第四节 螺杆泵采油
1930年,Moinean发明，并在美国获得第一个 专利，
31-32年在法国制造。我国 1986年一如并开始研究地面驱动螺杆泵。在我国的一些油田中稠油开采的相当突出的问题，稠油中含有出砂，含气现象，使油井工作条件及为复杂。在开采高粘含砂含气的原油时，螺杆泵具有独特的优势。它是一种容积式泵，运动件（只有螺杆），没有阀和复杂的流道。油流扰动少，使水力损失大大降低。由于螺杆在橡皮衬套表面的运动带有滚动和滑动的性质，使砂粒不易沉积。由于衬套和螺杆间的容积均匀变化而产生的抽汲和推挤作用，
使油气混输的效果较好。突出优点：尺寸小，质量轻，制造容易，维修方便，运动部件少，排量均匀。
一,
1,系统组成地面 ——
地下 —— 螺杆泵中间 —— 中间油管或中间电缆驱动装置井口装置电动液动机动定子转子地面管线至计量间口从油管流出井上端排出井液由泵下部吸入泵转子转动柱由地面动力带动抽油杆工作过程通过带动
：
2,螺杆泵的结构与工作原理
(1)
由定子和转子组成的 。 转子 是通过精加工,表面镀铬的高强度螺杆； 定子 就是泵筒,是由一种坚固,耐油,抗腐蚀的合成橡胶精磨成型,然后被永久地粘接在钢壳体内而成 。 除单螺杆泵外,螺杆泵还有多螺杆泵 (双螺杆,
三螺杆及五螺杆泵等 ),主要用于输送油品 。
(2)
螺杆泵是靠空腔排油,即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室,当转子转动时,封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移 。 封闭腔在排出端消失,空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端 。 同时,又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入 。 这样,封闭空腔不断地形成,运移和消失,
原油便不断地充满,挤压和排出,从而把井中的原油不断地吸入,通过油管举升到井口 。
橡皮衬套易磨损，下部径向上止推轴承损坏，偏心联接轴不够可靠，周期短。
3.缺点二,螺杆泵基本参数的确定
1,泵的理论排量如图 11－ 20所示,螺杆任一断面都是半径为 r的圆,
整个螺杆的形状可看成是由很多半径为 r的极薄圆盘组成,这些圆盘的中心 O1是以偏心距 e绕螺杆本身的轴线
O2-Z一边旋转一边按一定的螺距 t向前移动 。 即圆盘圆心 O1的轨迹是螺距为 t,偏心距为 e的螺旋线 。
衬套 的材料是橡胶,它的断面是由两个 半径为 r(等于螺杆断面半径 )的半圆和两个长度为 4e的直线段组成的长圆形,如图 11－ 21所示 。 衬套的双线内螺旋面就是由上述断面绕衬套的轴线 OZ旋转的同时,按一定的导程 T=2t向前移动所形成的 。
螺杆在衬套中的位置不同时,它们之间的接触点也就不同 。 当螺杆断面在衬套长圆形断面的两端时,
螺杆和衬套的接触为半圆弧线；而在衬套的其它位置时,螺杆和衬套仅有两点接触 。 由于螺杆和衬套是连续啮合的,这些接触点就构成了密封线,在衬套的一个导程 T内便形成一个密封腔室 。 这样,在沿单螺杆泵的全长上,衬套内螺旋面与螺杆的螺旋面形成了一个个封闭腔室 。 可见,衬套螺杆副的长度至少为衬套的一个导程,才能形成完整的密封腔 。
泵每转排量为,
则泵的理论排量为,
Tedq P4?
Te n dQ Pt 5 7 6 0?
