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  • 螺桿泵石油開采實戰技術知識基礎
    瀏覽次數:33 發表時間:2019-11-04

    1、螺桿泵(screw pump

        螺桿泵是按迥轉嚙合容積式原理工作的新型泵種,其主要工作部件是偏心螺桿(轉子)和固定的襯套(定子)。由于定子和轉子的特殊幾何形狀,分別形成單獨的密封容腔,介質在軸向被均勻推行流動,內部流速低,容積保持不變,壓力穩定,因而不會產生渦流和攪動。除此之外,螺桿泵的定子選用多種彈性材料糅合制成,在高粘度流體、含有硬質懸浮顆粒介質或含有纖維介質的輸送方面,與一般泵種相比具有明顯優勢,因此螺桿泵被廣泛應用在出砂井和稠油井當中。

     

    2、分類

    ?按照螺桿數目分:

    1)單螺桿泵——單根螺桿在泵體的內螺紋槽中嚙合轉動的泵;

    2)雙螺桿泵——由兩個螺桿相互嚙合輸送液體的泵;

    3)多螺桿泵——由多個螺桿相互嚙合輸送液體的泵。

    ?按螺桿吸入方式分:

    1)單吸式:介質從螺桿一端吸入,從另一端排出;

    2)雙吸式:介質從螺桿兩端吸入,從中間排出。

    3、按照泵軸位置分:臥式泵、立式泵。

     

    3、螺桿泵采油的特點

       螺桿泵是開采稠油和含砂原油的一種很好的手段,其容積效率隨原油粘度升高而升高,不象離心泵那樣隨原油粘度升高泵效急劇下降。法國MAPE公司生產的螺桿泵可以在含砂量高達60%的井況下正常工作。    

     

        螺桿泵于1930年發明后主要用于工業領域泵送粘稠液體,在近20年內作為一種人工舉升手段用于開采稠油和含砂原油。它是一種容積泵,特點是結構簡單、尺寸小、重量輕,不會出現泵卡、氣鎖、被砂蠟垢等堵塞,不會形成乳化液。

     

    4、螺桿泵工作原理

       井下螺桿泵由定子和轉子組成,當轉子在定子中偏心運動時,轉子與定子嚙合形成一系列相距180度且被定轉子接觸線所密封的控室。隨著轉子的轉動,密封內腔體由泵的吸入端向排出端軸向移動。例如,在泵的結構角度為0的剖面上,轉子轉動0角度時,形成敞開的一個腔室,當轉到180度,這個腔室封閉并形成一另一個新的敞開腔室。當轉動360度時,這新控室封閉又形成另一個新的敞開腔室。

     螺桿泵

     

          也就是說,只有當前一個腔室關閉后才能形成新的腔室。因此,當螺桿泵在井下液體中工作時,井下流體在泵吸入口壓力的作用下被壓入螺桿泵敞開的腔室,并隨著腔室的軸向移動,不斷地排至泵出口。由于腔室是不斷移動的,因此,螺桿泵又被形象地稱為腔室進動泵(Progressing Cavity Pump,簡稱PCP)。

     

    5、螺桿泵組成及作用

    井下系統

      井下系統一般主要由定子、轉子、回轉筒、限位器、抽油桿、抽油桿扶正器、定子扶正器、尾管、封隔器、錨定裝置等組成。

     

    A、定子

    定子是螺桿泵的一個關鍵部件,并直接影響到井下機組的壽命。定子制造質量越高,井下機組的壽命就越長。定子的作用就是提供轉子工作和液體抽汲的螺旋腔,其結構非常簡單,由鋼制外殼和塑料/橡膠襯套內腔有雙螺旋、三螺旋、四螺旋甚至五螺旋、六螺旋,在相同尺寸下,螺旋數越多,泵的排量越高。

    B、轉子

    轉子的結構也非常簡單,主體是鋼制桿件,一般外涂耐磨耐蝕的鉻合金材料。其作用是傳遞動力和寫定子形成密封腔。

    C、回轉筒

    回轉筒也就是一根內徑較大的油管或空心定子筒,接在定子的上部以給轉子和抽油桿桿柱以較大的回旋空間,防止轉子和抽油桿因偏心運動磨擦磨損油管。

    D、限位器

    限位器為一個底部帶限位板和流通通道的短節,接在定子的尾部,其作用是施工作業時給轉子限位以防止下入過頭而失去作用和桿柱脫落時防止桿柱掉入井底。

    E、抽油桿扶正器

    抽油桿扶正器由心軸和扶正筒組成,它接在兩根抽油桿之間,被卡在兩個抽油桿接箍之間。心軸也就是一要極短的抽油桿短節。扶正筒是一個內孔比心軸大1MM左右的空心塑料筒,外部有四個略比油管內徑小的扶正翼,采取澆注成型。扶正筒可以圍繞心軸轉動,防止抽油桿旋轉時與內壁接觸而磨蝕油管,又可以讓流體通過。

