小排量不動管柱作業(yè)桿式螺桿泵研制與應(yīng)用

于建濤

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠工程技術(shù)大隊 （黑龍江 大慶 163000）

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司外圍油田螺桿泵井年維護作業(yè)量較大，通過分析檢泵原因，其中泵原因作業(yè)占比30%左右，比例較高，部分井檢泵周期不到1年。目前抽油機井已應(yīng)用桿式泵實現(xiàn)不動管柱作業(yè)，降低了施工成本，但常規(guī)螺桿泵井檢泵時仍需將整個管、桿柱起出，作業(yè)周期長，且增加油管的損壞[1]。大慶外圍油田日產(chǎn)液在3 t以內(nèi)的井超過6 000口，隨著投產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，螺桿泵應(yīng)用井?dāng)?shù)的不斷增多，必然加大維護作業(yè)量，增加作業(yè)成本壓力。

1　相關(guān)參數(shù)的設(shè)計

借鑒桿式抽油泵技術(shù)原理設(shè)計桿式螺桿泵，將外工作筒與油管相連預(yù)置在井內(nèi)，內(nèi)工作筒和螺桿泵相連隨抽油桿下井，坐封到外工作筒上。檢泵時，直接上提抽油桿，解封內(nèi)工作筒，起出螺桿泵。為實現(xiàn)螺桿泵周向和軸向固定、密封3個功能，需要對防轉(zhuǎn)扭矩、防上頂力和密封壓力3個參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)定。

1.1　防轉(zhuǎn)扭矩的設(shè)定

地面驅(qū)動螺桿泵時，定轉(zhuǎn)子間存在摩擦扭矩，正常運轉(zhuǎn)時，防轉(zhuǎn)扭矩大于摩擦扭矩即可實現(xiàn)周向固定，但考慮卡泵時，轉(zhuǎn)子抱死，防轉(zhuǎn)扭矩應(yīng)大于傳遞至轉(zhuǎn)子時的剩余驅(qū)動扭矩[2]。假設(shè)地面?zhèn)鲃有?/p>

式中：M防為防轉(zhuǎn)扭矩，N·m；M驅(qū)為地面驅(qū)動扭矩，N·m；M摩為抽油桿與井液間的摩擦扭矩，N·m。

螺桿泵工作時，驅(qū)動頭通過抽油桿帶動井下螺桿泵旋轉(zhuǎn)，抽油桿與油管內(nèi)液流產(chǎn)生摩擦，假設(shè)抽油桿柱為等直徑，流體為牛頓流體，井筒內(nèi)流體黏度保持穩(wěn)定，則抽油桿與液流間的摩擦力矩可表示

式中：μ為流體平均黏度，mPa·s；r1為抽油桿半徑，m；r2為油管內(nèi)半徑，m；L為螺桿長度，m；M驅(qū)為地面驅(qū)動裝置額定扭矩，N·m；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2　防上頂力的設(shè)定

螺桿泵工作示意圖如圖1所示，螺桿泵在穩(wěn)定工作時，轉(zhuǎn)子所受軸向力F軸由三部分組成[3]：

式中：F流動為流體在定子襯套中移動時，螺桿泵轉(zhuǎn)子受到的軸向力，N；F摩擦為當(dāng)轉(zhuǎn)子沿著定子襯套表面作相對滑動時，轉(zhuǎn)子受到摩擦力，引起的定子襯套棱線沿轉(zhuǎn)子軸線的反作用力，N；F壓差為由泵排出端和吸入端的壓差所產(chǎn)生的軸向力，N。

圖1　螺桿泵工作示意圖

1.2.1F流動的確定

在定轉(zhuǎn)子間具有一定間隙的情況下，液體以雙線螺桿的形式沿著襯套的潤濕表面流動，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。這時可利用彼得洛夫的液體摩擦計算公式，給出F流動的表達式：

式中：S為產(chǎn)生相對滑動的襯套內(nèi)表面面積，mm2；Vax為流體質(zhì)點移動速度軸向分量，m/s；α為螺桿襯套副表面沿密封線間隙，mm；e為轉(zhuǎn)子偏心距，mm；D為襯套全長，mm；R為轉(zhuǎn)子截圓半徑，mm；T為定子導(dǎo)程，mm。

將S和Vax代入F流動，得出以下表達式：

圖2　螺桿泵主要工作參數(shù)

1.2.2F摩擦的確定

當(dāng)轉(zhuǎn)子做行星運動時，在離心力作用下壓向襯套，使轉(zhuǎn)子表面沿襯套表面產(chǎn)生摩擦，由此引起對

其中，F(xiàn)r=mrω2e，ω=πn/30，mr=πR2Lρ。

式中：Fr為螺桿做行星運動時所產(chǎn)生的離心力，N；mr為螺桿的質(zhì)量，kg；ω為角速度，rad/s；ρ為螺桿密度，kg/m3；f為螺桿與襯套表面的半干摩擦系數(shù)，對于鍍鉻螺桿和澆鑄橡膠的平滑表面，f取0.25～0.3；將Fr、mr代入F摩擦，得出F摩擦的表達式：

