螺杆泵井低泵效原因及对策研究 第4页
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第2章 螺杆泵的工作原理
2.1 螺杆泵主要组成
在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也比较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率，国内正处于试验阶段，国内各油田现用的螺杆泵采油系统，一般都选取地面驱动方式[7]。
地面驱动螺杆泵采油系统见图2-1，主要由地面设备和井下设备组成。井下设备有螺杆泵和锚定工具；地面设备主要有驱动头、动力设备及井口。动力源将动力传递给驱动头，再通过驱动头减速后，由方卡子将动力传递给光杆，再经与光杆连接的抽油杆柱将动力直接传至螺杆泵。螺杆泵举升的原油沿抽油杆与油管的环形空间上升到井口，由于井口上端有一盘根盒密封，使原油进入输油管线。
1-动力系统；2-转盘；3-三通；4-地面管线；5-井口；6-计量站；7-动液面；8-抽油杆；9-油管；10-抽油杆扶正器；11-螺杆泵；12-油层
图2-1 地面驱动螺杆泵系统组成
（1）地面驱动设备
①驱动头。驱动头是地面的一个主要减速装置，它将动力源的高速旋转降低到适合螺杆泵及抽油杆的转速，一般为150—500r/min，目前应用的驱动的驱动头的结构形式主要有偏置式、平衡式、一体式电机和电机直接驱动四种。
②光杆连接方式。驱动装置通过光杆与井底抽油杆相连接，光杆表面较光滑，是一个一端带螺纹的抽油杆短节，上端穿过驱动头的轴套孔，通过方卡子与轴套连接， 下端与井底的抽油杆螺纹相连接。驱动装置下部安装密封盘根盒，密封住旋转的光杆。杆柱负荷通过光杆传递给驱动装置，负荷由井口承受。这种光杆主要传递动力，称为动力光杆。还有一种光杆不传递动力，主要用来密封，动力通过驱动装置的轴套传递给抽油杆，光杆放在轴套内，通过静密封胶圈封住环空油液。
③动力源。螺杆泵采油系统常用的动力源包括电机、柴油机、拖拉机、液压马达等，其中最常见的是：
a.电机通过皮带轮将动力传至驱动装置，操作方便，易于管理，是应用最广泛的一种。
b.柴油机通过皮带将动力传给驱动装置，这种方式可用在无电网的地区，但相应增加部分管理费用，在国内有些油田采用。
c.拖拉机尾部连接一变速箱，通过十字轴将动力传给驱动装置，这种方式比较适合那些低丰度油田的间歇抽油，不设置电网、管网，可大幅度降低投资，是低产油田开采的比较理想方式，目前正在推广之中。
d.采用液压传动提供动力，较适用低产油田间歇采油，目前正在试验之中。
④驱动装置与井口的主要连接方式
a.驱动头法兰盘与井口法兰连接是目前应用最多的一种，驱动头下部有一个法兰盘，尺寸与采油树井口法兰相配合。
b.井口卡箍头连接驱动头下部卡箍头。
c.高架式是特制一个架子装在驱动头底部与井口连接。
⑤皮带张紧调节方式。一般有两种方式：
a.采用张紧轮调整。在驱动头壳体上安装一个张紧轮，通过压紧张紧轮增大皮带包角。
b.通过增加皮带轮中心矩来调整。电机座架与驱动头壳体连接，机架有两个环形槽，通过螺栓紧固在壳体上，松开螺栓，即可将架座向外移动，这样就可增加两皮带轮的距离，从而达到张紧的目的。
⑥更换皮带轮调速。通常螺杆泵驱动装置可设计几个转速，配备几个调速皮带轮，在新井投产时由于地层压力高，供液能力强，可采用较高的转速，经过一段时间后，调整转速，以免产生抽空现象。所以电机提供动力的螺杆泵多采用更换皮带轮调节转速。拖拉机间歇采油装置通过拖拉机尾部的变速箱来调节转速。