    F、抽油桿

    所使用的抽油桿是常用的普通抽油桿、空心抽油桿和連續抽油桿,可根據油井確定。

    G、定子扶正器

    定子扶正器為有一定彈性的籠形裝罩,每一對由兩半構成,中間大、兩端小。作用是使定子居中和減小定子的擺動。

    H、錨定裝置

    對于沒有封隔器的井和泵掛深度淺的井,用于固定定子、消除擺動和防止定子脫扣。采用普通的錨定裝置即可。

     單螺桿泵廠家技術圖紙

    6、地面驅動系統

    地面驅動系統包括傳動系統、傳動頭和聯軸節總成三大部分。

    A、傳動系統

    B、傳動頭

        傳動頭實際上就是一個止推軸承箱,它直接安裝在井口上方,其作用有三個,一是承受抽油桿的軸向載荷,二是將傳動系統的旋轉運動傳遞給抽油桿系統,三是密封井口以防止井流物泄漏。

    C、聯軸節

    聯軸節是地面傳動系統與傳動頭的聯接機構,起聯接作用。

    D、機械無級調速裝置

    E、反轉制動器

        當螺桿泵抽油時,抽油桿由于承受扭矩而處于扭矩變形狀態。當停機時,驅動頭施加給抽油桿上端的扭矩消失,同時井下轉子也在定子中靜止不動,因此導致驅動頭處抽油桿倒轉,抽油桿有脫扣危險。反轉制動器就是用于停機時防止抽油桿倒轉的機構。

     

    7、地面控制系統

    潛油電機驅動螺桿泵

    潛油電機驅動螺桿泵是近幾年發展起來的一種新型的螺桿泵采油方式,其英文全稱是Electric Submersible Progressing Cavity Pump 簡稱ESPCP。系統效率在50%以上,比電潛泵高1倍,比普通螺桿泵高14%。它同時具有普通螺桿泵和電潛泵的優點,而又克服了它們的缺點,其系統效率高、適用于稠油、不造成原油乳化、管理方便,在稠油和含砂原油生產中的作用和所占比例越來越大。但存在著調產不方便的缺點,由于它是容積泵且井下部分的轉速是一定的,其調產只能通過變頻器來實現。

    其與地面驅動抽油桿傳動螺桿泵存在的差別主要是:

    潛油電機 

    電機效率和功率因數較低,電機效率一般只有50%,功率因數只有60%左右。

    齒輪減速器

    是潛油螺桿泵的一個重要組成部分,也是它與電潛泵的一個區別標志,它位于電機之上。減速器的作用是把電機輸出的轉速降低到螺桿泵需要的轉速,轉速比可達3:1至9:1。

    保護器

    潛油螺桿泵保護器有兩個作用,一個是保護電機以防止井液進入電機;另一個作用是潤滑保護減速器以帶走減速器的磨擦熱達到延長壽命的目的,保護器內都充填電機油。為了降低成本,有的廠家將電機保護器和減速器保護器分開,分別充填不同的介質,電機保護器充填電機油,減速器保護器充填潤滑油。對于一體的保護器,都連接在減速器的上部,電機、保護器、減速器都采用同一種高性能電機油。對一于分體式保護器,電機和減速器有各自的保護器,位于電機之上,電機及保護器采用普通電潛泵電機油潤滑和冷卻;減速器保護器則接在減速器上部,減速器和保護器采用質量更高的齒輪潤滑劑。

    撓性軸

    撓性軸是潛油螺桿泵的一個關鍵部件,對延長機組壽命起著重要作用,它處在螺桿泵和減速器之間,其作用是消除轉子的偏心運動和減振,保證其下的保護器、減速器和電機處于良好的同心運動狀態。其結構簡單,實質上就是一根撓性很好的短軸,能夠承受很高的軸向和徑向載荷及扭矩。其徑向推力軸承采用高強度的碳化鎢硬質合金鋼。

    螺桿泵

    潛油螺桿泵機組所用螺桿泵在結構上基本相似,差別僅在于連接方式,普通螺桿泵采用的是螺紋連接,而潛油螺桿泵采用的是法蘭螺栓連接。

     單螺桿泵

    8、螺桿泵井工況分析及故障處理

     

    1、井下螺桿泵的工況,即井筒流體進入敞開腔室的流量大小與敞開腔室的壓差和流體粘度等因素有關。

    A、壓差對工況的影響

      如果忽略流體的蒸汽壓力、井筒動液面和泵吸入口的摩阻損失,則打開一個敞開的腔室所建立的最大生產壓差為0.1Mpa,只要在吸入口及腔室之間的壓降小于形成一個腔室所建立的壓差,井筒流體將全部充滿腔室,則螺桿泵可以達到其理論攝排量。

