螺杆泵井低泵效原因及对策研究 第11页|气田试井论文|免费论文
试验结果表明，螺杆泵定子橡胶在井下高温、高压条件下，原油或其中的某些化学物质通常会渗透到橡胶内部，使橡胶膨胀，体积增大，增大部分占据了空腔体积，使实际储存油液的空腔体积变小，导致容积效率降低。对于GLB120—27螺杆泵，在零压力时，橡胶溶胀厚度平均2.1mm，容积效率损失平均25.19%，与计算平均值21.24%接近，容积效率损失随着泵出口压力增大而减小。橡胶溶胀相当于定转子间的过盈量增加，泵的密封性能得到加强，泵的扭矩增大。
5.2.2 技术对策
提高螺杆泵容积效率可从以下几个方面去考虑:①提高螺杆泵定子橡胶耐油气性能，以达到减小螺杆泵定子橡胶溶胀量提高螺杆泵容积效率的目的；②根据油井供液能力，合理选择泵型，使螺杆泵在合理的压差下工作，减小泵容积效率损失；③在保证泵的水力特性达标的前提下，尽可能减少螺杆泵定子注胶时的橡胶用量，也可以达到减小橡胶溶胀量，提高螺杆泵容积效率的目的。从而达到提高螺杆泵系统效率的目的。
（1）选用合适的橡胶，提高螺杆泵定子橡胶耐油气性能，减小螺杆泵定子橡胶溶胀量。
在油井中，定子橡胶处于高温高压之下，这时油气中的低分子量的烃类、二氧化碳、硫化氢等气体极易溶入橡胶，引起橡胶膨胀，物理性能下降。对几种橡胶材料抗溶胀性能的试验表明，以氢化高饱和丁腈(HNBR)为基料的橡胶抗溶胀性能最好，氢化高饱和丁腈橡胶是由丙烯睛含量约为34%-38%、门尼粘度约为50的丁腈胶在溶剂中溶解，用催化剂在一定温度下进行氢化反应而得。试验压力为20MPa，温度150℃，试验用气体为97%的甲烷和3%的二氧化碳。另外，螺杆泵在井下工作时，为获得容积泵特性，定转子间存在过盈，在运转过程中，定子橡胶处于周期性被挤压状态。为把井液举升到地面，定子橡胶也承受着高压井液的挤压。HNBR (氢化高饱和丁腈)耐挤压性比NBR (丁腈橡胶)更好。而目前国产采油螺杆泵定子使用的传统橡胶材料为丁腈橡胶NBR，其综合性能指标远不如HNBR橡胶。因采油螺杆泵的工作条件十分苛刻，如高温、高压、工作时间长、有腐蚀性介质、有磨蚀性介质、受周期性挤压力等，使传统的定子橡胶已临近其性能极限。为了适应井下恶劣的工作条件，所以建议开展将HNBR橡胶用于螺杆泵的研究试验工作，以提高橡胶抗溶胀、耐挤压性能，提高其综合性能和使用寿命[15]。
（2）根据油井供液能力合理选择泵型，使螺杆泵在合理的压差下工作，减小泵容积效率损失。
由分析知，随着举升高度的增加，泵的容积效率逐渐下降，漏失量逐渐增大，室内检测的容积效率与泵下井后的容积效率之间的差值逐渐减小，1号泵举升压力从0MPa增大到10.82MPa，容积效率损失从24.14%下降到7.07%，2号螺杆泵举升压力从0.03MPa增大到10.60MPa，容积效率损失从30.89%下降到-0.82%，3号螺杆泵举升压力从0.04MPa增大到10.50MPa，容积效率损失从20.53%下降到-0.54%。这组试验数能够帮助解释为什么在举升压力小时，泵的实际容积效率比室内检测容积效率小得很多，下面分析产生这种结果的原因。