式中 Qt——泵的理论排量,m3/d
e——螺杆的偏心距,m
n——螺杆的转速,r/min
dp——螺杆截面的直径,dp =2r,m
T——衬套的导程,T=2t,m
t——螺杆的螺距,m。
2,泵的容积效率和系统效率
1) 泵的实际排量 Q与理论排量 Qt的比值,称为泵的容积效率,记作,用公式表达为
v?
t
v Q
Q
泵的容积效率实质上是一个排量系数，它与泵扬程、转子与定子间配合的过盈量、转子的转速以及举升液体的粘度等参数有关，是一个多变量函数。
2.泵的系统效率 η定义为泵的有功功率 (水力功率 )Ph
与泵的输入功率 Pin之比,即其中：
3,泵的扭矩由于螺杆泵的吸入端和排出端存在压差,所以螺杆衬套副中的液体将对螺杆施加力的作用 。 同时,定,转子间存在过盈量,将会使定,转子间产生摩擦阻力扭矩 。
in
h
P
P
31 10 gHQP h?
UIP in 3103
(1) 转子有功扭矩螺杆 —— 衬套副将机械能转换为液体的压能，若不考虑损失，则由能量转换关系可得
(2) 定子与转子间的摩擦扭矩由于螺杆泵定子与转子间存在过盈量，因此，当转子在定子内转动时，定子与转子间就产生摩擦。定子对转子施加摩擦扭矩的作用，其摩擦扭矩计算式为
pqM2
而
pTed
M p
2
)( ofr f r KM
(3)
启动扭矩的大小,与螺杆泵密封线的长度,定转子间的过盈量以及橡胶的硬度和工作压力有关,还与静止时间的长短以及摩擦面的粗糙度有关 。 级数越多,粗糙度越大,橡胶硬度越高,以及定,转子间过盈量越大,泵的工作压力越高,泵的启动扭矩也就越大 。
三,
1,螺杆泵的工作特性曲线泵的容积效率、系统效率及扭矩与举升高度之间的关系。
反映这种关系的曲线称为螺杆泵的工作特性曲线。
2,螺杆泵工作特性的影响因素
(1)
定、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。
过盈量大，泵效高，但杆扭矩增加，
易出现断杆和定子橡胶磨损加剧。
过盈量小，泵效低，无上述问题。
因此,过盈量的大小直接影响泵效的高低 。
(2) 转子转速的影响转子的转速越高,
排量就越大 。 但是,
转速越高,抽油杆的离心力就越大,抽油杆的弯曲振动就越严重,抽油杆接箍与油管内壁的摩擦力也就随之增大,同时,举升高度也将因沿程损失的增加和定子橡胶磨损的加速而下降 。 因此,转子的转速不易过高,一般应小于 500r/min为宜 。
（ 3） 其它 （ 粘度 ）
粘度增加使得漏失量减小，
有利于提高泵的容积效率和系统效率；另一方面，粘度的增加将使流动阻力增大而降低泵的充满程度和举升高度，泵的容积效率和系统效率也随之降低。同时，泵的摩擦增大将增加阻力扭矩。
四,
螺杆泵的选择步骤：
1）应根据油井的产能确定出油井的产量，并确定所用螺杆泵的排量；
2）是根据泵的工作特性曲线确定在保证该排量下泵的举升高度大小，并根据油井条件计算出所需泵的级数，同时还要根据需要以及油井的实际条件确定合理的过盈量；
3）根据负载大小选择抽油杆的材料与规格、电动机以及其它附属部件。
1.
地面驱动单螺杆泵转速的确定,受多种因素的影响 。 首先要考虑的是 介质的粘度,磨蚀条件和定子橡胶的疲劳强度 。
介质的粘度将影响泵的充满系数 。 当泵旋转时,在泵吸入口处空腔容积逐渐变大,这时,只要有一定的压差液体便可迅速充满空腔 。 当液体的粘度较大时,其流动性变差,
使得充满系数降低从而降低泵的容积效率,并且随着液体粘度的增加,这种影响程度增大 。
在高含砂油井中,泵的寿命取决于定子橡胶的疲劳强度 。 由于定子和转子间有一定的过盈量,转子在定子内旋转时定子橡胶将受到周期性地压缩,从而产生摩擦面的温升和疲劳 。 摩擦面的温升往往可达到比介质温度高几十度,它加速了橡胶分子链的重新组合,
使弹性模数减小,从而降低其疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结剂的强度 。 这个温升值和压缩疲劳随转速的增加而增大,因此,在实际应用中要合理地选择转速以保证泵的寿命 。
2,泵级数和定,转子长度的确定单级螺杆泵满足不了实际举升高度 (扬程 )的需要,如同潜油电泵一样需要多级泵 。 泵的级数 Z可根据油井实际需要的泵扬程 H和单级扬程 Hj来确定,即泵的级数确定后,就可确定定子和转子的长度 。 定子和转子的长度由泵的级数和衬套的导程来决定 。 定子长度 Ls为转子长度 Lr一般取定子长度 Ls加上 250～ 350 mm,
以保证转子能够安装到位,
3,合理过盈量的确定螺杆泵的定,转子间的过盈配合情况如图 11－ 25所示,其过盈量为 δ=(b-a)/2。 为使螺杆泵具有容积泵的特点,就必须使定,转子间的空腔保持良好的密封性,
jH
HZ?
