螺杆泵教材

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1、 螺杆泵采油技术本文介绍了螺杆泵采油的技术原理和现场应用，从螺杆泵的工作原理、工作特性入手，阐述了螺杆泵采油的工艺技术，螺杆泵采油设计和配套工艺技术，这些对有关技术人员及管理人员有一定的指导作用，由此可了解螺杆泵采油机理，应用过程中常出现的问题及解决途径。为了有效地提高螺杆泵下井成功率和延长检泵周期，便于现场技术人员和一线工人使用，闸述了螺杆泵采油的井下作业工艺技术和采油井生产管理方面的要求。一、 螺杆泵工作原理及组成 1932年，法国人ReneMoineau 发明了螺杆泵。之后，螺杆泵这种水力机械在世界范围内得到了广泛的应用、发展和完善。螺杆泵用于原油开采是最近二十几年的事情。它是为开采高粘

2、度原油而研究设计的，并且随着合成橡胶技术和粘接技术的发展而迅速发展起来。 目前螺杆泵采油按驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵。本文重点讨论地面驱动井下单螺杆泵（简称螺杆泵）。根据螺杆泵的工作原理，它兼有离心泵和容积泵的优点。螺杆泵运动部件少，没有阀体和复杂的流道，吸入性能好，水力损失小， 介质连续均匀吸入和排出，砂粒不易沉积且不怕磨，不易结蜡， 因为没有凡尔，不会产生气锁现象。螺杆泵采油系统又具有结构简单、体积小、重量轻、噪音小、耗能低、投资少、使用、安装、维修、保养方便等特点。所以螺杆泵已经成为一种新型的、实用有效的机械采油设备。随着配套工艺技术的日益完善，螺杆泵采油技术的发展有

3、着广阔的前景。 1.螺杆泵的组成地面驱动井下单螺杆泵采油系统（简称螺杆泵采油系统）由四部分组成（如图1-1）。电控部分：包括电控箱和电缆；地面驱动部分：包括减速箱和驱动电机、井口动密封、支撑架、方卡等；井下泵部分：包括螺杆泵定子和转子；配套工具部分：包括专用井口、特殊光杆、抽油杆扶正器、油管扶正器、抽油杆防倒转装置、油管防脱装置、防蜡器、防抽空装置、筛管等。 1) 电控部分电控箱是螺杆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵井正常生产时的电流、累计运行时间等，有过载、欠载自动保护功能，确保生产井正常生产。 2) 地面驱动部分 (1) 地面驱动装置工作原理地面驱动装置是螺杆

4、泵采油系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械装置。从传动形式上分，有液压传动和机械传动；从变速形式上分，有无级调速和分级调速。机械传动的驱动装置工作原理示意图(如图1-2)。 (2) 地面驱动装置种类及优缺点螺杆泵驱动装置的种类一般分为两类：机械驱动装置和液压驱动装置。 机械驱动装置传动部分是由电动机和减速器等组成，其优点是设备简单，价格低廉，容易管理并且节能，能实现有级调速且比较方便。其缺点是不能实现无级调速。 液压驱动装置是由原动机，液压电机和液压传动部分组成。其优点是可实现低转速启动，用于高粘度和高含砂原油开采；转速可任意调节；因设有液压防反

5、转装置，减缓了抽油杆倒转速度。其缺点是在寒冷季节地面液压件和管线保温工作较难，且价格相对较高，不容易管理。 减速箱的主要作用是传递动力并实现一级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿轮传递到输出轴，输出轴联接光杆，由光杆通过抽油杆将动力传递到井下螺杆泵转子。减速箱除了具有传递动力的作用外，还将抽油杆的轴向负荷传递到采油树上。 电机是螺杆泵井的动力源，它将电能转化为机械能。一般用防暴型三相异步电机。 井口动密封的作用是防止井液流出，起密封井口的目的(如图1-3)。 方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。 3) 井下泵部分螺杆泵包括定子和转子。定子是由丁腈橡胶浇铸在钢体外套内形成的。衬套的内表面是

6、双螺旋曲面(或多螺旋曲面)，定子与螺杆泵转子配合。转子在定子内转动，实现抽吸功能。转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。每一截面都是圆的单螺杆。 4) 配套工具部分 专用井口：简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增强了井口强度，减小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换盘根时密封井口的作用。 特殊光杆：强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封。 抽油杆扶正器：避免或减缓杆柱与管柱的磨损，使抽油杆在油管内居中，减缓抽油杆的疲劳。 油管扶正器：减小管柱振动。抽油杆防倒转装置：防止抽油杆倒扣。油管防脱装置：锚定泵和油管，防止油管脱落。 防蜡器：延缓原油中胶质在油管内壁沉积速度。 防抽空装置

7、：地层供液不足会造成螺杆泵损坏，安装井口流量式或压力式抽空保护装置可有效地避免此现象的发生。 筛管：过滤油层流体。 2. 螺杆泵基础理论 1) 螺杆泵工作原理和基本结构 采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用。螺杆泵的转子、定子副（也叫螺杆衬套副）是利用摆线的多等效动点效应，在空间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作用。螺杆泵又有单头(或单线)螺杆泵和多头（或多线）螺杆泵之分（本书重点介绍单螺杆泵）。地面驱动井下单螺杆泵的转子转动是通过地面驱动装置驱动光杆转动，

