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1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：螺杆泵工作原理及工况诊断方法 学生姓名：谷 旭学 号：08021166专业班级：石油工程2008级4班指导教师：隋义勇 2012年 5月31 日1中国石油大学（华东）本科毕业论文螺杆泵工作原理及工况诊断方法 谷旭 指导老师：隋义勇 摘要螺杆泵又叫渐进式容积泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。它具有结构简单、流量均匀、扰动小、携带能力强等优点。在石油资源地位日益重要的今天，如何提高效率降低成本成为我们追求的主要目标，而螺杆泵的发明与使用为我们提供了一种新的有效地原油举升方式，尤其是在含砂稠油或聚驱
2、井中成效尤为明显。本文主要就螺杆泵采油系统的组成原理及工况诊断方面研究。系统的分析螺杆泵采油系统的工况及诊断方法，并提出需要改进的未完善之处。 目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 国内外研究现状21.2.1 国外应用现状21.2.2 国内的应用现状21.2.3 发展趋势31.3 课题的主要内容4第二章 螺杆泵基本结构及工作原理52.1 螺杆泵的组成结构和工作原理52.1.1 螺杆泵的组成系统52.1.2 螺杆泵的工作原理52.2 螺杆泵采油系统的组成62.3 电潜螺杆泵采油系统82.3.1 结构组成及工作原理82.3.2 电潜螺杆泵采油系统技术特点9第三章 螺杆泵工况分析及故障
3、诊断113.1 常见的螺杆泵故障类型113.2 螺杆泵工况诊断方法153.2.1 憋压诊断法153.2.2 电流诊断法163.3 螺杆泵井光杆受力诊断法机理分析17第四章 实例分析234.1 螺杆泵举升聚驱粘稠油液234.2 螺杆泵举升三元复合液234.3 螺杆泵举升稠油254.4 螺杆泵用于含砂稠油举升254.5 本章小结26第五章 结论与建议27参考文献28致 谢301第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研究的背景在当今社会，石油毫无疑问是一种非常重要的生产及生活消耗资源，越是发达的国家就越依赖石油，这也使石油成为了战略储备资源，而开采石油的能力无疑是起到决定性作用的因素。尤其石油的形成至
4、少需要200万年时间，属于一次性资源。如何对有限的石油资源进行合理的长期开采已经成为我们必须面对的主要问题。20世纪30年代中期法国的moineau发明了单螺杆泵水力机械原理以来，单螺杆泵在石油工业领域得到了广泛的应用。20世纪60年代末前苏联开发应用了潜油电泵采油系统用于井下原油的举升。地面驱动螺杆泵采油起源于20世纪80年代初期，法国、加拿大、美国和德国相继开发并形成了排量为2-300，扬程为500-2000m的系列产品，并得到广泛应用。我国自20世纪80年代中后期开始研发地面驱动螺杆泵采油系统以来，已形成排量为2-240、扬程为500-1800m的系列产品，并已在国内各大油田逐步推广应用
5、。螺杆泵是依靠泵体与螺杆所形成的啮合空间容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。螺杆泵的工作原理与齿轮泵相类似，只是在结构上用螺杆取代了齿轮。螺杆泵的优点有很多，其中最主要的是：(1)螺杆泵的流量均匀，当压力改变时，流量变化很小(2)螺杆泵有良好的自吸特性(3)螺杆泵对杂质和磨损的耐受能力很强(4)运送液体的种类和粘度范围宽广(5)压力和流量范围宽阔。压力约在8.4-340，流量可达100。这几个优点决定了螺杆泵适于提升高含砂，高粘度，高含气原油，而且具有高效低能耗的优点。综合以上几点不难看出，螺杆泵在各大油田中都有很大的应用价值，因为它不仅适于开采高含砂原油。高粘度原油以及高含气原油，其
6、在普通油藏和水驱油藏后期的高含水开采阶段也有良好适用性。近几年来，螺杆泵采油在全世界范围内得到了广泛的推广与应用，螺杆泵也有了很大程度上的发展，种类也越来越多种多样，在油田开采中，正逐步发挥着巨大作用。随着螺杆泵采油系统应用规模的不断扩大，越来越多的故障问题也逐渐暴露在我们面前，其中最主要的几种故障是：抽油管断脱，油管漏失，油管结蜡，螺杆泵漏失，转子磨损，定子橡胶溶胀，卡泵等。造成螺杆泵采油系统出故障的原因有很多种，同一种故障也有可能是由不同的原因造成的，我们为了预防和发现这些潜在的威胁，必须按照常规的检修周期对设备进行检修，这不仅会消耗大量资金，而且若是不能及时发现，让泵带病运行，必然会加大
7、设备的磨损，严重时甚至会造成停泵，使油田蒙受经济损失。为了避免这种不必要的损失，我们必须找出有效地方法在不影响生产的前提下，对螺杆泵的工作状况做出判断，从而提高螺杆泵的工作可靠性，找出科学管理螺杆泵的方法。所以，研究螺杆泵的工况诊断方法可以使螺杆泵的工作安全性得到提升，为螺杆泵的科学管理方法提供参考，对提高油田经济效益和市场竞争能力有着重大的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外应用现状加拿大约40%的重油井使用螺杆泵采油，其中一石油公司采用PCM/IFP联合公司生产的Rodemip地面驱动螺杆泵采油系统，井下部分连续运转了两年，地面部分5年。扬程2000m，排量240，驱动功率小，节约
