插入式螺杆泵研究及应用前景探讨

詹升忠，孙 双

(大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163311)①

插入式螺杆泵研究及应用前景探讨

詹升忠，孙 双

(大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163311)①

常规的采油螺杆泵定子与油管连接、转子与抽油杆连接，作业过程既需要起下抽油杆，也需要起下油管。插入式螺杆泵综合了普通螺杆泵与插入式抽油泵的特点，只需起下抽油杆即可完成起下泵作业，作业过程更加经济快捷，缩短了检泵时间，避免了油管的损坏，降低了作业成本，低成本优势更加显著。国外已经有比较成熟的插入式螺杆泵产品投入应用；国内大多以试验为主。对插入式螺杆泵进行了研究，介绍了该技术的设计、制造及应用前景。

插入式螺杆泵；结构；受力分析；应用前景

在常规的螺杆泵采油系统中，螺杆泵定子与油管连接，并随油管下入至要求的深度；螺杆泵转子与抽油杆连接，随杆柱下入到定子里。当井下出现故障需要起出螺杆泵时，必须分2步作业，即先上提抽油杆起出转子，再上提油管起出定子[1]。这样不仅增加了现场作业难度，延长作业周期，增加作业成本，还容易造成油管的损坏。

插入式螺杆泵综合了普通螺杆泵与插入式抽油泵的结构特点，起下泵作业时，只需起下抽油杆即可完成起下泵作业，不需要起下油管，现场作业方便，可以实现快速而经济的检泵和换泵作业，缩短了检泵时间，避免了油管由于频繁起下造成的损坏，降低了作业成本，使螺杆泵的低成本优势更加显著。

1 结构与设计计算

1.1 结构及工作原理

插入式螺杆泵包括杆柱和管柱2个系统。杆柱系统包括抽油杆接头、杆扶正器、泵上接头、延长杆、延长管、转子上接头、转子、定子、限位短节、限位销、橡胶密封圈、镀铜层和涨卡式限位器等，如图1所示。管柱系统包括卡座、定位销、接箍、密封管和油管，如图2所示[2]。

1—抽油杆接头；2—杆扶正器；3—泵上接头；4—延长杆；5—延长管；6—转子上接头；7—转子；8—定子；9—限位短节；10—限位销；11—密封圈；12—镀铜层；13—涨卡式限位器。

1—油管；2—接箍；3—密封管；4—定位销；5—卡座。

下泵作业时，先将管柱系统按图2连接，通过油管下到井下的设计位置，并将管柱锚定在套管内；再将杆柱系统通过油管内孔下入井下。当涨卡式限位器到达卡座上端面时，在杆柱重力的作用下，涨卡式限位器发生弹性变形，外径缩小，进入卡座，直至涨卡式限位器上的锥形镀铜层与卡座上端面的锥形面紧密贴合，这时涨卡式限位器自动涨开，固定在卡座里，卡座的上下锥面对杆柱系统进行轴向固定。当杆柱受到轴向作用力时，作用力通过卡座传递给管柱系统，最终通过锚定工具传递给套管。

起泵作业时，作业机上提抽油杆，给抽油杆一个向上的拉力，拉力通过泵上接头传递给螺杆泵定子及涨卡式限位器。当作业拉力大于涨卡式限位器的最大轴向限制力时，涨卡式限位器再次发生弹性变形，外径缩小，从卡座里脱出，实现解卡。

卡座通过油管下入井下，在卡座上安装有上端锥面的定位销，在涨卡式限位器进入卡座时，安装在卡座上的定位销由于端面的锥形结构具有导向作用，自动进入涨卡式限位器的卡槽内。受定位销的限制，螺杆泵在正常运行时定子不跟随转子一起旋转，从而实现杆柱系统的径向固定，保证螺杆泵的正常工作。涨卡式限位器上段安装有橡胶密封圈，它与管柱系统上的密封管相配合，对泵的出入口压差进行密封。同时，涨卡式限位器上的镀铜层呈锥面结构，与卡座上端面的锥形面相配合，对泵的出入口压差进行二次密封，确保泵出入口之间不会发生泄露。

螺杆泵的转子通过转子上接头连接延长杆，并通过抽油杆接头与抽油杆相连。螺杆泵的定子上端连接延长管，延长管的上端连接泵上接头，在泵上接头内安装有杆扶正器，可以在保证转子偏心运转的同时对杆起扶正作用，防止杆柱与泵上接头之间发生偏磨，造成泵的损坏。

1.2 设计计算

1.2.1 基本参数

1) 油管内径ø75.9 mm，考虑到油井的狗腿度和套变，泵的最大投影外径设计为ø70 mm，定子管选择ø70 mm×7 mm无缝钢管，定子管内径ø56 mm。

2) 根据定子橡胶性能特点，橡胶内衬最薄处的橡胶厚度设计为7.5 mm，则螺杆泵定子大径尺寸D=41 mm。

3) 根据螺杆泵转子导程与偏心距合理的比值范围，设计定子导程T=120 mm，偏心距e=3 mm；则转子的小径d=D-4e=29 mm。

4) 泵的理论转排量Qth=4edT=41.76 mL/r。

5) 根据橡胶的性能，泵的额定单级承压设计为0.45 MPa，则泵的额定压头p=0.45×40=18 MPa。

1.2.2 转子偏心运动轨迹计算

由于螺杆泵转子相对定子作偏心运动，为了保证转子上端的接箍在做偏心运动时不对泵延长管造成磨损，同时还要保证定子在下泵过程中不从杆上脱落，需要对转子上端接箍的尺寸及其最大轨迹尺寸进行计算。