      當流體壓力降到蒸汽壓力以下,則出現氣蝕現象。如果一部分敞開的腔室被流體的蒸汽所充滿,當腔室封閉、轉子施加正壓力后,蒸汽則凝析,會使泵出現脈動和噪音。因此,為使泵能達到其理論排量和正常運轉,要求流體壓力大于其蒸汽壓力,并且吸入壓降小于0.1Mpa。

    B、流體粘度對工況的影響

    隨著流體粘度的增加,由于產生較高的壓降使泵的排量下降。

    C、泵磨損影響

    螺桿泵的工作轉速通常為40500r/min,為減少由于磨損而帶來的維修工作量,應當隨流體的磨蝕性增加而降低泵的轉速。研究表明,泵的磨損與流體流速成正比,但是低的轉速對井下泵的使用壽命又產生不利的影響。

    故障處理

    井下故障處理

    管柱脫落

      管柱脫落是自由式管柱結構經常發生的一種現象,這是由于正常運轉時轉子旋轉對定子產生的摩擦扭矩方向實際上是定子及油管的連接螺紋的卸扣方向,如果摩擦力矩大于油管扣的上扣扭矩,油管就脫扣。當尾管很重時,還會出現螺紋擄扣。當管柱脫落時,通過作業重新連接好就能恢復生產。如果未發生螺紋擄扣,可以采取對扣方式打撈,如果發生擄扣,必須下打撈工具進行打撈。

       管柱脫落的故障現象是:運行電流很低,基本上是電機的空載電流,除了有一股一股的氣外,井口基本上無產液,正發循環時油套連通。

    減少管柱脫落的措施有:將油管上扣扭矩由原來的最佳值提高到最大值;采用油管螺紋墊片;定子上的裝卸短節采用防松螺紋連接;采用油管錨或張力封隔器固定螺桿泵。

    桿柱脫落

    桿柱脫落也是螺桿泵常發生的一種故障現象,表現為運行電流很低,井口也無產液,正反循環油套不連通,通過對扣或下入抽油桿打撈工具就可以進行處理來恢復生產。抽油桿脫落也有兩種情況,一是脫扣,一是擄扣。造成脫扣的原因是停機后抽油桿柱扭轉變形余能釋放引起桿柱反轉,可以采取在地面和抽油桿柱上安裝防倒裝置進行防止。造成桿柱擄扣的原因有三個:一個是稠油井在長時間關井后再啟泵時,啟動扭矩特別大,把螺紋損壞了;一個是油特別稠,螺桿泵長期在高扭矩下工作而把螺紋損壞;再有一個原因是定子部分脫膠,轉子轉不動造成的。

    定子脫膠

    發生定子脫膠時,電機的運行電流特別大而出現過載停機,可能還伴隨抽油桿擰斷。從制造工藝角度來說,定子脫膠的原因是定子粘接工藝不過關而造成橡膠與殼體粘接不牢,目前在澆注與粘接工藝改進后,這類原因引起的脫膠現象較少發生。從操作角度來講,定子脫膠是由于操作條件與泵的性能不匹配,主要是由于壓差和扭矩過大,使得泵在壓差極限附近運轉而造成。

    定轉子過早磨損

    定轉子過早磨損主要是由于定轉子的間隙過小引起的。

    油管與抽油桿柱磨損

    油管與抽油桿柱磨損的原因一是因為井斜抽油桿貼在油管壁上引起的,可以通過加抽油桿扶正器使抽油桿柱居中來減輕或消除,另一個原因是定轉子不同心及轉子的偏心運動造成的,在定子以上加一節內徑較大的回轉筒即可避免。

     

    9、常見的地面故障處理

    防倒轉裝置故障

    抽油桿的防倒轉裝置可能出現失靈現象,主要原因是由于防倒齒的固定環損壞所致。發生這種故障時,電機停機后會出現抽油桿反轉,嚴重時或問題出現后未及時處理會引起抽油桿柱脫扣,因此,該故障一旦發現就應立即處理。

    機械調速裝置故障

    機械調速裝置經常發生皮帶、調節爪磨損等故障,通過更換處理即可解決。當皮帶磨損斷裂后會出現電機轉而傳動頭不轉的現象,電機運行電流非常接近空載電流。當調節爪磨損后,會出現通過調速手調轉速時轉速不發生變化。

    減速齒輪箱故障

    減速器齒輪箱常會出現缺油或齒輪油變質等問題,引起齒輪過早損壞,平時應勤檢查,定期加油或換油。

    填料函漏失

    填料函起密封光桿的作用,防止大量井流物漏出,平時有輕微漏失是正常的,可以起到潤滑光桿和防止填料磨損加快作用。漏失嚴重時可以調整填料函的壓蓋、補充填料或更換填料。

    螺桿泵生產廠家

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