第1章 绪 论
1.1 螺杆泵采油技术发展过程
作为一种新型的机械采油方式——螺杆泵采油已经有了较长的发展历史，20世纪20年代中期法国人勒内•莫依诺发明设计出这种泵[1]，30年代初期，莫依诺原理获得专利权，很快便有很多公司开始生产螺杆泵。在随后的几十年内，法国的PCM、英国的moynrr泵有限责任公司、美国的KQ15&Myers公司以及一些其它公司都在生产这种螺杆泵，并在许多工业领域得到了广泛应用，同时也在石油工业的地面传输设备中得到了应用。
80年代初期，螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备，美国的Kois&Myers公司是首批采油螺杆泵的制造商，他们把螺杆泵作为一种代替常规举升工艺的替代技术推向市场。我国从80年代中期将螺杆泵引入到油田生产当中，1986年大庆油田从加拿大Griffin公司引进螺杆泵在油田试用，从此，国内厂家便开始了较系统地研制井下采油螺杆泵的工作。
目前，井下采油螺杆泵大致可分为以下三种结构形式[2]：
（1）地面驱动采油螺杆泵。它是井下采油螺杆泵中最简单的结构形式，也是国内外井下采油螺杆泵采用的主要结构形式，其主要的特点是螺杆泵在井下，而提供动力的装置在地面之上，二者之间由抽油杆联系起来。由于是利用抽油杆传递螺杆泵所需要的扭矩，因此在大排量情况下很难实现深井采油。
为地面驱动单螺杆泵提供动力的装置是驱动头。驱动头所需的动力主要由电动机或者液压马达提供。由电动机作动力的驱动头，有的采用变频调速，有的利用胶带和减速器共同调速，还有的直接利用减速器调速。利用液压马达作动力调节螺杆泵的转速非常方便。
（2）电动潜油单螺杆泵。它的最大特点是螺杆泵和驱动其工作的电机都处于地下，因而不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井、斜井和水平井采油作业。
较早开展这种泵研究工作的是前苏联和法国，近年来，美国等发达国家也开始重视电动潜油螺杆泵的开发，并在多砂、高粘深井、定向井、水平井中采用，取得了很好的效果，在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高5倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原来经济上无开采价值的油井有了良好的效益。电动潜油螺杆泵由螺杆泵、柔性轴、装有轴承的密封短节、齿轮减速器和潜油电动机等组成。
（3）单螺杆液动机—单螺杆泵装置。这种装置将地面动力液送入井下的顶部螺杆衬套副中，以顶部螺杆衬套副作为动力，驱动底部螺杆衬套副旋转，由底部螺杆衬套副作为泵来实现采油作业。
1.2 螺杆泵采油的优缺点
螺杆泵采油系统与其它机械采油设备相比，具有以下优点:
（1）泵效高。螺杆泵容效率高，一般在70%-90%普通抽油泵泵效为30%-60%，电潜泵泵效为40%-50%螺杆泵是现有采油机械设备中能耗最小、泵效较高的泵种之一。
（2）节省投资。螺杆泵与电潜泵、水力活塞泵和游梁式抽油机相比，由于其结构简单，地面设备易拆卸且文修方便，是探井、试采和试油的首选抽油方式。螺杆泵运行平稳，电流波动比抽油机小，而且运行电流也比抽油机小，节电效果明显，能提高电网稳定性。
（3）地面装置结构简单，安装方便。可直接坐在井口套管四通上，占地面积小，除原井口外，几乎不另占面积，可以很方便地罩上一个防盗井口房。
（4）适应粘度范围广，可以举升稠油。一般来说，螺杆泵适合于粘度为8000mPa.s(50℃)以下的各种原油流体，因此多数稠油井都可以应用。
（5）适应高含砂井。理论上看，螺杆泵可输送含砂量达80%的砂浆。在原油含砂量高，最大含砂量达40%(除砂埋之外)的情况下螺杆泵可正常生产。
（6）适应高含气井。螺杆泵不会气锁，故较适合于油气混输，但井下泵入口的游离气体会占据一定的泵容积。
（7）适应于海上油田从式井组和水平井。螺杆泵可下在斜直井段，而且设备占地面积小，因此适合海上油田丛式井组甚至水平井的采油井使用。
（8）允许井口有较高回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压应控制在1.5MPa以内或更高，因此对边远井集输很有利。
（9）较强的恢复工作能力。当发动机或电动机停转时，在某些情况下，砂沉积在泵的上部。与有杆泵比较，螺杆泵有更大的可能恢复工作。
（10）无污染，噪声小。螺杆泵是由电动机带动的. 嗓声比抽油机低很多，特别适合于生活区或人口密集区的油井使用。