ZTL s?
即必须有一定的过盈值 。
1) 受加工工艺技术的限制,不能保证定子和转子具有
2) 定子橡胶是弹性体,在一定的压差下会发生弹性变
3) 由于转子在运转时会产生惯性力和液压径向力,这两个力的合力将使转子在合力的方向上压缩定子橡胶而产生位移,从而使定,转子间的另一侧产生间隙 。 螺杆泵在井下工作时,其总过盈量 δ由初始过盈量 δ0,由热膨胀产生的过盈量 δ1’以及由于浸油溶胀而产生的过盈量
δ2’三部分组成 。 总过盈量 δ可根据泵和油井条件估算,
δ1’与 δ2’可由实验来确定 。 这样,便可确定出初始过盈量 δ0,从而可为设计制造提供依据 。
目前,螺杆泵的单级工作压差主要是靠定,转子间的过盈量来实现的 。 过盈量越大,级工作压差就越大,
转子扭矩也越大；过盈量过小,单级工作压差就越小,
满足不了油井举升的需要 。 因此,定,转子间的过盈量存在一个合理值 。 对于过盈量的确定,必须在掌握定子橡胶的物理特性,特别是橡胶的热膨胀和溶胀性能的基础上,才能实现过盈量确定的合理性 。
1930年,Moinean发明，并在美国获得第一个 专利，
31-32年在法国制造。我国 1986年一如并开始研究地面驱动螺杆泵。在我国的一些油田中稠油开采的相当突出的问题，稠油中含有出砂，含气现象，使油井工作条件及为复杂。在开采高粘含砂含气的原油时，螺杆泵具有独特的优势。它是一种容积式泵，运动件（只有螺杆），没有阀和复杂的流道。油流扰动少，使水力损失大大降低。由于螺杆在橡皮衬套表面的运动带有滚动和滑动的性质，使砂粒不易沉积。由于衬套和螺杆间的容积均匀变化而产生的抽汲和推挤作用，
使油气混输的效果较好。突出优点：尺寸小，质量轻，制造容易，维修方便，运动部件少，排量均匀。
一,
1,系统组成地面 ——
地下 —— 螺杆泵中间 —— 中间油管或中间电缆驱动装置井口装置电动液动机动定子转子地面管线至计量间口从油管流出井上端排出井液由泵下部吸入泵转子转动柱由地面动力带动抽油杆工作过程通过带动
：
2,螺杆泵的结构与工作原理
(1)
由定子和转子组成的 。 转子 是通过精加工,表面镀铬的高强度螺杆； 定子 就是泵筒,是由一种坚固,耐油,抗腐蚀的合成橡胶精磨成型,然后被永久地粘接在钢壳体内而成 。 除单螺杆泵外,螺杆泵还有多螺杆泵 (双螺杆,
三螺杆及五螺杆泵等 ),主要用于输送油品 。
(2)
螺杆泵是靠空腔排油,即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室,当转子转动时,封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移 。 封闭腔在排出端消失,空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端 。 同时,又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入 。 这样,封闭空腔不断地形成,运移和消失,
原油便不断地充满,挤压和排出,从而把井中的原油不断地吸入,通过油管举升到井口 。
橡皮衬套易磨损，下部径向上止推轴承损坏，偏心联接轴不够可靠，周期短。
3.缺点二,螺杆泵基本参数的确定
1,泵的理论排量如图 11－ 20所示,螺杆任一断面都是半径为 r的圆,
整个螺杆的形状可看成是由很多半径为 r的极薄圆盘组成,这些圆盘的中心 O1是以偏心距 e绕螺杆本身的轴线
O2-Z一边旋转一边按一定的螺距 t向前移动 。 即圆盘圆心 O1的轨迹是螺距为 t,偏心距为 e的螺旋线 。
衬套 的材料是橡胶,它的断面是由两个 半径为 r(等于螺杆断面半径 )的半圆和两个长度为 4e的直线段组成的长圆形,如图 11－ 21所示 。 衬套的双线内螺旋面就是由上述断面绕衬套的轴线 OZ旋转的同时,按一定的导程 T=2t向前移动所形成的 。