8、通过中间抽油杆将旋转运动和动力传递到井下转子，使其转动。转子的任一截面都是半径为R的圆。每一截面中心相对整个转子的中心位移一个偏心距E，转子的螺距为t，螺杆表面是正弦曲线abcd绕它的轴线转动，并沿着轴线移动形成的。 (如图1-4)。定子是以丁腈橡胶为衬套浇铸在钢体外套内形成的，衬套内表面是双线螺旋面，其导程为转子螺距的2倍。每一断面内轮廓是由两个半径为R（等于转子截面圆的半径）的半圆和两个直线段组成的。直线段长度等于两个半圆的中心距。因为螺杆圆断面的中心相对它的轴线有一个偏心距E ，而螺杆本身的轴线又相对衬套的轴线又有同一个偏心距值E ，这样，两个半圆的中心距就等于4E(如图1-5)。衬套的

9、内螺旋面就由上述的断面轮廓绕它的轴线转动并沿该轴线移动所形成的。衬套的内螺旋面和螺杆螺旋面的旋向相同，且内螺旋的导程T为螺杆螺距t的二倍，即T=2t。 入口面积和出口面积及腔室中任一横截面积的总和始终是相等的，液体在泵内没有局部压缩，从而确保连续、均衡、平稳地输送液体。 当转子在定子衬套中位置不同时，它们的接触点是不同的(如图1-6)。液体完全被封闭（这种液体被封闭的情形称为液封闭）时，液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭数越多， 泵的排出压力就越高。转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线

10、，而在其他位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程T内形成一个封闭腔室，这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。当转子转动时，转子定子副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加，在它与吸入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。随着转子的转动， 这个腔室开始封闭， 并沿轴向排出端移动， 封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。 螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室

11、基础上工作的。转子运动时（作行星运动），密封空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。由于转子是金属的，定子是由弹性材料制成的，所以两者组成的密封腔很容易在入口管路中获得高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。 可见，螺杆泵是一种容积式泵，它运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流扰动小，排量均匀。由于钢体转子在定子橡胶衬套内表面运动带有滚动和滑动的性质，使油液中砂粒不易沉积，同时转子定子间容积均匀变化而产生的抽吸、推挤作用使油气混输效果良好，所以，螺杆泵在开采高粘度、高含砂和含气量较大的原油时，同其它采油方式相比具有独特的优点。 2) 螺杆泵基本特征 (1

12、) 螺杆泵定、转子型线方程 转子型线 图1-7给出了确定转子表面型线方程式的简图。利用两个坐标系统：动坐标x1o1y1和转子任一截面z的中心o1相连，方向维持一定；定坐标xoy和转子本身的中心o相连，oz为转子的中心线，转子任意截面都是半径为R的圆，从转子截面中心o1到转子中心o的距离为偏心距E。 转子工作表面上任一点M在定坐标中的位置x，y，z， 可用角和的函数来表示： 1-1 式中 M点相对动坐标x1o1y1的转角； 动坐标x1o1y1相对定坐标xoy的转角； t 转子螺距，mm。 式1-1是转子曲面的参数方程式，和为参变量，消去参变量和，就可得到下面的转子曲面方程式 1-2 为求得转子的

13、轴面曲线，也即绘图时所用的平面曲线，令式1-2中的x=0并简化得： 1-3 式1-3为转子和yoz平面的交线方程式。如果以此曲线绕转子中心线oz作螺距为t的螺旋运动，就可形成转子的表面，所以式1-3表示的曲线就是转子的型线，即转子的型线方程式。 定子型线 图1-8绘出了定子衬套的断面轮廓。利用两个坐标系统，动坐标x1oy和衬套断面中心o相连，它的oy1轴和ox1轴分别与衬套长圆形断面的长轴和短轴相重合，随着衬套断面沿着z轴(z轴在图上未给出)旋转而转动；定坐标xoy也和衬套断面中心相连，方向维持不变。 由图1-8可见，衬套断面对oy轴和ox轴都是对称的，所以，为了求得衬套的型线方程式，只要建立

14、曲线BCD的曲面方程式即可。又因为曲线BCD是由圆弧段BC和直线段CD两部分组成，所以为了建立曲线BCD的曲面方程式，实际上只要求出圆弧段BC和直线段CD两部分的曲面方程式即可。 如图1-8所示，在曲线BCD上有一点N，它的轨道从B点到D点，在定坐标xoy中，N点位置所对应的角从0变化到/2，而在圆弧段BC上，N点轨迹所对应的角为0，而在直线段CD上N点轨迹所对应的角为。设衬套断面顺时针转动一个角，即动坐标oy1轴和定坐标oy轴的交角为，此断面相当于距初始位置为z处的衬套断面。 下面分别求出圆弧段BC和直线段CD所形成的衬套曲面方程式。 a. 圆弧段BC所形成的衬套曲面方程式BC上任一点N在定

15、坐标中的位置x，y，z，可用下式参数方程来表示，即: 1-4这时 0 式1-4是圆弧段BC形成的衬套曲面的参数方程，其、为参变量，消去参变量，就可得到圆弧段BC所形成的衬套曲面方程式 1-5同样，令x=0，即可得到轴面曲线，即 1-6此时 0 b. 直线段CD所形成的衬套曲面方程式 直线段CD上任一点N在定坐标中的位置 x、y、z，可用下式参数方程来表示 1-7此时 /2式中 oN线和动坐标x1oy1的横轴ox1 的交角。 消去式1-7中的参变量和可得到直线段CD所形成的衬套曲面方程式。 1-8 令x=0，可得出直线段CD所形成的轴面曲线方程 1-9 综合式1-6和式1-9，就可给出BCD所形