（1l）操作方便，便于管理。螺杆泵结构简单，操作安全可靠，并且运动件少，便于生产管理，一般只要定时对减速箱加润滑油和井口加盘根就能保证油井正常生产，减轻工人的劳动强度。
虽然螺杆泵采油具有很多优点，但在某些方面也存在一定的不足:
（1）定子容易损坏。这就使检泵次数较多，而且每次检泵，必须起下管柱，增加了检泵费用。
（2）泵需要流体润滑。如果只靠极低粘度的液体润滑而工作，则泵过热将会引起定子弹性体老化，甚至烧毁。
（3）定子橡胶不适合在注入蒸气井中应用。
（4）螺杆泵不允许空转，空转可导致泵报废。
（5）虽然操作简单，但操作人员不经适当操作训练，操作不正确，也会造成泵的损坏。
（6）螺杆泵与有杆泵比较，总压头较小。目前多数现场应用是在井深1000m左右，批量生产的螺杆泵装置压头都比较低。对高压头泵正在试验，但是，当下泵深度大于2000m时，扭矩大，杆断脱率较高，使井下工作量增大，技术还不过关。
综上所述 ，螺杆泵采油技术也和其它举升方法一样，都有其优缺点和适用条件，各油田可根据开发区块的实际情况进行选择。
1.3 国内外应用现状及发展趋势
1.3.1 国内外研究现状
对于螺杆泵举升性能的研究，国内外有诸多的文献介绍[3][4][5]，主要集中在螺杆泵制造水平的提高，侧重于制造的研究。另外，提高定子橡胶的性能，从而降低其溶胀的程度，延长检泵周期也是该领域研究的热点。目前国外的螺杆泵制造水平要比国内高，其定子橡胶的性能也优于国内。由于橡胶的溶胀特性很难改变，所以为了提高螺杆泵的举升性能，使其工作在高效区的时间延长，通过提高螺杆泵的转速的方法，可以把螺杆泵定子转子的间隙适当加大。目前螺杆泵采油技术在国外的应用范围如下：
（1）扬程可达到3000m；
（2）排量可达到1000m3/d；
（3）覆盖大多数的油品（稀油、稠油、含砂、高气油比、高含水等）；
（4）井温可达到140℃；
（5）直井、定向井、水平井及多分支井等多种复杂结构井。
在国内，对螺杆泵的研究起步较晚，目前各大油田对螺杆泵的应用大都处在试验阶段。与国外同类螺杆泵相比，我国在设计技术和制造技术上都有差距，为了尽快追赶国际先进设计和制造技术的发展趋势，使我国螺杆泵技术和产品质量早日达到国际发达国家的水平，开展如何提高螺杆泵的工作性能和使用寿命的研究，具有重要的现实意义。目前，在国内螺杆泵已达到的应用范围如下：
（1）扬程可达到1800m；
（2）排量可达到240m3/d；
（3）油品性质（稠油、含砂、高含水、聚合物驱采油井等）；
（4）井温可达到120℃；
（5）直井；
（6）斜度不大于30度的斜井。
1.3.2 发展趋势
井下采油单螺杆泵主要朝着增大螺杆泵的下井深度，加大螺杆泵的排量，延长螺杆泵的使用寿命和拓宽螺杆泵的使用范围等方向发展。为此，国内外螺杆泵生产厂家在以下几个方面进行了大量的研究工作[6]。
（1）开发适应不同工况下的定子衬套材料，使其在恶劣工作条件下能具有良好的机械性能；
（2）研制抗磨抗腐蚀的转子材料，降低设备的使用成本；
（3）优选更合理的结构参数；
（4）完善配套工具，主要包括：
①防止螺杆泵抽空的液面控制装置；
②抽油杆导向器或抽油杆扶正器，以减少抽油杆与油管之间的磨损；
③可调速驱动系统；
④防止油管倒扣装置或者固定锚，以保证油管联接处于正常工作状态；
⑤液压速度限制器，以释放停泵时抽油杆储藏的能量；
（5）为适应深井、斜井和水平井采油作业的要求，近年来，国外的螺杆泵生产厂家非常重视电动潜油螺杆泵的开发，并取得了较好的应用效果。
1.4 本文主要内容
螺杆泵采油是近些年发展起来的一种先进的采油工艺技术，因其质量轻、尺寸小、地面设备简单、适应粘度范围广、投资费用低、管理简便、排量调节方便、节能效果好等优点，受到了人们的日益关注，并在油田逐步得到广泛的推广和使用。但是在应用的过程中，螺杆泵低泵效的问题愈来愈突出，限制了螺杆泵的推广。为了螺杆泵提高螺杆泵的工作效率，保障设备安全、可靠、有效地工作，提高螺杆泵井科学管理水平，有必要开展螺杆泵低泵效原因及其对策的研究。
本文以螺杆泵的效率为研究对象，以提高螺杆泵的泵效为目的，以理论研究为主要手段。针对螺杆泵的使用工况，将系统总效率、容积效率、扭矩等技术指标综合考虑，通过定性和定量的研究螺杆泵举升系统的杆管磨损、定子橡胶溶胀、气锚与螺杆泵系统效率的关系，结合实际的生产数据，分析螺杆泵低泵效的原因，最后提出了提高泵效的对策，从而最终实现从设计、制造、使用等方面提高螺杆泵泵效的目的。
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