由于是利用抽油杆传递螺杆泵所需要的扭矩，因此在大排量情况下很难实现深井采油。为地面驱动单螺杆泵提供动力的装置是驱动头。驱动头所需的动力主要由电动机或者液压马达提供。由电动机作动力的驱动头，有的
6、采用变频调速，有的利用胶带和减速器共同调速，还有的直接利用减速器调速。利用液压马达作动力调节螺杆泵的转速非常方便。二是电动潜油单螺杆泵，它的最大特点是螺杆泵和驱动其工作的电机都处于地下，因而不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井、斜井和水平井采油作业。较早开展这种泵研究工作的是前苏联和法国，近年来，美国等发达国家也开始重视电动潜油螺杆泵的开发，并在多砂、高粘深井、定向井、水平井中采用，取得了很好的效果，在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高 5 倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原来经济上无开采价值的油井有了良好的效益。电动潜油螺杆泵由螺杆泵、柔性轴、
7、装有轴承的密封短节、齿轮减速器和潜油电动机等组成。三是单螺杆液动机单螺杆泵装置，这种装置将地面动力液送入井下的顶部螺杆衬套副中，以顶部螺杆衬套副作为动力，驱动底部螺杆衬套副旋转，由底部螺杆衬套副作为泵来实现采油作业，目前，这种装置在国外已投入现场应用，但 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） 2数量很少。1.2 国内外应用现状在国外应用较普遍的是井下采油单螺杆泵 3-5，目前井下采油单螺杆泵的最大下井深度已达到 2438m，最大排量已达 795m3/d，泵的平均净举升高度为900m1550m，排量为 80m3/d160m 3/d,在这种情况下泵的系统效率在 63%左右，美国一家石油公司曾对
8、螺杆泵采油系统、电动潜油离心泵和有杆泵抽油系统三种采油设备，在水驱采油井中进行同样条件下的采油试验，试验结果表明，三种采油系统的效率分别为 63.4%、52.4%、50.4%，其中螺杆泵采油系统的效率最高，此外螺杆泵采油系统的装备投资费用比另外两种采油装备低 20%30%以上，螺杆泵定子的平均寿命为 1 年2 年，地面驱动部分的寿命在 5 年以上。推荐螺杆泵的工作转速在 500r/min 以下。法国 PCM Pompes 公司生产的地面驱动采油单螺杆泵的下井深度达到了2000m，排量为 120m3/d，使用情况良好。美国 Robbins & Myers 公司生产的螺杆泵曾用于煤层气井排水作业。
9、由于水中含有大量的悬浮煤粉和砂，无法应用普通泵，最后选用了螺杆泵。泵的下入深度为 800m900m，平均转速为 338r/min，平均排液量为 47m3/d，最大排液量达到了 196m3/d。在最初的阶段，水中固体颗粒浓度最高，螺杆泵定子的平均寿命仍能达到半年。一年以后，由于水中固体颗粒减少，定子和转子的平均使用寿命分别达到了 1 年和 1.5 年，最长的定转子使用寿命达 4.7 年，有多台达到了 3.8 年。加拿大一家石油公司在极稠的油井中应用单螺杆泵采油，井下部分连续运转了两年没有发生故障，地面部分五年内不需要检修 6,7。螺杆泵的工作寿命主要取决于定子衬套材料的性能，定子材料受到多种因素
10、的影响，如温度、芳香族化合物、H 2S 等，因此深入研究不同环境条件下的定子衬套材料是提高采油螺杆泵性能和工作寿命的关键。目前，国外主要研制了 4 种橡胶材料作为螺杆泵定子衬套副的材料，即丁腈橡胶、超高丙烯腈含量橡胶、氢化丁腈橡胶和含氟橡胶。含氟橡胶能适应较高的温度，但机械性能不够好，因此工作寿命不长，在定子橡胶中加入添加剂对减小螺杆衬套副之间的摩擦很有益处，尤其在高含水含气井中 8。转子的寿命也是影响螺杆泵工作寿命的因素之一。在磨蚀和腐蚀环境下表面硼化处理的转子比表面镀铬的转子寿命长得多，试验已证明，表面硼化处理的转子寿命是表面镀铬转子的 5 倍。在原油开采中，螺杆泵采油井有抽油机井不可比拟
11、的优点：首先螺杆泵采油的地面设备简单紧凑、操作安全可靠、管理方便、重量轻占地面积小、一次性投资少；其次由于螺杆泵是螺旋抽油的容积式泵，排量均匀无脉动，轴向流动流速稳定，因此没有液柱和机械传动的惯性损失，泵内无阀件和复杂的流道，所以水 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） 3力损失小，故障率低而且泵效高，成为现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一，同时由于能均匀地排液和吸液，溶解气不易从原油中析出，从而减少了气体对泵效的影响，不会发生气锁，因此较适合高含气井；再次螺杆泵是靠橡胶定子和镀铬转子挤压配合，使进入密封腔的流体随转子的转动从吸入端向排出端移动，而且转子和定子之间腔室位置的横截面积和体积都是相同的，腔室移动排油不存在配合间隙和余隙容积问题，不可能发生砂卡、阀失效、气锁等有杆泵常见的故障，所以适合抽汲高粘度和高含砂原油，一般的螺杆泵适合输送粘度为 800 mPas 以下的流体，特殊的螺杆泵能输送粘度更高的流体。与其他各种采油方式一样，螺杆泵采油也有它自