螺杆泵定子橡胶在空腔压力小时，橡胶自由膨胀大，空腔变小，泵的容积效率比室内检测容积效率小得很多；螺杆泵定子橡胶在空腔压力大时，空腔内的压力迫使橡胶收缩，空腔压力增至到一定值时，这种收缩量和溶胀量趋于相等，此时，泵的容积效率与室内检测容积效率趋于相等。这一特性在生产实际中有2方面的用途，一方面可根据举升压力10MPa时容积效率65%左右的结论可得出这种泵的实际排量，使之与油井产能相匹配，满足供排协调，达到一个较高的系统效率。另一方面当泵出口压力升高，泵有一些液体漏失时，容积效率缓慢降低，定转子间的干摩擦变为有润滑摩擦，机械效率升高；当压力继续升高，有大量液体漏失时，容积效率开始大幅度下降，定转子之间的摩擦变为液体之间的摩擦，摩擦损失很小，机械效率很高。螺杆泵总效率的高效区较宽，它的最高点大约在容积效率曲线的拐点处附近(见图5-2)。在这一区域，容积效率开始下降，机械效率已接近最大值，所以总效率最高。这一区域泵效高，定、转子之间磨损小，泵的寿命长[16]，是泵的最佳工作区域。
注： 曲线Ⅰ——容积效率(排量)曲线，即泵出口压力与排量的关系曲线；
曲线Ⅱ——扭矩(功率)曲线，即泵出口压力与转子扭矩的关系曲线；
曲线Ⅲ——泵效率曲线，即泵出口压力与泵效率的关系曲线。
图5-2 螺杆泵水力工作特性曲线
（3）在橡胶溶胀率一定的条件下，尽可能减少螺杆泵定子注胶时的橡胶用量以减小橡胶溶胀量，提高螺杆泵容积效率[17]。
橡胶的溶胀量与橡胶的用量存在正比关系，经计算: DGLB500—12等壁厚定子螺杆泵橡胶用量为普通GLB500—12螺杆泵的49.34%，因此，等壁厚定子螺杆泵的溶胀量较常规螺杆泵小。从试验数据可以看出DGLB500—12等壁厚定子螺杆泵举升压力从0MPa增大到10.41MPa，下井后比下井前泵容积效率增加了38.94%，这表明等壁厚定子螺杆泵的溶胀量小，较小而均匀的溶胀量增加了定转子间的过盈量，使泵的密封性能提高，没有引起泵效的降低，相反下井后比下井前泵容积效率有所增加，表明了等壁厚定子螺杆泵性能的优越性。总之，等壁厚定子螺杆泵橡胶层薄且均匀，橡胶的刚性变好，在动态过程中抵抗变形的能力好，因而单级承压高，系统效率高于普通泵，散热性能好，可以减缓橡胶的热老化，其使用寿命比常规泵会有所延长。等壁厚定子螺杆泵橡胶溶胀、温胀均匀，能较好地保证泵的型线，有很好的密封性能，使螺杆泵在运转时具有更好的机械性能，有利于长时间文持高泵效，延长泵的使用寿命。
5.3 气锚对螺杆泵泵效影响的分析
螺杆泵采油技术在油田生产中的应用规模不断扩大，其低泵效现象已严重影响原油的生产，研究发现气体影响是造成螺杆泵低泵效的主要原因[18]。
5.3.1 原因分析
5.3.1.1 原理分析
（1）溶解气溢出与影响
管柱流动系统中，随压力的降低，溶解气体脱出，油体缩小，为综合考虑其对螺杆泵的影响，在此用油气两相体积系数B 表示:
B =
= (
=B +(
( +1 （5-15）
式中 ——压力 P下原油体积；
——地面原油体积；
——天然气地下体积系数；
——原油地下体积系数；
——原油溶解气比；
——原油饱和压力溶解气比。
其中: 变化较小 (变化度1.0～1.3) 为便于分析，故此忽略为1其 与压力 的关系见图5-3
注: ——体积系数，无单位； ——饱和压力下原油的体积系数，无单位；
——饱和压力，MPa； ——原油体积不能被压缩时的压力，MPa。
图5-3 与 的关系曲线
=
= （5-16）
式中 ——压缩因子；
——气体摩尔数；
——通用气体常数，0.8205升×大气压/度×摩尔；
——温度，K；
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