采油螺杆泵极限性能模拟试验装置研究

侯 宇

（大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453）①

螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，具有投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显、适应性强等特点，能有效降低采油成本，提高采油效益。由于其拥有抽油机柱塞泵、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点，因此倍受国内外油田重视［1］。

目前，对螺杆泵性能检测主要是用单一的液压油进行常温试验，得到螺杆泵的水力特性曲线，以此评价螺杆泵性能［2－3］。采油螺杆泵极限性能模拟试验装置主要用于螺杆泵新产品及新工艺的科学研究，为优化螺杆泵结构参数和工作参数提供可靠的室内试验数据。试验泵型为油田常用（K）GLB40－42～GLB1200－14等型号螺杆泵，此试验装置不仅可以完成常规的水力特性曲线的测定，还具有以下功能：

1）用提高螺杆泵转速（≤500r／min）、提高试验介质的破坏性（高溶胀介质、加砂）、提高介质温度等方法使螺杆泵定子加速失效，从而在实验室再现采油螺杆泵的整个失效过程，为研究采油螺杆泵寿命提供数据支持［4］。

2）试验介质为油、水单一介质以及任意混合比例的砂、液、气混合介质，温度可达150℃，可以模拟与采油螺杆泵完全一致的工作环境，对螺杆泵进行试验［5］。

1 试验流程

根据系统所要求的功能，采油螺杆泵极限性能模拟试验装置要在实验室内进行多种介质、多种条件的试验，因此本试验装置的工艺流程包括标准试验流程、特殊试验流程、混砂试验流程和1个辅助流程——清洗流程。采油螺杆泵极限性能模拟试验装置试验流程如图1所示。

图1 采油螺杆泵极限性能模拟试验装置工艺流程

1）标准试验流程 主要是通过调节出口压力及实时采集螺杆泵工作时流量、输入转矩、转速，并计算螺杆泵的输入功率、输出功率和容积效率，从而完成螺杆泵水力特性的检测。通过设置试验介质的不同温度，模拟不同的井下工作温度，对螺杆泵的水力特性进行检测。

2）特殊试验流程 特殊试验流程除了可以完成标准试验流程的工作外，通过改变试验介质的混合比例来模拟现场采出液对螺杆泵进行试验，对螺杆泵的水力特性进行检测。

3）混砂试验流程 混砂罐内的介质通过螺杆泵再回到混砂罐，对螺杆泵进行磨损试验。

4）清洗流程 用于对特殊试验流程的清洗。清洗流程的作用是在检测前对螺杆泵进行清洗，为系统各种仪表的正常工作和试验系统的正常运行提供保证，同时保证此流程在对不同试验介质试验时各种介质之间不互相影响。清洗流程与特殊流程完全相同，只是在清洗时将储液罐2更换成清洗罐。

3个主要流程是各自独立的，需要进行某个试验时就将相应的流程接入系统中，目的是防止不同介质之间的影响。不同流程之间的切换用高压软管及快换接头来实现，方便、快捷。通过3套试验流程，既可以完全模拟采油螺杆泵实际工况，又能够对采油螺杆泵实施加速破坏试验，再现采油螺杆泵失效过程。

2 机械传动

本装置主要是基于螺杆泵新产品、新工艺的研究而建立，试验用泵使用小样泵，长度为5～6个定子导程。按不同型号采油螺杆泵计算出小样泵的长度为540～3 000mm。

采油螺杆泵极限性能模拟实验装置机械传动结构如图2所示，整个试验装置的机械传动总长12.5 m，主要包括以下几部分：

图2 采油螺杆泵极限性能模拟试验装置机械传动结构

1）电机 是整套装置的动力设备，为螺杆泵转子提供旋转的动力。采用变频电机，利用变频器对螺杆泵转速进行调节。选用4级电机，功率22 kW，额定电流44.2A，额定扭矩215.5N·m，转速975r／min，变频器频率变化范围15～50Hz，通过变频器可以将电机的转速在292.5～975.0r／min无极调速。