16、成的衬套轴面曲线方程式，即衬套的型线方程式。 1-10 (2) 螺杆泵的排量计算 螺杆泵的理论排量由下式确定 1-11式中 Q螺杆泵的理论排量，m3/d； E 转子的偏心距，mm； D 转子截圆直径，mm， D=2R； T 定子导程， mm， T=2t； n 转子的转速， r/min。螺杆泵的实际排量Q为 1-12 式中 螺杆泵的容积效率，%。 由式1-11，1-12可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的结构参数E、D、T和工作参数n有关系。对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析表明，在E、D、T三者间存在一定的联系， 就是在这三个参数维持一定比值的条件下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作

17、。 (3) 螺杆泵定、转子间的过盈及泵级数 采油用螺杆泵单级举升高度一般不超过70m，即单级最大工作压差不超过0.69MPa，目前，普遍采用的螺杆泵单级工作压差设计为0.5MPa左右。单级工作压差除了与结构参数、工作参数及定子橡胶的机械物性等有关外， 主要是靠定、转子间的过盈来实现的。过盈量越大单级工作压差越大，转子摩擦扭矩也越大；过盈越小， 单级工作压差越小， 满足不了油井举升的需要。所以螺杆泵定、转子间的过盈存在合理值。过盈量的确定必须在掌握定子橡胶物性，特别是橡胶的热胀、溶胀性能的基础上，方能确定。经验数据表明，一般定、转子的初始过盈0的取值满足下列范围比较合理，即 。=(0.0050.

18、01)D (mm) 泵级数z则根据油田实际需要的举升高度Pmax及单级举升高度Pd 来决定，即 泵级数z决定了螺杆泵定、转子的长度，即定子长度 Ls=zT转子长度 Lr= Ls +(0.2m 0.3m) 3) 螺杆泵的运动学问题 (1) 转子的自转和公转为了分析螺杆泵转子在定子衬套中的运动，以螺杆本身的轴线为圆心，以转子任一截面圆心o1和o2的距离E为半径作一个圆，并称之为转子的动中心圆。转子的动中心圆实际上是所有转子截面中心在平面上的投影。再以衬套的中心o为圆心，以2E为半径，作一个圆称之为定子的定中心圆。如图1-9图示。转子在定子衬套中的运动可看作转子的动中心圆(滚圆)在衬套的定中心圆(导

19、圆)内作纯滚动。 当动中心圆逆时针转动时(自转)，其圆心o2 绕定中心圆圆心o作顺时针方向的圆周运动(公转)。所以，自转和公转的方向相反，下面用图7-9来分析自转角速度和公转角速度02间的关系。 以o2作为原点，取动坐标xo2y，它的方向保持不变，即o2x永远平行于ox，而原点o2 绕衬套中心o作圆周运动。转子的自转是指转子相对动坐标系xo2y的相对转动，它的自转角速度是和传动轴角速度相同的。 设动中心圆和定中心圆的滚动接触点o1 上的绝对速度为01 (动中心圆上)，应等于相对速度r和牵连速度02的向量和，即 式中 ，它是由转子自转或相对动坐标系转动而产生的； ，它是由坐标原点o2 公转而产生

20、的，如图7-9所示，r和02 的方向相反。所以，从绝对值的关系来看01 =E-02E，因为转子动中心圆沿衬套定中心圆作纯滚动，其接触点的速度01=0，所以得到=02 ，即转子自转的角速度与公转的角速度02 大小相等，方向相反。转子动中心圆的自转是地面光杆通过抽抽杆来带动的，所以转子的自转和公转角速度均为 (rad/s) (2) 转子在定子衬套中的运动规律转子在定子衬套中运动时，由于转动的抽油杆限制了转子的轴向位移，因此转子在定子衬套的运动只是一个平面运动。如图1-10a所示，图中绘出z=0平面上的衬套断面(z轴由纸面指向上)。将转子装进衬套后，转子本身轴线o2z离衬套中心线oz的距离为E，该断

21、面上转子截面的圆心位于o1 ，以o2 为圆心，以o1o2 =E为半径作圆，称为转子的动中心圆；以o为圆心，oo1=2E为半径作圆，称为衬套的定中心圆.在图1-10b中绘出同一转子 定子副的任意断面z。 显然，在该断面中衬套的长圆形形状不变，只是长轴OM比z=0断面转了一个角度，和z的大小有关，因为z=(T/2)，所以，=2z/T。因为是转子的同一个位置(转子没有转动)，所以转子的中心线o2 和动中心圆不变，但是在断面z中，转子的断面圆心不在o1 ，而是沿动中心圆从o1 转过一个角度1因为z=(t/2)1 ，所以有 这就是说，从z=0断面到z断面，转子的转角1等于衬套转角的两倍。在图1-10b中

22、，过o2点作yo2N=1和动中心圆交于点o1，o1点就是z断面中转子的断面圆心，有了圆心，就可以作出转子的断面圆。下面来证明，o1点一定在OM直线上，即在衬套长轴上，在动中心圆内，o1o1弧长为 o1o1 =E1 设o1点为衬套长轴OM与动中心圆的交点， 则在动中心圆内o1o1 弧长为 o1o1=2E 比较o1o1 与o1o1 的弧长，因为1 =2，则 o1o1 =o1o1 这样说明o1 和o1 一定重合，而且位于衬套长轴上，因此在任意断面z中，转子的截面圆心是位于衬套长轴上，同时是动中心圆和衬套长轴的交点。 下面来证明，当转子工作时，任意断面z中转子断面圆心是沿衬套的长轴方向作直线往复运动.

