電潛螺桿泵間隙值的優(yōu)化設(shè)計研究與應(yīng)用

李 云，佟慧寧，趙靜雯，楊夢石，苑習之，謝 巍，李 芳，王麗娜，孟艷敏

1中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘

2中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司科技信息部，河北 任丘

3中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司巴彥勘探開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古 巴彥

4中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)部，河北 任丘

5中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第一采油廠，河北 任丘

1. 概述

隨著科技的快速發(fā)展，我國的螺桿泵采油技術(shù)已經(jīng)越來越成熟和完善，并能夠在地貌環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)得到廣泛的使用[1]。電潛螺桿泵是一種結(jié)合了電潛泵和普通螺桿泵兩種機采設(shè)備特征的新型無桿泵，作為一種新型采油設(shè)備[2]，與傳統(tǒng)機械設(shè)備相比，結(jié)構(gòu)簡單、投資較少、能耗低、適用于高粘度高含砂等特殊井礦工作，對解決油井偏磨、適應(yīng)新環(huán)境的采油方式以及油井節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了顯著作用[3][4]。在電潛螺桿泵實際應(yīng)用過程中，井下泵定、轉(zhuǎn)子之間配合的過盈值，對于井下泵的工作特性影響很大。螺桿泵過盈量作為重要設(shè)計參數(shù)，影響因素眾多，國外威德福的阿爾弗雷德和豪爾赫提出預(yù)測螺桿鉆具定轉(zhuǎn)子過盈量的方法，斯倫貝謝的山姆巴和馬克西姆等也提出了過盈量如何選取，國內(nèi)候宇提出調(diào)整轉(zhuǎn)子直徑和偏心合理過盈量的確定方法。楊鳳艷、張彤、王哲等分別研究螺桿泵注膠過程和螺桿泵定子橡膠的磨損行為及其機理為螺桿泵過盈量影響因素提供了依據(jù)。高宇提出通過調(diào)整轉(zhuǎn)子的節(jié)圓直徑及偏心值來調(diào)整螺桿泵定轉(zhuǎn)子過盈量的方法[5] [6] [7]。以上研究都未形成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，本文通過電潛螺桿泵的過盈量的分析，實現(xiàn)泵間隙值的優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場實際進行應(yīng)用?，F(xiàn)場實踐表明，螺桿泵過盈配合過緊，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)充分舉升，但會產(chǎn)生扭矩增加，磨損加快，泵效降低的后果；配合過松，又不能實現(xiàn)有效舉升，電潛螺桿泵的間隙和橡膠變形量是影響電潛螺桿泵使用壽命的關(guān)鍵問題。地面驅(qū)動螺桿泵，泵的間隙過盈值為0.10～0.20 mm，啟動時可以依靠地面電機的大扭矩強行啟動，但電潛螺桿泵的泵間隙，都是采用常規(guī)地面驅(qū)動螺桿泵的間隙過盈值，電機扭矩小，經(jīng)常無法啟動。根據(jù)現(xiàn)場分析，過盈值偏大是造成電潛螺桿泵故障的主要原因，它不僅增大轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦力，而且摩擦產(chǎn)生的熱量會加速定子橡膠的老化，降低定子的使用壽命，嚴重時會發(fā)生轉(zhuǎn)子抱死和定子脫膠等問題。因此，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況對電潛螺桿泵的泵間隙值進行優(yōu)化設(shè)計，找到轉(zhuǎn)子與定子合適的過盈值就顯得非常重要。

2. 泵間隙值確定方法

基于電潛螺桿泵中轉(zhuǎn)子的單級承受壓力與電潛螺桿泵中定子橡膠的正壓力和單級承受壓力有關(guān)的系數(shù)、定子橡膠的彈性系數(shù)和對單級承壓能力的影響系數(shù)積值，獲得電潛螺旋桿泵的工作過盈量。由工作過盈量與定子橡膠通過熱膨脹產(chǎn)生的過盈值、定子橡膠通過油膨脹產(chǎn)生的過盈值、定子橡膠在高壓條件下產(chǎn)生的收縮量和在定子橡膠與轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的磨蝕量，獲得所述電潛螺桿泵的初始過盈量。最終基于電潛螺桿泵的工作過盈量和初始過盈量獲得泵間隙值。

2.1. 工作過盈量的確定

工作過盈量即電潛螺桿泵在工作時的過盈量，工作過盈量用于保證泵在工作時的壓差和滿足油井舉升的需要。而工作過盈量的大小與橡膠的平均厚度和彈性模量有關(guān)。在工作中，定子橡膠的正壓力越大，壓縮后所產(chǎn)生的形變值越大，進而工作過盈量越大[8]。

根據(jù)胡克定律確定電潛螺桿泵中定子橡膠的正壓力，之后，通過轉(zhuǎn)子的單級承受壓力獲得工作過盈量δ。

其中，δ為工作過盈量；

a為與定子橡膠的正壓力和單級承受壓力有關(guān)的系數(shù)；

k為彈性系數(shù)；

c為對單級承壓能力的影響系數(shù)積值；

H為轉(zhuǎn)子的單級承受壓力。

2.2. 初始過盈量的確定

在獲得工作過盈量之后，通過工作過盈量獲得初始過盈量。在設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)就是初始過盈量。初始過盈量就是電潛螺桿泵在加工完畢后下井之前，在室溫空氣中所測得的過盈量，即電潛螺桿泵的過盈間隙值1δ[9]。

