螺杆泵井低泵效原因及对策研究 第5页
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第3章 螺杆泵采油工作特性分析
3.1 螺杆泵的基本参数的确定
3.1.1 泵的理论排量
泵的每转排量为：
（3-1）
则泵的理论排量为：
（3-2）
式中 ——泵的理论排量，m3/d；
——螺杆的偏心距，m；
——螺杆的转速，r/min；
——螺杆截面的直径， m；
——衬套的导程， m；
——螺杆的螺距，m。
螺杆泵的实际排量为：
（3-3）
式中 ——泵的实际排量m3/d；
——容积效率。
3.1.2 泵的容积效率
泵的实际排量 与理论排量 的比值，称为泵的容积效率，记作 ，用公式表达为：
（3-4）
泵的容积效率实质上是一个排量系数，它与泵的扬程、转子与定子间配合的过盈量、转子的转速以及举升液体的粘度等参数有关，是一个多变量函数。因此，目前泵的容积效率多用回归分析方法求其具体的表达式。
3.1.3 泵的扭矩
由于螺杆泵的吸入端和排出端存在压差，所以螺杆-衬套副中的液体将对螺杆施加力的作用。同时，定、转子间存在过盈量，将会使定、转子间产生磨擦阻力扭矩。
3.1.3.1 转子的有功扭矩
螺杆-衬套副将机械能转换为液体的压能，若不考虑损失，则由能量转换关系可得：
（3-8）
（3-9）
式中 ——转子的工作扭矩，N m；
——螺杆泵吸入端的压差，Pa。
3.1.3.2 定子与转子间的磨擦扭矩
由于螺杆泵定子与转子间存在过盈量，因此，当转子在定子内转动时，定子与转子间就产生磨擦。定子对转子施加磨擦扭矩的作用，其磨擦扭矩 计算式为：
（3-10）
式中 ——定子与转子间的磨擦扭矩，N m；
——定子与转子间的磨擦系数；
——定子衬套橡胶的刚度，N/m；
——衬套橡胶在井下条件的胀容量，m；
——衬套橡胶的初使过盈量，m。
3.1.3.3 启动扭矩
螺杆泵的空载运转达扭矩一般很小，但长时间静止的螺杆泵启动时需要的扭矩却非常大，为空载运转进扭矩的20-30倍，为满载工作时扭矩的2-3倍。启动扭矩的大小，与螺杆泵密封线的长度、定转子间的过盈量以及橡胶的硬度和工作压力有关，还与静止时间长短以及磨擦面的粗糙度有关。级数越多、粗糙度越大、橡胶硬度越高，以及定、转子间过盈量越大、泵的工作压力越高，泵的启动扭矩也就越大。
从使用的角度出发，就应该尽量减少泵在长时间静止后启动；从设计制造的角度出发，应适当降低橡胶的硬度和过盈量，关选用使转子和定子橡胶磨擦系数较小的涂渡材料。同时，降低转子和定子表面粗糙度也是十分重要的。
3.2 螺杆泵工作特征曲线及其影响因素
3.2.1 螺杆泵工作特性曲线[8]
螺杆泵工作特征曲线是反映螺杆泵容积效率、扭矩、系统效率与举升高度之间的关系曲线，也可称作螺杆泵的外特性曲线，它可以通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况而得到。螺杆泵工作特征曲线有三条曲线组成（如图3-1所示）：
①容积效率（ ）曲线——容积效率与扬程（ ）的关系曲线；
②扭矩（ ）曲线——转子扭矩与扬程（ ）的关系曲线；
③系统效率（ ）曲线——系统效率与扬程（ ）的关系曲线。
图3-1 螺杆泵工作特性曲线
3.2.2 螺杆泵工作特性的影响因素
影响螺杆泵特性因素很多，这里对定转子自身的过盈量、转子的转速和转子直径、导程和部分外界因素进行分析。
3.2.2.1 螺杆泵自身因素分析
（1）过盈量的影响。螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使用定、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子间的过盈量。因此，过盈量的大小直接影响泵效的高低。
不同的过盈量容积效率差别很大，因而将严重影响泵的系统效率。一方面，过盈量大可获得较高的泵效，但是抽油杆的扭矩增加，易出现油管、抽油杆断脱现象，并且定子橡胶磨损加剧，影响泵的寿命；另一方面，过盈量不虽然不易出现上述问题，但泵的容积效率过低，将降低泵的系统效率。因此，要对过盈量进行全理的选择。所谓合理的过盈量，就是在能够保证一定的举升压力和容积效率条件下的过盈量值。
（2）转子转速的影响。螺杆泵转速对螺杆泵抽油系统影响较大，提高螺杆泵的转速有其有利的地方，也有不利的地方。
提高螺杆泵转速的有利因素：
①螺杆泵转速越高，泵效越高。螺杆泵的工作特性，有柱塞泵硬特性的特点，也有离心泵软特性的特点。特别是在泵漏失比较严重，其它条件不允许的情况下，提高泵转速可以提高泵效。
②螺杆泵转速越高，泵的举升压头越高。正常情况下，螺杆泵的压头与泵的级数和单级承压能力有关。泵的级数越多，单级承压能力越大，泵的举升压杀越大。提高单级承压能力，必须增加泵的过盈量，这样会增加摩阻，降低螺杆泵抽油系统效率。而通过提高泵的转速可以提高泵的压头，在泵的举升压头不够时或潜力较小时，可通过提高泵的转速提高泵的压头。
③泵的转速越高，泵的理论排量越大。但是，转速越高，抽油杆的离心力就越大，抽油杆的弯曲震动就越严重，抽油杆接箍与油管内壁的摩擦力也就随之增大，同时，举升高度也将因沿程损失的增加和定子橡胶磨损的加速而下降。因此转子转速也不宜过高。一般国外推荐200-400r/min。国内油田多数用在100-300r/min。视具体情况而定，若压头、泵效太低时，大泵浅油井排量不够时，泵的举升压头较小时，可适当提高泵的转速（250-350r/min），深井、小排量、低含水供液不足井应选用60-150r/min，
④在压头相同、排量相同的条件下，高转速扭矩小。
提高螺杆泵转速的不利因素：
①螺杆泵转速越高，增加螺杆泵定转子的磨损。
②转速越高，单位长度内定转子间的生热量越大，引起橡胶热胀，定转子之间的扭矩增加，整个抽油系统的负荷上升。
③螺杆泵转速大，抽油系统抽油杆与油管的摩擦力增大，加剧油管、抽油杆的磨损。
④螺杆泵转速提高，杆管系统受力的疲劳程度增加。地面驱动装置受力条件
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