采油螺杆泵的性能模拟实验研究

杨平(中国石化有限公司胜利油田分公司纯梁采油厂)

采油螺杆泵的理论研究需要综合理论力学、流体力学等多个学科，难度较大，而实验研究是解决螺杆泵油气举升过程研究的有效途径。科学合理的实验装置将不仅可以保证螺杆泵实验研究的硬件支持，而且也可对理论研究成果进行验证。采油螺杆泵性能模拟实验装置需要实现对油气举升过程的实际工况进行模拟，为螺杆泵采油技术的进一步发展提供支持，能够创造明显的社会与经济效益。

一、螺杆泵性能模拟实验装置定位

1.功能要求

(1)水力特性。测定不同温度、转速、压力条件下，螺杆泵流量、扭矩、效率及进出口介质温度等参数；

(2)实验全过程对螺杆泵特性监控。实时及可视化对泵内部压力与温度状况进行监视与测定；

(3)静压实验。验证螺杆泵的密封效果和橡胶质量；

(4)破坏实验。提高螺杆泵的转速、实验介质温度或使用高溶胀介质等，以加速螺杆泵定子的失效，进行破坏性实验；

(5)模拟仿真。保证实验环境及实验介质的重要参数与螺杆泵作业现场基本保持一致。

2.实验要求

(1)螺杆泵在高速、高温、高压条件下不发生渗漏，密封部件具有很好的抗老化和抗高温性能，需要设置异常自动报警和防护措施；

(2)对实验全过程中螺杆泵内压力及温度能够实现可视化、实时监控与检测；

(3)认真做好管汇清洗，保证干净彻底，能够满足对其他实验介质的要求。

二、螺杆泵性能模拟实验装置研究

1.工艺流程设计

根据实验介质和实验条件，实验工艺流程包括三个相互独立、互不干涉的主要流程及一个辅助流程，各流程的切换只需转换螺杆泵进出口地连接即可。

第一个主要流程是标准实验流程，用于对标准实验介质的实验。主要是调节螺杆泵不同介质温度和出口压力，实时测定工作流量、扭矩与转速，并通过计算得出泵的输入与输出功率及容积效率，从而检测螺杆泵的水力特性。

第二个主要流程是特殊实验流程。该实验流程主要是实验不同的实验介质的混合比例及采出液中加气等条件对螺杆泵的影响，也是通过对各参数的测定达到检测螺杆泵的水力特性的目的。

第三个主要流程是混砂实验流程。该流程中往混砂罐加砂，并让混有砂的实验介质通过螺杆泵，实验该种条件下螺杆泵的磨损状况。

辅助流程是清洗流程，完成对三个主要流程的清洗。在每次实验前对将进行的主要流程进行清洗，以确保螺杆泵及各仪表处于正常工作状态，为实验的有效进行提供保障；另外保证不同实验之间实验介质不会产生相互干扰。清洗流程与特殊实验流程共用一个流程，只需在清洗时用清洗罐替代储液罐2即可。

2.机械传动设计

螺杆泵采用变频电机提供驱动动力，通过变频器调节螺杆泵转速。根据螺杆泵型号参数，可计算出螺杆泵小样约为540～3000mm，再考虑螺杆泵两端的连接接箍、转子与定子及其连接器等，整体长度将达到8.5m长，考虑到空间限制，将该实验装置设计成卧式结构，前段是8.5m长的实验检测部分，后段是螺杆泵拆装平台，长为4m，总长为12.5m。

机械传动部分可分为实验台和拆装平台两大部分。其中实验台包括：①电机，选用MDSP200L1-6型6极电机，额定功率18.5千瓦，额定电流为38安培，额定扭矩是181.2Nm，极限转速是975r/m in；②变速器，选用17BJ25-00030A型东风变速箱，有五档变速，最大/最小变速比是7.31/1，最大输入扭矩是550Nm；③旋转动密封；④转子与定子连接；⑤夹紧装置；⑥弹性联轴器；⑦支承辊，采用滚动支承与丝杠组合结构；⑧底座，采用焊接钢结构将传动、电机、变速箱等各装置底座合成。拆装平台包括：①电机，选用4极1.5kw的普通电机；②变速器，选用R8-Y 5.5-4P-56.38-M 1-I型变速箱，输出扭矩是542Nm，输出转速为25r/m in；③夹紧装置采用手动夹紧；④支承辊与实验台共用；⑤底座，采用整体式结构，导轨移动。

3.液压系统的设计

液压系统主要是实现实验台夹紧钳的夹紧控制。其执行元件是两个驱动夹紧装置的马达。整个系统另外还包括油箱、油水过滤器、溢流阀、压力表、液压泵、节流阀、电磁换向阀、二位电磁阀以及油管与密封元件等。其中溢流阀与二位电磁阀调节控制系统压力大小，并通过压力表指示出来。节流阀通过调节进入马达液压油排量的大小控制液压马达的转速，电磁换向阀通过切换液压马达进出油口来实现马达正反转的切换。

4.保温与加热设计

由于采油螺杆泵的性能模拟实验有很多需要在高温条件下进行，所以需要对设备和管线进行保温处理。采用双层保温结构，分别选用太空绝热瓷层和复合硅酸盐绝热涂料。该种结构具有较好的保温效果、较高的机械强度，还能够起到防水、防蒸汽的保护作用。以散热量为基准，根据GB4272-92可计算出保温层厚度分别为：太空绝热瓷层厚0.5mm，复合硅酸盐绝热涂料厚25mm。

加热系统主要对三个部分提高所需热量：循环系统的介质达到实验温度、相关联的设备与管汇达到实验温度以及设备与管线外表面的散热。

5.安全防护、环保及布局设计

安全防护主要包括三个部分：①螺杆泵转子、定子以及各配件的拆装作业，实现各流程间切换的机械自动化，以降低实验人员的劳动强度。整个系统操作力求简便；②实验装置中所有暴露的转动部件都应装防护罩，信号线与动力线分开走线布置，在实验区域要布置摄像头进行监控；③管道与阀门内部要进行防腐与防锈处理，能承受10MPa压力。

环境保护主要依据ISO9001及采油院QHSE要求，收集回收实验过程中泄露的实验介质，尽量减少环境污染。

系统布局首先保证实验装置的功能性要求，在此前提下做到系统布局的科学性和合理性。

结束语

采油螺杆泵性能模拟实验装置的研究实现了对螺杆泵实际工况的有效模拟与检测，不仅可以对采油螺杆泵的制造与装配质量进行检测，大大增加了一次投产的成功率，而且也为采油螺杆泵的理论研究提供了有效的实验平台。

[1]张霞,任志臣,陈洪维,等.螺杆泵采油工艺技术现状[J].油气田地面工程.2007,26(9)：18-21.

[2]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.

[3]华小涛.采油螺杆泵工作性能模拟的实验装置研究[D].大庆：东北石油大学,2013.