2）变速器 由于试验装置对转速的范围要求较宽（50～500r／min），因此采用变速器对变频电机的输出转速进行变速。选用5挡变速器，传动比分别为1.00、1.54、2.45、4.31、7.31，通过变速器将电机的1种速度范围转变成5种转速范围，从变速器输出的转速为40～975r／min，即为试验螺杆泵转速。

3）转矩转速传感器 用于检测试验过程中螺杆泵的转矩和转速，为计算螺杆泵的输入功率提供数据。

4）动密封装置 在试验过程中螺杆泵的定子与机械传动的固定部分相连，螺杆泵的转子与机械传动的旋转部分相连，这样就存在一个旋转部分和固定部分之间的动密封问题。该动密封必须保证在10MPa的工作压力下不泄露，而且要运转阻力小。

5）转子定子连接器 连接试验螺杆泵和试验装置的部件。将螺杆泵的转子与电机轴相连，螺杆泵的定子与动密封相连。

6）夹紧装置 用来将试验螺杆泵的定子固定在试验装置上，夹紧装置承受螺杆泵工作过程中产生的扭矩。要求对中性好、夹紧可靠。

7）支承辊 对螺杆泵的定子和转子提供支承，并且可以根据所检测螺杆泵的直径大小进行高度方向的调节。

8）底座 将试验装置机械传动各部分连接固定。

3 测控系统

采油螺杆泵极限性能模拟试验装置测控系统主要包括：试验装置变频电机的转速调节与控制以及参数的采集2大部分。采油螺杆泵极限性能模拟试验装置测控系统如图3所示。

图3 采油螺杆泵极限性能模拟试验装置测控系统

1）主电机变频调速系统 由变频器、螺杆泵驱动电机组成。通过变频器的频率调节控制主电机的转速，从而实现螺杆泵转子转速的无级调节。

2）转矩转速检测系统 由转矩转速传感器、转矩转速仪等组成。转矩转速传感器与螺杆泵驱动轴同轴连接，工作时将转矩、转速转变为电信号，再通过ADAM－4117模块将4～20mA信号转换成RS－485信号，经由 ADAM－4520模块转换成 RS－232信号输入计算机，实现计算机数据采集。

3）泵入口压力检测系统 由压力传感器组成，数据采集方法与转矩转速检测系统相同。

4）泵出口压力控制及检测系统 由电动调节阀、压力传感器组成。通过计算机或手动控制方式进行电动调节阀的开度控制，从而实现出口压力的无级调节。应用智能数显控制仪的超限报警控制功能，实现超压保护。

5）流量检测系统 由质量流量计组成，数据采集方法与转矩转速检测系统相同。

6）温度控制与检测系统 由电加热器、温度传感器、温控仪等组成。温控仪接收来自热电阻的信号，据此控制电加热器的电流值，实现试验介质的温度控制，通过温控仪上RS232通讯端口完成试验介质温度参数的采集与计量。

4 结语

通过对采油螺杆泵极限性能模拟试验装置试验流程、机械传动以及测控系统的设计，研制出的试验装置可以使采油螺杆泵在不同温度、不同压力、不同试验介质下工作，可以模拟采油螺杆泵各种工况；同时可以对采油螺杆泵进行高温、高速、加砂试验及极限性能检测和破坏性试验。为研究采油螺杆泵失效过程、提高螺杆泵使用寿命提供试验数据。

［1］杜秀华.采油螺杆泵螺杆－衬套副力学特性及磨损失效研究［D］.大庆：大庆石油学院，2010.

［2］韩国有，宋玉杰，杜秀华，等.采油螺杆泵举升性能检测技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.

［3］付路长，周洪滨，郭力谦，等.单螺杆泵试验台及测控系统设计［J］.石油矿场机械，2011，40（7）：47－50.

［4］穆金峰，吕有喜，魏三林，等.超深稠油螺杆泵举升工艺技术研究与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（2）：72－75.

［5］王永昌，杜香芝.螺杆泵试验转速和温度对水力特性的影响［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：65－69.