8、电耗60%-75%，投资与维护保养费用均较低。俄罗斯的螺杆泵主要应用在巴什基里亚，古比雪夫和西伯利亚等油矿，油井最长的检泵周期为二年九个月。在姆哈诺夫斯克油田，气油比高达400m3/m3，油井最长的检泵周期为477天；在粘度为1400mPa.s的油井条件下，油井最长的检泵周期达340天，中、小排量螺杆泵的泵效达到70%。印尼的Melibur油田（原油粘度8.3mPa.s），从1990年开始用螺杆泵代替电潜泵采油35口，泵挂深度4000ft（1220m），最大排量2000bpd（318）。结果表明，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70%，维护费减少了35%，缓解了油田电力
9、供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，应用大排量螺杆泵80 口井，日产量160000桶（25600 ），泵挂深度1200m。1.2.2 国内的应用现状螺杆泵作为一种机械采油设备，它具有其它抽油设备所不能替代的优越性，国内在制造、应用等方面都取得了长足的进步，井下泵已基本形成系列化。但是，与国外石油公司相比，我国在螺杆泵的整体技术发展和应用等方面还存在着一定差距。目前，大庆油田、华北二连油田和大港油田在水驱常规井上采用螺杆泵采油已达到一定规模。两油田均在低产井上使用了变频调速技术，管柱锚定均采用支撑卡瓦。二连油田将生产参数远程无线监控系统应用于螺杆泵井的日常管理，在井口安装温度、压力和电流传
10、感器，利用RPC单井配电柜远程无线传输给中控室，进行连续监控，并可以遥控启停、自动录取数据和量油。通过变频配电柜连续录取电流，能够及时发现单井的电流波动，也可以推断出扭矩的波动，及时对单井进行事故处理。其中，大港油田在中北部高含水出砂开发区推广应用53口井，其中替代小泵生产11口井；替代大直径管式泵生产32口井；替代电泵生产7口井；长停井恢复3口井，取得了增产增效、提高生产时率、减少投资、节能降耗的效果。螺杆泵采油技术在稠油井中也得到了很好的应用，吉林油田、辽河油田、冀东油田和华北油田均在重油井上采用螺杆泵冷采，经过几年的矿场实践都取得了较好的效果，使螺杆泵成为重油井开采的主要举升手段。吉林套
11、保油田在用91口井主要采用进口螺杆泵（加拿大）冷采，平均泵挂350米，平均泵效31，进口螺杆泵平均使用天数为298天，国产泵使用寿命为97天，进口螺杆泵最长使用时间930天（仍在使用）。1.2.3 发展趋势嘎嘎螺杆泵采油系统的发展趋势主要有以下5各方面：1.电动潜油螺杆泵：为满足稠油井、斜井及水平井举升的需要，应开发应用电动潜油螺杆泵。辽河油田研制成功了井下电潜螺杆泵，其系统与美国BAKER-HUGHES公司的基本相似，由地面控制系统、井下电缆、螺杆泵、保护器、减速器和电机等组成。电潜螺杆泵在辽河曙光油田和海外河滩海油田应用4口井5井次，收到良好的采油效果。2.探索新型螺杆泵：主要包括以下几种
12、泵：金属定子螺杆泵、等壁厚定子螺杆泵、合成材料螺杆泵、插入式螺杆泵和多吸入口螺杆泵。3.螺杆泵杆柱卸扭技术：螺杆泵停机后，尽管驱动装置可以卡住光杆防止反转，但杆柱储存的弹性能量，以及油套管液位高差造成的螺杆泵马达效应，会造成起杆柱或拆卸井口过程高速旋转，乃至甩弯光杆，形成安全隐患，需要研发相应的停机时杆柱卸扭技术。4.螺杆泵智能化控制技术：在螺杆泵无线工况测试诊断技术的基础上，研发螺杆泵井过载保护和无液流保护智能化控制技术，以及转速在线调整、供排关系智能监测的螺杆泵智能化控制技术，确保井下泵在水力高效区、合理工况下运行。5.螺杆泵定子橡胶适应性研究：针对各油田不同区块原油物性的特点，研制和优选
13、螺杆泵定子橡胶，使其与原油物性相匹配，使螺杆泵应用有针对性和目的性，延长螺杆泵定子橡胶的使用期限，提高螺杆泵整体检泵周期。1.3 课题的主要内容分析螺杆泵的工作原理以及螺杆泵采油系统的组成。了解螺杆泵采油系统的故障类型以及引起故障的原因。研究螺杆泵工况检测方法的工作原理以及应用方法，并根据现场实际测试对其工作特性及优缺点进行比较和分析。1 第二章 螺杆泵基本结构及工作原理第二章 螺杆泵基本结构及工作原理螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类。地面驱动技术发展比较成熟，现在各大油田也大多采用地面驱动螺杆泵采油系统，随着油田的不断开发，螺杆泵的优势也来越明显，体积小，结构简单，质
14、量轻，操作容易，耐磨损，效率高，这种种优势使螺杆泵成为现阶段各油田采油的主要举升方法之一。最主要的原因是螺杆泵适用粘度范围广，能够开采高含砂及高含气的油藏，并且对注水开发后期的油藏也有着良好的适用性，这正符合现阶段各油田现状，能够有效地降低成本，提高采收率。2.1 螺杆泵的组成结构和工作原理自1930年发明螺杆泵以来，螺杆泵技术工艺不断改进和完善，特别是合成橡胶技术和粘接技术的发展，使螺杆泵在石油开采中已得到了广泛的应用。目前在采用聚合物驱油的油田中，螺杆泵已经成为常用的人工举升方法。2.1.1 螺杆泵的组成系统 采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，井下单螺杆泵由定子和转子组成。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精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。 图2-1 单螺杆泵结构图2.1.2 螺杆泵的工作原理单螺杆泵是由定子和转子组成的。转子是通过精加工，表面镀铬的高强度螺杆；定子就是泵筒，是由一种坚固，耐油，抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久地粘接在钢壳体内而成。除单螺杆泵外，螺杆泵还有多螺杆泵，主要用于输送油品。螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子