23、 如图1-11，设o1点的速度为，其沿x，y轴分量为x ，y ，依据前文所述的运动合成得 由比可见，o1 点的速度方向与衬套长轴OM相一致，而且o1又在长轴上，故转子任意z截面的圆心在衬套断面的长轴方向运动。 1-13 由此，转子在衬套中运动特点可以总结为以下两点： 在转子定子副的任意断面上，转子截面中心位于衬套断面的长轴上； 随着转子的转动，该断面上的转子截面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动。 4) 螺杆泵的力学问题 (1) 转子的理论扭矩 转子定子副将机械能转换为液体能，若不考虑损失，则由能量转换关系得 其中 q=4EDT则 1-14式中 M 转子的理论扭矩(有功扭矩)； q 螺杆泵

24、的单转排量； p 螺杆泵吸入端与排出端的液压差。 此外，转子与定子之间还存在着摩擦扭矩(无功扭矩)，摩擦扭矩的大小主要与螺杆泵自身的结构参数、定子橡胶的机械物理性能(主要是硬度)，定、转子间的过盈量及热溶胀性能等因素有关。摩擦扭矩的大小一般是通过室内试验检测得到的经验数据。 (2) 转子轴向力 由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体有压差存在，所以转子定子副中的液体将对螺杆泵的定子、转子施加力的作用，设转子螺旋面上某点处所受的正压力为dF，则其轴向分量dFa 与其周向分量dFc的关系为 式中 受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离； t 转子螺距。 T=2tdF对转子轴线的力矩为 对上式两边在整个转子定子

25、副面上进行积分得 即有 式中 Fa转子螺旋面上所受的轴向力。另外，转子端面也受液体压差的作用，所以端面轴向力Fe为 式中 D 转子截圆直径； d 抽油杆直径。由此转子所受的总轴向力为 1-15二、螺杆泵工作特性 1. 螺杆泵工作特性曲线图2-1 螺杆泵工作特性曲线螺杆泵工作特性是通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况实测的螺杆泵工作特性曲线。包括：容积效率曲线压头与排量的关系曲线；扭矩曲线压头与转子扭矩的关系曲线；系统效率曲线压头与系统效率的关系曲线。螺杆泵的工作特性曲线是指导螺杆泵抽油的技术基础，无论是选井、选泵、施工设计和使用管理都要以泵的特性曲线为基础。图2-1为典型的螺杆泵工作特性曲线

26、。 2.螺杆泵的部分离心泵特性图2-2具有负过盈的螺杆泵容积效率曲线500r/min ；160r/min 螺杆泵是一种旋转容积泵， 但同时也具有部分离心泵特性。从转子的几何形状和运动方式看，螺杆泵实际上类似于离心轴流泵，在高速运转时，它同样能把动能转化为介质的压能，随着转速升高流量增大，压头也随之增高。图2-3具有过盈的螺杆泵容积效率曲线 容积泵特性曲线段 ；拐点；离心泵特性曲线段 图2-2是具有负过盈(间隙) 的螺杆泵压力容积效率曲线图。从图中可以看出，它具有相似于离心泵的特性曲线，一般地说，它的外特性较软(没有容积泵较平直线段的特点)，随着压力升高，容积效率很快下降， 随着转速升高，压头也

27、升高。图2-3是具有过盈的螺杆泵压力容积效率曲线。 从图中可以看出，随着转速升高，泵的最高压力点(压头)向高压方向移动。其原因是，由橡胶注压而成的定子，在压力较低时，橡胶的密封性能较好，漏失较小，容积效率曲线呈平直线段，这时泵的特性表现为容积泵特性， 压力升高时，液体漏失渐渐增加。当压力升高到某一值时，橡胶产生较大变形，转、定子间产生较大间隙， 液体开始大量漏失，即所谓的“击穿”。此位置在压力容积效率曲线的拐点处。若压力继续升高，转、定子间的间隙继续增大，漏失急剧增加，这时相当于前面讲的负过盈(间隙)情况，这时泵表现为离心泵特性。此位置在压力容积效率曲线的拐点下面的曲线段。这时若转速升高，压头

28、也随之升高。所以螺杆泵是介于容积泵和离心泵之间的一种泵。 3.结构参数对螺杆泵特性的影响 螺杆泵的结构参数是指转子的偏心E，直径D，导程T和级数Z。对现有单螺杆泵的结构和使用情况进行分析表明，在E、D和T三者间存在一定的联系，只有在这三个参数维持一定比例的条件下，单螺杆泵才能保证高效率和长期的工作。 对于采油用的小排量、高压头的单螺杆泵，可取下列比值2 2.5 28 32 对于采油用的大排量、中压头的单螺杆泵，可取下列比值8 15 50 60 根据国内制造技术条件，我国螺杆泵的设计参数一般采取小的偏心距E和大的转子直径D，形成的转子螺旋线轮廓不明显，这样转子和定子的密封是面密封而不是线密封，

