第三章 螺杆泵采油技术 主讲 李树臻 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 l1、地面部分 2、井下部分 3、中间部分 l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 一、 螺杆泵的结构与工作原理 l1．螺杆泵的结构形式 l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） l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 l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 单螺杆泵的结构特点： 1-下接头；2-限位销；3-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 单头螺杆 l在单螺杆泵中，只有一个螺杆， l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 图3-1 单螺杆泵的螺杆 t 螺杆泵定子衬套 l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 螺杆与衬套组成的螺杆－衬套副 2．螺杆泵的工作原理 l(1)接触点与接触线 l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 （2）密封腔 l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 （3）密封腔的形成、推移与消失 l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 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 （5）单级杨程与定、转子间的过盈量 l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。
l所以螺杆泵定、转子间的过盈应选合理值 l螺杆泵的总扬程=单级扬程×级数 （6）特点 l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 3、单螺杆泵的理论流量与泵效计算 l螺杆泵四个重要参数： l式中 e——螺杆的偏心距， m； l D——螺杆断面的直径， m； l T——定子衬套的导程， m; l n—螺杆的转速 r/min T D e 3、单螺杆泵的理论流量与泵效计算 l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 ： l单螺杆泵的理论流量由下式计算： lQi＝4eDTn m3/min l或 Qi＝5760eDTn m3/d l单螺杆泵的泵效由下式计算： lη＝Q／Qi l式中 η——单螺杆泵的泵效 l Q――单螺杆泵的实际产液量； 4e D •转子运动时偏 心小 •定子橡胶在横 截面上分布相对 较均匀 ，遇油 膨胀后不均匀变 形较小 •相同尺寸下， 举升扬程和排量 较大。
双头螺杆泵 由双线螺杆 转子和三线 内螺旋面定 子组成 二、 螺杆泵采油系统 l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 l l 1 1．地面驱动螺杆泵采油系．地面驱动螺杆泵采油系 统统 l（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 l 1)皮带传动 l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 l 2)直接传动 l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 地面驱动螺杆泵采油示意图 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 5 1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ４ ５ (2)系统组成 l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。
l①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 l②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 5 1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ４ ５ (2)系统组成 l③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 l④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 5 1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ４ ５ （3）工作原理 l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 l地面驱动螺杆泵采油一股 适用于井深1000m左右的 直井 l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 （4）特点 l这种采油方法简便，实 际使用时井下不需要再 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 2．井下驱动螺杆泵采油系统( 无杆采油泵) l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 （1）电动潜油螺杆泵 采油系统 l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 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 图3-5 电动 潜油螺杆 泵采油示 意图 l－井口； 2－出油口 3－油管； 4－螺杆泵 5－筛管； 6－保护器 7－电机； 8－油层； 9－套管 10－电缆 11-电控柜 3 2 4 5 6 10 9 7 1 8 11 l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 （2）液压驱动螺杆泵采油 系统 l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。
l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 旁通阀的工作特点 l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 l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 面站可集中管理多口井，便于维护 和管理旁通阀 三、螺杆泵采油系统的特点 l螺杆泵与其它机械采油设备相比，具有以下优点 ： l(1)由于结构简单，价格较低，节省一次投资。
l(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 l(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 l(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 l(5)适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 l(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 l(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 l(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 l⑨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。
螺杆泵缺点： l(1)定子最容易损坏，检泵次数多，每次检泵 ，必须起下管柱 l(2)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 l(3)定子的橡胶不适合在注蒸汽井中应用 l(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。