1.2.3F壓差的確定

F壓差是由排出端和吸入端的壓差所產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子的軸向力。排出端的液壓作用在轉(zhuǎn)子的一個端面以及與排出端相通的密封腔室的轉(zhuǎn)子螺旋面上。螺旋表面形狀復(fù)雜，用虛位移原理簡化公式，得出F壓差的表達式：

pd為泵排出端的壓力值，MPa；ps為泵吸入端的壓力值，MPa。

可求出螺桿泵總軸向力的表達式：

1.3　密封壓力的設(shè)定

根據(jù)螺桿泵的工作環(huán)境[4]，內(nèi)外工作筒間的密封壓力為

式中：ρ1為油管內(nèi)液體平均密度，kg/m3；ρ2為油套環(huán)空液體平均密度，kg/m3；L為泵出口至井口的距離，m；h為沉沒度，m；pc為套壓，MPa；pt為油壓，MPa；ΔPf為泵出口至井口液體流動的摩擦阻力損失，MPa。

根據(jù)方案設(shè)計，同時考慮管柱結(jié)構(gòu)，確定生產(chǎn)參數(shù)[5]。選取GLBX22-40型螺桿泵，相關(guān)參數(shù)見表1；以龍A井為試驗井，相關(guān)參數(shù)見表2；將泵和井內(nèi)壓力、含水等參數(shù)代入上述表達式。

計算出M防=96 N·m；F軸=1.2 t；P密=2.7 MPa。

綜合機械工藝可靠性和抗變形安全系數(shù)[6]，選取安全系數(shù)為1.3，最終確定M防=125N·m；F軸=1.6 t；P密=3.5 MPa。

表1　螺桿泵相關(guān)參數(shù)

表2　龍A井相關(guān)參數(shù)

2　管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)螺桿泵不動管柱作業(yè)，借鑒桿式抽油泵結(jié)構(gòu)原理，研究了桿式螺桿泵工藝，并分別設(shè)計內(nèi)外工作筒，實現(xiàn)防轉(zhuǎn)、防上頂結(jié)構(gòu)和密封3個主要功能，結(jié)構(gòu)如圖3、圖4、圖5所示。

圖3　桿式螺桿泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

圖4　內(nèi)工作筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計

圖5　外工作筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1　防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

一是內(nèi)工作筒上設(shè)計抗扭花鍵，外工作筒設(shè)計有抗扭槽，在螺桿泵運行時定子不隨著旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)周向固定；二是花鍵端部設(shè)有導(dǎo)向角，方便內(nèi)工作筒順利導(dǎo)入；通過地面檢測，防轉(zhuǎn)扭矩達到2 100 N·m以上。

2.2　防上頂結(jié)構(gòu)設(shè)計

一是內(nèi)工作筒上設(shè)計的鎖緊爪為分瓣式結(jié)構(gòu)，與外工作筒上的鎖緊平臺配合，防止螺桿泵定子上頂。二是通過優(yōu)化鎖緊爪的瓣數(shù)、厚度和導(dǎo)角等，依靠桿柱重量實現(xiàn)坐封，直接上提桿柱實現(xiàn)解封；通過地面檢測，坐封力為1.4 t，防上頂力達到2.4 t。

2.3　密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計

一是內(nèi)工作筒上設(shè)計有密封圈，外工作筒設(shè)計有密封筒，當(dāng)內(nèi)筒下至設(shè)計深度后，與外筒之間相互配合，保證整個系統(tǒng)的密封性；二是在內(nèi)工作筒上部設(shè)計保護凸臺，防止密封圈在下井和起出過程損壞；通過地面檢測，密封壓力達到15 MPa。

3　現(xiàn)場試驗情況

截至2017年底，該裝置已下井試驗5井次，實現(xiàn)不動管柱作業(yè)3井次。現(xiàn)場憋泵7 min壓力由0.8 MPa升到2 MPa，日產(chǎn)液1.5 t，證實定子在周向和軸向上均固定，各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求。重復(fù)坐封后試壓10 MPa穩(wěn)壓5 min，不滲不漏，證實了密封可靠。

在不動管柱作業(yè)方面，上提抽油桿懸重由3.5 t升到6.1 t，繼續(xù)上提懸重降為3.5 t，成功解封內(nèi)工作筒，將螺桿泵起出，達到方案設(shè)計要求。內(nèi)工作筒起出后經(jīng)檢測各部件均完好，重新下入井內(nèi)仍能保持密封和固定，證實可重復(fù)使用。

4　經(jīng)濟效益評價

桿式螺桿泵與常規(guī)螺桿泵作業(yè)相比[7]，在成本方面增加內(nèi)外筒加工費用0.2萬元/套，在作業(yè)方面可簡化施工工序，縮短占井時間，取得以下經(jīng)濟效益。

1）節(jié)省施工費用：作業(yè)免起下油管，單井節(jié)省施工費用0.6萬元。

2）提前恢復(fù)生產(chǎn)效益：施工周期由3.5天縮短為2天，可提前1.5天恢復(fù)油井生產(chǎn)，日產(chǎn)油按1.0 t計算，單井創(chuàng)效0.4萬元。

3）節(jié)省更換油管費用：按單井平均每次作業(yè)更換15根油管計算，減少更換油管費用1.5萬元。

單井作業(yè)合計可創(chuàng)效2.5萬元，按施工500口井計算，預(yù)計年創(chuàng)效1 250萬元。

5　結(jié)論

1）現(xiàn)場試驗表明，桿式螺桿泵綜合了螺桿泵與桿式抽油泵的優(yōu)點，與常規(guī)螺桿泵井相比可減少作業(yè)工作量，單井作業(yè)可節(jié)省費用2.5萬元，縮短占井時間1.5天，內(nèi)工作筒重復(fù)坐封仍能保持性能穩(wěn)定，可靠性高。

2）桿式螺桿泵具有安全可靠，現(xiàn)場操作簡便的特點，適合在低產(chǎn)井應(yīng)用，在大慶外圍油田具有較好的推廣應(yīng)用前景。