29、再加上转子外表面比较粗糙，这就使泵的水力效率降低，定子易磨损发热，加速定子橡胶的老化。因此，在提高螺杆泵制造技术水平的同时，设计时应选用较大的偏心E和较小的转子直径D，这也是提高泵效，延长泵使用寿命的一条途径。 螺杆泵的扬程(即承压能力)是由定、转子间形成的空腔数量(即级数)决定的。通常把一个定子导程定义为一级，它刚好是一个完整密封腔的长度。定子和转子间的密封线分割成的密封腔，由于两密封腔之间有泄漏存在，两个连结腔室之间的最大压差是相同的，即泵的每级差是按等差级数分布的。图2-4 过盈量对泵特性的影响 =0.45mm ；=0.2mm ； =0.1mm对于不同硬度的橡胶，其弹性模数各不相同，泵的

30、每级承压能力也不同。硬度高的橡胶承压高， 硬度低的承压低。对于丁睛橡胶，一般取邵氏A硬度6570度左右，这时泵的每级承压值约取0.40.5MPa。由螺杆泵的原理可知，其定、转子间过盈在一定程度上决定了单级承压能力的大小，如图2-4所示，过盈量将直接影响螺杆泵工作特性。过盈小会降低举升能力，而过盈大会增加定、转子间的摩擦，降低效率。因此，定、转子间的过盈选择是螺杆泵制造的关键技术之一。 4. 工作参数对螺杆泵特性的影响 螺杆泵的工作参数是指转子旋转的速度而言，由螺杆泵理论排量计算公式Q=4EDTn可知，在螺杆泵结构参数E、D、T 确定下来后，排量Q只与转速n成正比。 因此， 要实现较大的排量只有

31、提高转子的转速。另外，转子转速也是影响螺杆泵容积效率的因素之一，转速的增加可以有效地增大举升高度，不同程度地弥补因转速增加而加剧的定子磨损造成的漏失。图2-5 所示的三组试验曲线就说明了随着转速的提高，在同一举升高度条件下，泵的容积效率升高；在同一容积效率条件下，泵的举升高度增加。图2-5 转子转速对螺杆泵工作特性的影响162r/min；205r/min；255r/min但另一方面，由于螺杆泵的定、转子间有一定的过盈值，转子在定子内旋转时，定子橡胶受到周期性压缩，产生摩擦面的自动升温和疲劳。在井温比较高的情况下，加速了橡胶分子链的重新组合，使弹性模数减小，从而降低疲劳特性及金属套和橡胶结合面上

32、粘结剂的强度，也加速定子橡胶的老化而缩短其寿命。从试验得知，自动升温值和压缩疲劳以及橡胶的老化是加载频率(即转速)的函数，因此，选择泵的适当转速是很有必要的。一般来说，近几年设计的地面驱动采油螺杆泵，最高转速均在300r/min 左右，而最常用的转速为50200r/min。 对于高含砂油井，磨蚀是限制泵转速的又一重要因素。在磨蚀工况下，定子橡胶的磨损量与转速的平方成正比。因此，在高含砂油井，螺杆泵不宜高速运转。 5. 定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响螺杆定、转子加工质量对螺杆泵特性的影响泵定、转子加工质量是指定子内腔表面的粗糙度，定子内腔橡胶直线度，橡胶与钢套的粘接强度，定子两端丝扣在额定工

33、作压力下不漏失及转子表面粗糙度，转子的直线度，转子偏心距和截面圆直径是否符合设计要求，转子镀层是否光洁、完好， 转子联接丝扣是否符合标准等。 1) 定子内腔表面、转子外表面的粗糙度对泵特性的影响 一般来说，定子内腔表面粗糙度不大于Ra1.6， 转子表面粗糙度不大于Ra1.8。这样才能保证螺杆泵有较高的泵效而且扭矩相对较小。因为螺杆泵的定子和转子间有一定过盈，转子与定子表面接触产生擦力，摩擦力的大小除取决于定、转子间的过盈值以外，还取于决定、转子表面的粗糙度，如表面不经处理过于粗糙，势必因摩擦而产生较大的扭矩，同时，产生摩擦面的自动升温和疲劳，井液温度和泵抽时产生的合成温度超过橡胶的耐温极限，促

34、使橡胶老化加快，抗拉强度降低和硬度增加，大大地降低了螺杆泵的使用寿命，同时也降低金属套和橡胶结合面上粘结剂的强度，致使橡胶过早从金属管壁脱落。 2) 定、转子直线度对泵特性的影响 (1) 定子内腔直线度对泵特性的影响产生定子内腔直线度不好的原因在于国产螺杆泵注胶采用卧式，若定子模芯扶正不好或没有采取模芯扶正措施，注胶压力和模芯重力使定子模芯变形弯曲而偏离轴心，定子硫化完成后橡胶定形被粘结在金属管壁上，在模芯偏离轴心处的橡胶也偏离轴心，致使定子橡胶在对称方向厚度不均。图2-6a、b 所示为模芯扶正和没有扶正(或扶正效果不好)两种情况定子橡胶厚度在对称方向均匀和不均匀示意图。 a b a b图2-