确定了接箍尺寸后，需要通过接箍尺寸来确定泵上接头内孔尺寸dk。要保证螺杆泵定子在起下泵过程中定子不脱落，必须满足dk2×(dg/2+e)。与转子相连的延长杆选用ø25.4 mm抽油杆，则：38.1 mm>dk>31.4 mm。考虑到一个合理的安全系数，确定dk=36 mm。

1.2.3 受力分析

螺杆泵在运转过程中，泵出、入口会产生一个压差，受此影响，螺杆泵定子会受到一个向下的液压推力，连接在泵下端的涨卡式限位器将此力传递给管柱上的卡座，受卡座内孔尺寸的限制，定子不会出现向下的位移。因此本文不对轴向受力进行分析，仅分析径向受力。

转子受到的径向转矩包括液体压差产生的举升转矩和定转子之间的过盈配合产生的摩擦转矩[3]。

M=Mp+Mf

(1)

(2)

Mf=91.3δ-n0.45+46.5

(3)

式中，Mp为举升转矩；Mf为定转子之间的摩擦转矩；n为泵转速，取螺杆泵平均转速100 r/min；Δp为泵出入口压差；δ为定转子之间的过盈量，取0.3 mm。

M=Mp+Mf=119.34+65.95=185.29 N·m

根据转子与定子之间的相互作用，转子对定子施加一个同样大小的转矩，定子通过固定在卡座上的定位销将转矩传递给油管柱。卡座上安装有4个相同的定位销，定位销材料为42CrMo，则每个定位销受到的剪切应力为：

式中，τs为定位销受到的剪切应力；A为定位销的受力面积，R为作用半径。

定位销受到的剪切应力远小于材料的许用应力，满足定位要求。

2 特点及应用前景

2.1 特点

1) 结构简单。与普通螺杆泵及同类其它结构产品相比，该系统在普通螺杆泵基础上增加了1个涨卡式限位器和1个泵上接头，结构简单，减少了不必要的故障点，提高了系统的可靠性。

2) 成本低廉。 系统新增加的零部件基本以常用材料为主，在保持了普通同型号螺杆泵举升性能的基础上，系统本身没有造成大的成本增加，推广应用成本较低。

3) 操作方便。开发插入式螺杆泵最重要的目的就是方便作业，提高作业效率，实现低成本采油，它可以不起下油管而实现起下泵作业，为用户节约作业费用，缩短停机时间。

2.2 应用前景

国外在插入式螺杆泵方面研究较多，已经有比较成熟的产品投入现场应用。美国Moyno泵业有成熟的插入式螺杆泵产品，采用下端定位和密封的方式，应用效果良好；美国Weatherford公司拥有4个系列共33种规格的插入式螺杆泵产品，并在世界各地广泛的应用，大幅提高了其产品的多样性和经济性。国内在插入式螺杆泵方面受技术及应用环境的限制，大多还处于试验阶段，没有成熟的产品[4]。

3 结论

1) 插入式螺杆泵只需起下抽油杆即可完成起下泵作业，方便现场作业，缩短了检泵时间，避免了油管由于频繁起下造成的损坏，降低了作业成本。

2) 插入式螺杆泵结构简单，采用涨卡式限位器限制定子的轴向位移，定位销对定子进行径向固定，双层密封结构保证泵出、入口之间的密封。

[1] 王德民，韩修廷，王秀玲，等.螺杆泵采油原理及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998：18-23.

[2] 智庆东，申煜亮，吴频，等.新型杆式螺杆泵的研究与应用[J].石油机械，2009，37(7)：40-42.

[3] 廖云虎，杨志，许强，等.地面驱动螺杆泵抽油杆柱的受力计算[J].石油矿场机械，2007，36(9)：55-57.

[4] 窦春梅，徐国民，鲁明延，等.插入式螺杆泵的开发与应用[J].江汉石油学院学报，2005，27(5)：828-829.

Study of Insertable PC Pump and Its Application Prospects

ZHAN Shengzhong，SUN Shuang

(Daqing Oilfield Powerlift Pump Industry Co.，Ltd.，Daqing 163311，China)

For conventional PC pump，the stator connects tubing，and the rotor connects sucker rod.During well operation，both the sucker rod and the tubing need to be removed.The insertable PC pump combined with the characteristics of conventional PC pump and insertable oil well pump.Pump inspection can be completed only by removing sucker rod.It will make operation process more economical and efficient，reduce inspection time，avoid tubing damage，decrease operating?cost，expand the lower cost advantage of the PC pump by using the insertable PC pump，and also it will develop a new area of application of PC pump.Mature products have been applied overseas，and domestic products are only in experiments.Research needs to be carried out to master the design，manufacture and application technology of this area.

insertable PC pump；structure；stress analysis；application prospect

1001-3482(2016)12-0071-04

2016-07-21

詹升忠(1982-)，男，湖北随州人，工程师，现从事采油螺杆泵的研发工作，E-mail：zhanshzh@cnpc.com.cn。

TE933.3

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.019