其中，δ1為初始過盈量，單位為mm；

δ2為定子橡膠通過熱膨脹產(chǎn)生的過盈值，單位為mm；

δ3為定子橡膠通過油溶脹產(chǎn)生的過盈值，單位為mm；

δ4為定子橡膠在高壓條件下產(chǎn)生的收縮量，單位為mm；

δ5為定子橡膠與轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中的磨蝕量，單位為mm；

δ為工作過盈量。

2.3. 泵間隙值的確定

在獲得工作過盈量和初始過盈量之后，工作過盈量和初始過盈量形成的區(qū)間值作為泵間隙值δ3，見圖1 [10] [11] [12]。

其中，δ3為定子橡膠通過油溶脹產(chǎn)生的過盈值；

w為定子橡膠通過油溶脹的溶脹率；

E為定子的偏心距；

r為轉(zhuǎn)子的半徑；

R為定子的外殼內(nèi)徑。

Figure 1. Schematic diagram of stator rubber before and after swelling圖1. 定子橡膠溶脹前后示意圖

由此可知，定子橡膠通過油溶脹產(chǎn)生的過盈值為基于定子橡膠膨脹面積、定子橡膠溶脹率、定子的偏心距、定子的外殼內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子的半徑獲得的值。

3. 系統(tǒng)效率綜合評價應(yīng)用實例

X 油田平均泵深1000 m 左右，動液面范圍500～800 m，油管液柱壓力約6.5 MPa，井口回壓不高于0.5 MPa，管內(nèi)延程阻力1.0 MPa，所以電潛螺桿泵在舉升壓頭8.0 MPa 的條件下，容積效率達到60%即可滿足油田不同區(qū)塊不同油井的舉升要求。根據(jù)電潛螺桿泵的排量設(shè)計了定子與轉(zhuǎn)子之間的過盈量配合尺寸，分別對不同的泵間隙值的電潛螺桿泵分別進行室內(nèi)性能檢測，并對整套機組在試驗井進行模擬試驗，對不同螺桿泵的定子與轉(zhuǎn)子之間的過盈量(即泵間隙值)做進一步的優(yōu)選和修正。通過觀察不同定子與轉(zhuǎn)子之間的過盈量相配合的條件下，電潛螺桿泵的水力工作特性，以評價并優(yōu)選合理的過盈量。試驗方案逐項進行，各項指標達到設(shè)計要求，定子和轉(zhuǎn)子過盈量配合參數(shù)見表1。

Table 1. Interference coordination parameter table of stator and rotor表1. 定子和轉(zhuǎn)子過盈量配合參數(shù)表

通過室內(nèi)試驗井的整套機組試驗，運轉(zhuǎn)6 小時以上壓力升高、排量增加，說明在機組運轉(zhuǎn)后井筒溫度上升，定子橡膠膨脹，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙減小。

試驗結(jié)果表明，同等轉(zhuǎn)速下改進后的泵出口壓力為8.0 MPa 時，容積效率達到60%以上，因此可以滿足油田不同區(qū)塊不同油井的舉升要求。試驗數(shù)據(jù)顯示，在泵舉升壓力為8.0 MPa 的條件下，GLB75-40電潛螺桿泵的泵間隙值由原來的0.20 mm 降至改進后的0.04 mm 和0.00 mm 時，容積效率由70.3%變化到68.6%，基本保持不變。由此可以說明電潛螺桿泵的舉升能力基本沒有改變，電潛螺桿泵的工作扭矩由158 N·m 變化到141 N·m，比常規(guī)過盈螺桿泵降低近20 N·m，說明電潛螺桿泵的無用功消耗減少，電潛螺桿泵的總效率提高。改進前后工作參數(shù)變化見圖2～4 所示。

Figure 2. Changes in volumetric efficiency of different interference levels圖2. 不同過盈級別容積效率變化

Figure 3. The volumetric efficiency of different interference levels varies with outlet pressure圖3. 不同過盈級別容積效率隨出口壓力變化

Figure 4. Torque changes with outlet pressure at different interference levels圖4. 不同過盈級別扭矩隨出口壓力變化

試驗表明，電潛螺桿泵的泵間隙值改進后，電潛螺桿泵的舉升能力幾乎不受影響，電潛螺桿泵的總效率有所提高，達到了優(yōu)化過盈量的要求。因此，電潛螺桿泵泵間隙值確定在0～0.04 mm 之間，此泵間隙值的電潛螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間配合間隙合理，在起泵初期、泵正常工作時、泵停機再啟動時避免了泵抱死等現(xiàn)象，能夠正常工作。

4. 結(jié)論

本文通過理論分析，對電潛螺桿泵的工作過盈量和初始過盈量確定值進行研究，提出了一種電潛螺桿泵泵間隙值的計算方法，利用調(diào)整電潛螺桿泵的泵間隙值優(yōu)化設(shè)計，改進電潛螺桿泵工作性能，提高了電潛螺桿泵的工作效率和使用壽命，有效降低了生產(chǎn)能耗，對螺桿泵采油技術(shù)的發(fā)展起到了推動作用。