35、6 定子橡胶压偏示意图a 模芯扶正；b模芯没有扶正 螺杆泵在使用过程中，在压差的作用下，井下原油中碳氢化合物和芳香族化合物轻质成份渗透到橡胶内，在橡胶薄弱处，轻质成分穿透橡胶与粘结剂发生作用，使粘结剂过早失效，致使橡胶从管壁脱落，并在扭矩力的作用下加速橡胶的脱落，使泵过早因脱胶而失效。另外，由于定子直线度不好，还会造成泵扭矩偏大，运转时振动加剧，泵密封性能差。另外，也会造成每级承压不均，影响泵的性能发挥。 (2) 转子直线度对泵特性的影响 转子直线度对泵特性的影响与定子直线度对泵特性的影响相似，转子直线度不好的具体表现为泵的扭矩偏大，运转振动加剧，泵密封性能差。 3) 转子偏心距和截面圆直径对

36、泵特性的影响根据螺杆泵转子在定子内运动是一个行星运动，即转子绕自身回转中心的自转和转子绕衬套中心的公转的合成运动。一般来说，转子偏心在加工时符合设计要求，但由于加工设备精度不一致和技术素质不同，在加工过程中，会出现两种可能：其一，加工转子偏心大于设计尺寸，在使用过程中，会出现转子挤压定子橡胶(在定子长轴方向)，其结果为运转扭矩偏大，在一个运转周期中扭矩不一致，电机作功不平稳；其二，加工转子偏心小于设计尺寸，其结果表现为一个空腔排液不彻底，实际排量小于设计理论排量，泵效低。转子载面直径的大小，实际反应的是定、转子之间的配合过盈量。螺杆泵的工作原理决定了要保证泵有一定的泵效必须使转子与定子表面的接

37、触线充分密封。密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。所以过盈量的大小直接影响泵效的高低。由实验发现，过盈量太大，虽然泵效较高，但抽油杆传递扭矩增大，易出现油管、抽油杆断脱，而且定子橡胶磨损加剧，使用寿命缩短。过盈量过小，泵效太低。通过长期的实践摸索，低排量的螺杆泵定、转子之间的过盈量在0.30.5mm为合适。 排量超过120m3/d的螺杆泵定、转子间的过盈量在0.10.3mm为合适。 6. 举升介质对螺杆泵特性的影响 主要分析举升介质温度、粘度对螺杆泵特性的影响。 1) 温度对螺杆泵工作特性的影响图2-7举升介质温度对螺杆泵特性的影响1清水15 2清水30橡胶热胀冷缩比较明显，螺杆泵定子内的橡

38、胶衬套也如此， 定子所处环境温度升高，定子橡胶膨胀，增大了定、转子间的过盈量，也就是说，定、转子间的密封腔室密封效果更好，单级腔室的载压能力增强。因此，在同一净举升高度条件下，温度升高，螺杆泵容积效率也随之提高，图2-7所示。但试验发现， 温度升高泵扭矩变化不明显。 2) 介质粘度对螺杆泵工作特性的影响 通过室内和现场试验表明，试验介质的粘度增加也会使泵的容积效率得到改善，因为粘度越大，分子间的力就越大，外力破坏其结构就越困难，表现在螺杆泵上，就是密封效果变好，即在同一净举升高度条件下，试验介质粘度增加，泵的容积效率升高。但另一方面，抽油杆在液体介质中作旋转运动，随着介质粘度的增加，抽油杆与液

39、体的摩擦力增加，表现为抽油杆的扭矩增加。 7. 影响螺杆泵使用寿命的主要因素 影响螺杆泵使用寿命的因素很多，通过长期的实践摸索，从产品质量的角度分析其主要因素有以下几点。 定、转子的加工精度及表面光洁度； 定子橡胶的耐温、耐油、耐气浸性能； 定子橡胶与金属外套的粘结强度； 定子内腔及转子的直线度； 定、转子间合理过盈量的选择； 转子合理转速的确定。 8. 螺杆泵工作特性曲线的数值模拟 通过室内检测得到的螺杆泵工作特性曲线还不能真实的反映螺杆泵在各种井况下的真实工作特性，因而必须对螺杆泵的工作特性曲线进行扩展模拟分析，以便掌握螺杆泵在井下的真实工作特性。通过地面模拟井下不同工况对螺杆泵工作特性的

40、影响，掌握环境因素、工作参数及结构参数对泵工作特性影响规律。目前得出如下数值模拟公式。 1) 排量曲线式中 Q1理论排量， m3/d； E 转子偏心距，mm； D 转子截面直径，mm； T 衬套导程，mm； n 转子转速，r/min。 当PPmax - p0时图7-18 举升介质温度对螺杆泵特性的影响清水，15；清水，15 当PPmax-P0时， Q =Q1 v=1， 其中 式中 Q 压力P下的排量，m3/d； Pmax 零排量时泵工作压差(泵最大举升高度)，MPa； P0 与泵结构参数、加工质量有关的常数； v 泵容积效率， ； P 泵工作压差(泵入口与出口压力之差)，MPa； k 与泵结构

