大庆油田采油螺杆泵应用合理转速分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大庆油田装备制造研究院 作者:邹玉平

  从采油螺杆泵的“机、杆、泵”角度分析,确定螺杆泵的合理转速范围。在试验基础上,对比分析实现同排量的低转速大泵和高转速小泵的额定压力点扭矩值。探讨以较高转速螺杆泵在大庆油田应用的可行性,为今后进行螺杆泵的合理配套和使用提供技术支撑。

1、概述

  采油螺杆泵以其一次投资少、节能高效、适应能力强的特点在大庆油田获得广泛的应用。在螺杆泵应用初期,螺杆泵高转速运转带来很多负面的影响,因此螺杆泵以低转速运转得到了业内人士的普遍认可。然而,通过大庆油田8100 多口螺杆泵井的应用分析,螺杆泵的整体应用效果优势并不比抽油机等其它机采方式明显,主要原因之一是由于螺杆泵应用的转速偏低,致使螺杆泵采油系统效率低,检泵周期短,安全性差,维修费用高。大庆油田螺杆泵机采井的平均运行转速约为100r/min,有较大的提升空间。

2、转速对井下螺杆泵的影响分析

  为验证转速对螺杆泵的影响, 进行了GLB280- 20 和GLB800- 20/K 的试验对比,数据见表1。

大庆油田采油螺杆泵应用合理转速分析

  分析表1 数据得出:螺杆泵的排量是随转速的提高,线性增加的,排量与转速成正比。扭矩随转速的升高扭矩有波动,但整个过程中扭矩变化不大。转速和排量的增加,对泵的扭矩影响不大。分析表2 中数据可知,在压力相同和排量几乎相同情况下,GLB800- 20/K 的扭矩是GLB280- 20 泵的2.36 倍。由此可知,在较高转速下使用小排量泵替代大排量泵,而且泵的工作扭矩显著降低。

  螺杆泵既是容积泵,又具有部分离心泵的特性。在大庆油田多数螺杆泵井以低速运转,只是利用了螺杆泵的容积泵特点,而离心泵的特点没有充分利用,致使螺杆泵的生产制造走向以下两个误区:

  2.1、为提高扬程和泵效,只得增加螺杆泵定转子的过盈量。增加定转子过盈量又会产生定转子相对扭矩增大,严重的定转子抱死。

  2.2、为提高扬程,不得已增加螺杆泵的级数。级数的增加也会使定转子的相对扭矩增大,增加杆柱和地面驱动设备的负荷。在选用较高转速运转的小排量泵替代大排量泵时,一定要兼顾螺杆泵的定转子过盈量合理设计,充分利用橡胶的温胀和溶胀的特性,定转子的磨损量要靠溶胀和温胀的特性来补偿。为防止定子橡胶的溶胀将定转子抱死,适当的磨损可以抵消一部分橡胶的溶胀量。充分利用螺杆泵的离心泵特性,在保证螺杆泵的扬程前提下,确定螺杆泵的合理设计级数,避免不必要的投入。采用同排量下采用高转速小泵扭矩的降低而产生了4 个方面的有益效果:

  a.可以减小地面驱动装置的功率,减少设备成本,节约能源;

  b.可以减小抽油杆径,增加杆、管的环形空间,减小抽油杆接箍与油管磨损的几率,提高螺杆泵的检泵周期。

  c.抽油杆直径的减小,降低了驱动装置的轴向负荷,提高驱动装置的运行寿命;

  d.泵扭矩的减小,可以降低杆扶正器对油管作用的径向分力,减小杆、管的磨损,进一步提高螺杆泵的检泵周期。

  e. 由于采用高转速小泵使杆柱积累的扭矩和液位差产生的反转扭矩降低,提高了螺杆泵采油系统的安全性。

  从井下泵角度分析,提高现有螺杆泵运行转速十分必要的。

3、转速对杆柱的影响分析

  前面通过试验, 得出280r/min 的GLB280- 20 泵的排量与150r/min 的GLB800- 20/K 泵相当。假设这两种螺杆泵应用于同一口油井,使用相同的油管,泵挂深度1000m,产量、油压和套压相同情况下,动液面500m,井液平均粘度为10mPa.s。假设GLB280- 20 泵选用CYG22 实心抽油杆, 转速280r/min ;GLB800- 20/K 选用CYG25 实心抽油杆,转速150r/min。通过计算对两种抽油杆进行拉力和扭矩数据对比。

4、转速对地面驱动装置的影响分析

  地面驱动装置温升是制约螺杆泵转速提高的主要因素。国内螺杆泵驱动装置由于制造工艺水平落后,减速箱体等零件加工精度差,致使整机装配精度不高。因为国内螺杆泵运行的低转速必须采用2 级减速结构,即齿轮副和皮带轮的2 级减速,这种结构设计相互作用的摩擦副较多,支撑的轴承组和密封的密封圈以及啮合的齿轮都增加热量,使温度升高。在加载试验时温升较高,尤其转速提高到200r/min 以上时,温升超过标准规定值。由于采用较高转速运转,一方面可以减小抽油杆的杆径,从而减轻了杆柱重量加载地面驱动装置的轴向负荷,进而减少驱动装置的温升。另一方面降低了扭矩,降低了驱动装置的电机功率。目前,提高国内驱动装置的加工水平是高转速螺杆泵驱动装置广泛应用的前提。如果采油螺杆泵采用较高的转速,可以效仿国外的驱动装置采用皮带轮1 级变速,减少了生热的部位,温升就能够满足规定要求。

  在驱动装置较高转速运转,许多人有一种偏见:运行转速高,皮带轮容易飞出,安全性差。在采油厂多次发生的飞轮事故中都是反转过程中皮带轮运转超过极限速度时碎裂飞出,没有一台驱动装置是正转运行时皮带轮碎裂飞出的。影响驱动装置安全性最大的是扭矩积累的势能而不是运转的转速高低。

5、结论和认识

  5.1、合理提高螺杆泵的工作转速,可以由小排量泵替代大排量泵,降低了螺杆泵的工作扭矩和轴向负荷,提高了地面系统的安全性和使用寿命。

  5.2、通过合理选用抽油杆和杆扶正器,优化布置,增大杆管的环形空间,减小管杆偏磨,可以在较高转速下,达到延长螺杆泵的检泵周期目的。

  5.3、小排量泵较高转速运转,所配的抽油杆直径小、驱动装置功率小,直接降低螺杆泵的一次性投入成本,降低了系统能耗。必要时,可以采用上粗下细的组合抽油杆也是一个较好的办法。

  5.4、通过不断提高螺杆泵的工艺水平,提高螺杆泵定转子的加工精度,提高螺杆泵定子橡胶的适应性。通过优化组合、合理配套,国产螺杆泵的应用水平一定会有质的飞跃。

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