螺杆在衬套中的位置不同时,它们之间的接触点也就不同 。 当螺杆断面在衬套长圆形断面的两端时,
螺杆和衬套的接触为半圆弧线；而在衬套的其它位置时,螺杆和衬套仅有两点接触 。 由于螺杆和衬套是连续啮合的,这些接触点就构成了密封线,在衬套的一个导程 T内便形成一个密封腔室 。 这样,在沿单螺杆泵的全长上,衬套内螺旋面与螺杆的螺旋面形成了一个个封闭腔室 。 可见,衬套螺杆副的长度至少为衬套的一个导程,才能形成完整的密封腔 。
泵每转排量为,
则泵的理论排量为,
Tedq P4?
Te n dQ Pt 5 7 6 0?
式中 Qt——泵的理论排量,m3/d
e——螺杆的偏心距,m
n——螺杆的转速,r/min
dp——螺杆截面的直径,dp =2r,m
T——衬套的导程,T=2t,m
t——螺杆的螺距,m。
2,泵的容积效率和系统效率
1) 泵的实际排量 Q与理论排量 Qt的比值,称为泵的容积效率,记作,用公式表达为
v?
t
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Q
泵的容积效率实质上是一个排量系数，它与泵扬程、转子与定子间配合的过盈量、转子的转速以及举升液体的粘度等参数有关，是一个多变量函数。
2.泵的系统效率 η定义为泵的有功功率 (水力功率 )Ph
与泵的输入功率 Pin之比,即其中：
3,泵的扭矩由于螺杆泵的吸入端和排出端存在压差,所以螺杆衬套副中的液体将对螺杆施加力的作用 。 同时,定,转子间存在过盈量,将会使定,转子间产生摩擦阻力扭矩 。
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UIP in 3103
(1) 转子有功扭矩螺杆 —— 衬套副将机械能转换为液体的压能，若不考虑损失，则由能量转换关系可得
(2) 定子与转子间的摩擦扭矩由于螺杆泵定子与转子间存在过盈量，因此，当转子在定子内转动时，定子与转子间就产生摩擦。定子对转子施加摩擦扭矩的作用，其摩擦扭矩计算式为
pqM2
而
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2
)( ofr f r KM
(3)
启动扭矩的大小,与螺杆泵密封线的长度,定转子间的过盈量以及橡胶的硬度和工作压力有关,还与静止时间的长短以及摩擦面的粗糙度有关 。 级数越多,粗糙度越大,橡胶硬度越高,以及定,转子间过盈量越大,泵的工作压力越高,泵的启动扭矩也就越大 。
三,
1,螺杆泵的工作特性曲线泵的容积效率、系统效率及扭矩与举升高度之间的关系。
反映这种关系的曲线称为螺杆泵的工作特性曲线。
2,螺杆泵工作特性的影响因素
(1)
定、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。
过盈量大，泵效高，但杆扭矩增加，
易出现断杆和定子橡胶磨损加剧。
过盈量小，泵效低，无上述问题。
因此,过盈量的大小直接影响泵效的高低 。
(2) 转子转速的影响转子的转速越高,
排量就越大 。 但是,
转速越高,抽油杆的离心力就越大,抽油杆的弯曲振动就越严重,抽油杆接箍与油管内壁的摩擦力也就随之增大,同时,举升高度也将因沿程损失的增加和定子橡胶磨损的加速而下降 。 因此,转子的转速不易过高,一般应小于 500r/min为宜 。
（ 3） 其它 （ 粘度 ）
粘度增加使得漏失量减小，
有利于提高泵的容积效率和系统效率；另一方面，粘度的增加将使流动阻力增大而降低泵的充满程度和举升高度，泵的容积效率和系统效率也随之降低。同时，泵的摩擦增大将增加阻力扭矩。
四,
螺杆泵的选择步骤：
1）应根据油井的产能确定出油井的产量，并确定所用螺杆泵的排量；
2）是根据泵的工作特性曲线确定在保证该排量下泵的举升高度大小，并根据油井条件计算出所需泵的级数，同时还要根据需要以及油井的实际条件确定合理的过盈量；
3）根据负载大小选择抽油杆的材料与规格、电动机以及其它附属部件。
1.