41、参数有关的常数； t 泵工作温度， ； H 举升介质粘度，mPas； 定转子间过盈量， mm。2) 扭矩曲线 M=kP+Mo 式中 M 转子工作扭矩，； k 扭矩曲线斜率，； Mo P=0时的工作扭矩(初始扭矩)，。 3) 泵系统效率曲线 对于 2040 m3/d1000m的螺杆泵，上述有关常数如下 k=0.84 Po=7.07MPa k=14.6/MPa Mo=3040 如图2-8为螺杆泵工作特性曲线模拟的程序框图。图2-9为检测得到的工作特性曲线与模拟曲线对比，对几台泵的模拟实践表明，对比误差小于5，可以代替工作特性曲线予以应用。 2M，Nm，%v %1009080706050403020

42、1000500 400 300 200 100 00100 80 60 40 20 000 2 4 6 8 10 12 P MPa图2-9 螺杆泵工作特性曲线及模拟特性曲线扭矩曲线；系统效率曲线；容积效率曲线检测曲线；-模拟曲线 9. 螺杆泵工作特性曲线的应用 1) 选井选泵 螺杆泵工作特性曲线是选井选泵的基本依据。根据油井的产能和合理流压，选择合适的泵型，从而使泵的排量、举升能力与油井产能、合理流压相协调，进而使螺杆泵采油井在合理工况下稳定生产。 2) 工况分析与故障诊断 螺杆泵工作特性曲线是螺杆泵采油井工况分析与故障诊断的基础。将螺杆泵采油井的各类生产数据及测试的工作特性数据与螺杆泵工作特

43、性曲线进行对比，就可判断出螺杆泵是否工作在合理工作区域内，同时也能判断出螺杆泵是否存在故障及其故障类型。 3) 产品质量性能评价螺杆泵工作特性曲线是评价螺杆泵产品质量性能的主要标准。螺杆泵工作特性曲线能够全面地反映出螺杆泵的举升特性、能耗特性。因此，螺杆泵产品能否满足油井举升，产品质量是否合格，通过检测，获得螺杆泵工作特性曲线，结合螺杆泵定子橡胶的机械物理性能和耐油、气浸性能试验数据，可综合判定螺杆泵的性能和质量。 三、螺杆泵采油设计和配套工艺技术1. 螺杆泵采油设计 螺杆泵采油是由地面驱动装置通过抽油杆带动井下螺杆泵转子在定子内转动实现抽汲作用，将井下原油举升到地面的抽油过程。螺杆泵井抽油杆

44、、油管的工作条件与常规有杆泵不同。为了合理作好螺杆泵井杆柱、管柱的设计，正确使用螺杆泵，避免工作事故，提高采油经济效益，就要对螺杆泵井杆柱、管柱的受力状态进行分析。 1) 杆柱、管柱受力分析 (1) 抽油杆受力分析与计算 抽油杆在油管内转动，将动力传递到抽油杆下端的转子，从而实现抽汲作用。抽油杆受载荷均匀，它不但受轴向力，同时还承受负载扭矩的作用。 其中，轴向力F包括抽油杆在液体中自重Fg， 螺杆泵进出压差作用在转子上产生的液压轴向力Fp。扭矩包括举升扭矩Mp、 定子与转子间的摩擦扭矩Mf及抽油杆在油管内液体中转动，液体对抽油杆的阻扭矩My。即 F=Fp+Fg M=Mp+Mf+My 抽油杆柱受

45、力计算 F=Fp+Fg 式中 Fg=mgL m 抽油杆在举升液体中的每米重量，kg/m； L泵挂深度，m； g重力加速度，m/s2； Fp见7-15式； P=Pd+Pz+Pm-Ph-Pt； P螺杆泵的工作压差，MPa； Pd 回压，MPa； Pz泵出口至井口油管内液柱压力，MPa； Pm液体流动的沿程损失，MPa； Ph环空动液面到泵入口液柱静压，MPa； Pt套压，MPa。 抽油杆柱扭矩计算 其中 式中 E转子偏心距； D转子载圆直径； T定子导程。 式中 举升介质的平均粘度； n工作转速； D油管内径； d抽油杆外径； Mf=kko(+。)fd/2 k与泵型有关的系数； f转子与定子间的摩

46、擦系数，由实验确定； ko定子橡胶刚度； 定子橡胶溶胀与热胀量； o定、转子间初始过盈量； Mf一般由实验确定。 (2) 管柱受力分析与计算 油管管柱的受力状态基本上同抽油杆柱的受力状态一致。其轴向力包括油管自重，泵进出口压差作用在定子上产生的液压轴向力及油管在液体中所受的浮力(与锚定工具有关)。而扭矩只是转子承受扭矩的反扭矩。 2) 杆柱、管柱设计依据 (1) 抽油杆杆柱 设计依据：在满足强度极限的条件下，尽量选择小直径的抽油杆。根据受力分析，强度校核公式 t=F/A =M/Wn =s/s式中t拉应力； 剪应力； 许用应力； s安全系数； (2) 油管管柱设计依据：油管尺寸尽量小，但必须尽量

47、减小抽油杆柱在油管内转动与油管发生相互摩擦的可能性，且保证转子能从油管内顺利下入。 3) 杆柱与管柱的匹配 杆柱与管柱的匹配依据：根据套管尺寸，螺杆泵结构参数大小，抽油杆柱的强度，下泵深度，排量要求来确定。因为各厂家生产的螺杆泵结构参数不一样，泵转子直径不同，泵定子外径不同，所以应根据所下泵的尺寸和井况来确定杆柱和管柱， 保证满足排量要求， 强度要求和经济效益好的要求。表3-1给出了常规管柱、杆柱的匹配。 表3-1 螺杆泵井管柱、杆柱匹配表实际排量，m3/d扬程，m油管规格，mm抽油杆规格，mm 21080060，73191400 22+191020100073221600 25+222080