⑦井口密封。螺杆泵井口密封特殊情况下短期最大压力应达到10MPa。
⑧防反转机构。螺杆泵在运转一段时间后，井下抽油杆积累了一部分能量，另由于抽油杆与油管内与油套环空液面的高度差造成螺杆泵象液压马达那样反转，在螺杆泵停机时，抽油杆将高速反转，若不加以限制，由于惯性作用势必会造成抽油杆脱扣，所以必须在螺杆泵驱动装置上设计防反转机构。
⑨轴向载荷。轴向载荷与抽油杆深度成正比，与泵的尺寸、举升压差有关。
（2）井下泵
井下泵包括定子与转子。
①定子。螺杆泵定子是由橡胶衬套浇铸粘接在刚体外套内形成的。衬套的内表面是双螺旋曲面，它与螺杆泵转子相配合。转子在定子内转动，实现抽吸功能。
②转子。螺杆泵转子是由合金钢调质后经防磨处理的。每一截面都为圆的单螺杆。采油螺杆泵单级举升扬程一般不超过70m水柱，即单级最大工作压力不超过0.7MPa。单级工作压差主要是靠定子、转子的过盈来实现的。过盈越大，单级工作压差越大，转子扭矩越大。过盈越小，单级工作压差越小。所以螺杆泵定子、转子间的过盈应该选合力值。
（3）井下配套工具
①防转锚。它保证定子、转子间相对运动的实现，它位于螺杆泵定子的下端，与定子连接。当油管受正转力矩时，牙块伸出，与套管咬死，阻止油管正转；当油管受到反转力矩时，牙块缩回，与套管松开，油管反转。在螺杆泵正常运转抽油时，转子正转，摩擦使定子受到一个正转力矩，有了防转锚，阻止油管正转，保证定子、转子间相对运动的实现。
②防脱器。下泵过程是先将定子下井之后再下转子，当将转子下入定子时，由于转子外形为螺旋线，要发生旋转，转子跟抽油杆连接在一起，若抽油杆不转势必会造成抽油杆的脱扣。防脱器装在抽油杆与转子之间。当转子正向转动时，防脱器跟着转子转动，而上部的抽油杆则静止不动，可防止脱扣现象的发生。
③扶正器。油管扶正器和抽油杆扶正器。油管扶正器主要是防止螺杆泵振动，抽油杆扶正器防止抽油杆磨油管，使抽油杆在油管内居中，减少杆、管的磨损。
2.2 螺杆泵采油的工作原理
螺杆泵利用动力驱动潜油螺杆泵采油系统，用旋转运动实现抽油。螺杆泵是最简单的活塞泵，仅由转子和定子组成，转子是通过精加工、表面镀铬的高强度螺杆；定子就是泵筒，是由一种坚固、耐油、抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久地粘接在钢壳体内而成。螺杆泵是一种螺杆齿轮泵，其多波瓣结构在泥浆上用得较多。转子实际上是一根螺旋杆，它与螺杆内定子啮合而形成空腔，当螺旋杆(螺杆)转动时，空腔随之向上移动。空腔的密封是靠金属转子与由弹性材料浇铸而成的定子间的干扰配合。螺杆泵工作过程中空腔的形状和几何尺寸都不发生变化，所以它是一种极好的稠油抽油方式。当转子在定子中旋转时，由于定子比转子多一条螺旋线，所以，在转子与定子之间形成了许多密封腔。这些密封腔随着转子的旋转而不断变换位置，并呈周期性的变化，且转子沿着自己轴线旋转的同时，双平行定子轴线绕定子轴线沿一定半径的圆周运动，从而将井内的液体由底部密封腔逐级向顶部密封腔推移，并且逐级提高压力，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口。如图2-2所示。
1—电控箱 2—电机 3—皮带 4—方卡子 5—减速箱 6—压力表 7—专用井口
8—抽油杆 9—抽油杆扶正器 10—油管扶正器 11—油管 12—螺杆泵 13—套管 14—定位销 15—油管防脱装置 16—筛管 17—死堵 18—油层
图2-2 螺杆泵采油示意图
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