地面驱动单螺杆泵转速的确定,受多种因素的影响 。 首先要考虑的是 介质的粘度,磨蚀条件和定子橡胶的疲劳强度 。
介质的粘度将影响泵的充满系数 。 当泵旋转时,在泵吸入口处空腔容积逐渐变大,这时,只要有一定的压差液体便可迅速充满空腔 。 当液体的粘度较大时,其流动性变差,
使得充满系数降低从而降低泵的容积效率,并且随着液体粘度的增加,这种影响程度增大 。
在高含砂油井中,泵的寿命取决于定子橡胶的疲劳强度 。 由于定子和转子间有一定的过盈量,转子在定子内旋转时定子橡胶将受到周期性地压缩,从而产生摩擦面的温升和疲劳 。 摩擦面的温升往往可达到比介质温度高几十度,它加速了橡胶分子链的重新组合,
使弹性模数减小,从而降低其疲劳特性及金属和橡胶结合面上粘结剂的强度 。 这个温升值和压缩疲劳随转速的增加而增大,因此,在实际应用中要合理地选择转速以保证泵的寿命 。
2,泵级数和定,转子长度的确定单级螺杆泵满足不了实际举升高度 (扬程 )的需要,如同潜油电泵一样需要多级泵 。 泵的级数 Z可根据油井实际需要的泵扬程 H和单级扬程 Hj来确定,即泵的级数确定后,就可确定定子和转子的长度 。 定子和转子的长度由泵的级数和衬套的导程来决定 。 定子长度 Ls为转子长度 Lr一般取定子长度 Ls加上 250～ 350 mm,
以保证转子能够安装到位,
3,合理过盈量的确定螺杆泵的定,转子间的过盈配合情况如图 11－ 25所示,其过盈量为 δ=(b-a)/2。 为使螺杆泵具有容积泵的特点,就必须使定,转子间的空腔保持良好的密封性,
jH
HZ?
ZTL s?
即必须有一定的过盈值 。
1) 受加工工艺技术的限制,不能保证定子和转子具有
2) 定子橡胶是弹性体,在一定的压差下会发生弹性变
3) 由于转子在运转时会产生惯性力和液压径向力,这两个力的合力将使转子在合力的方向上压缩定子橡胶而产生位移,从而使定,转子间的另一侧产生间隙 。 螺杆泵在井下工作时,其总过盈量 δ由初始过盈量 δ0,由热膨胀产生的过盈量 δ1’以及由于浸油溶胀而产生的过盈量
δ2’三部分组成 。 总过盈量 δ可根据泵和油井条件估算,
δ1’与 δ2’可由实验来确定 。 这样,便可确定出初始过盈量 δ0,从而可为设计制造提供依据 。
目前,螺杆泵的单级工作压差主要是靠定,转子间的过盈量来实现的 。 过盈量越大,级工作压差就越大,
转子扭矩也越大；过盈量过小,单级工作压差就越小,
满足不了油井举升的需要 。 因此,定,转子间的过盈量存在一个合理值 。 对于过盈量的确定,必须在掌握定子橡胶的物理特性,特别是橡胶的热膨胀和溶胀性能的基础上,才能实现过盈量确定的合理性 。