48、10007322+251001501000892515030010008925+36 2. 螺杆泵采油井系统效率计算与分析 1)基本定义 螺杆泵采油系统：包括驱动电机、地面驱动装置、抽油杆、螺杆泵、井下管柱和井口装置。 螺杆泵井的输入功率：驱动螺杆泵采油的驱动电机的输入功率为螺杆泵井的输入功率。 螺杆泵井的有效功率：在一定的扬程下，以一定的排量将井下液体举升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水功率。 螺杆泵井的系统效率：螺杆泵井的有效功率与输入功率的比值为螺杆泵井的系统功率，即 螺杆泵井的损耗功率：螺杆泵井的输入功率与有效功率之差为螺杆泵井的损耗功率。 2) 系统效率的计算 螺杆泵井的输入功率

49、 3-1式中 P入 输入功率，kW； I 实测电流值，A； U 实测电压值，V； COS 功率因数。 螺杆泵有效功率 3-2式中 P有 有效功率，KW； Q 油井产液量，m3/d； H 有效扬程，m； 油井液体密度，kg/cm3； g 重力加速度，g=9.8m/s2。 有效扬程 3-3 式中 H液 油井动液面深度，m； P油 油井井口油管压力，MPa； P套 油井井口套管压力，MPa。 油井液体密度 3-4 式中 nw 含水率，%； 油 油的密度，kg/cm3； 水 水的密度，kg/cm3。 油井系统效率 3-5 3) 能耗分析螺杆泵采油井功率损耗Nf计算如下 Nf =Nm+Nn+Nh+Nf

50、3-6式中 Nm驱动电机的功率损耗； Nn传动系统功率损耗； Nh井下流体沿程损失损耗； Nf井下摩擦功率损耗。对于螺杆泵用y系列防爆电机其效率一般为90%94%， 损失效率为6%10%，即 Nm= (0.060.1)Nm 3-7 螺杆泵地面传动系统包括皮带、齿轮传动，因为螺杆泵恒载工作，一般传动效率为85%90%，即传动损失效率为10%15%，即 Nn = (0.10.15)(Nm-Nm) 3-8 井下流体沿程损失功率Nh计算如下 (kW) 3-9沿程损失Pm由下式得出 式中 管柱内流体平均粘度，Pas； D0油管内径，m； D抽油杆直径，m； k流道形状系数。 摩擦损耗Nf包括抽油杆在流体

51、间的旋转摩擦损 Nf1及螺杆泵定、转子间的摩擦损耗Nfs，即 3-10 (kW) 3-11式中n抽油杆转速(也即螺杆泵工作转速），r/min； L抽油杆杆柱长度，m。螺杆泵定、转子间的摩擦损失Nfs由下式计算式中 Mf螺杆泵定、转子间的摩擦扭矩，； Mf =M-Mw Mw螺杆泵转子工作扭矩，； M螺杆泵转子有功扭矩，。室内实验发现，螺杆泵工作扭矩M与泵的工作压力P的关系有很好的直线性。而温度、粘度、转速虽然能有效地提高泵的承压能力，但对泵工作扭矩的影响很不敏感，其原因是尽管因温度升高定子橡胶有所热胀，但因温度的升高使定子橡胶硬度下降，所以定、转子间的接触压力降低，工作扭矩也会下降。而粘度对工作

52、扭矩影响很小是因为粘度的增加对改善定、转子间的摩擦系数不敏感。 通过大量的室内实验，得到如下计算公式 M=kzZP+Mo式中 kz扭距曲线的斜率，/MPa； Z泵级数，级； Mo 泵的初始扭距(即泵的工作压力为零时的扭矩)，。初始扭矩由泵的结构参数，特别是定子橡胶硬度、定、转子间的过盈量决定，一般通过室内检测确定。扭距曲线斜率kz主要由泵的加工质量，特别是定、转子的几何形状精度，表面精度决定，一般通过实验确定。而有功扭距Mw理论公式如下 3-12式中 E转子偏心； D转子直径； T定子导程； P工作压力(泵出口压力与泵入口压力之差)； v泵的容积效率。 则 3-13 可见，利用式3-12、3-

53、13就可计算出螺杆泵定、转子间的摩擦损耗功率Nfs。 4) 提高螺杆泵采油井系统效率方法 提高系统效率必须降低功率损耗，具体方法如下: (1) 提高泵的加工质量，减小定、转子间的摩擦损耗； (2) 合理选井、选泵、使泵工作在合理区域内； (3) 加强管理，及时洗井清蜡以降低抽油杆旋转摩擦损耗； (4) 提高减速箱润滑质量、皮带质量、盘根质量以提高传动效率； (5) 合理选择驱动电机，避免大马拉小车现象。 3.螺杆泵采油配套工艺技术 1) 选井选泵技术 所谓螺杆泵选井选泵技术是依靠油井的状况来合理选择螺杆泵的泵型、确定泵的工作参数，或根据某一规格的螺杆泵来选井。而螺杆泵采油井的合理工况是指油井在合理流压下生产，螺杆泵在合理工作区域内工作。 由螺杆泵的