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螺杆泵井转速对泵效的影响研究与应用

2019-08-17 15:47:58
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1前言

螺杆泵采油系统是一种重要的机械采油工艺,具有占地少、投资小、能耗低、噪音低、易管理、出液平稳等优点,在油田生产中应用广泛。随着国内各油田螺杆泵采油的广泛应用,如何提高泵效成为采油技术人员研究的重要课题。螺杆泵生产过程中,影响泵效的因素包括定(转)子过盈值、转子转速、液体豁度、含气量、泵沉没度等,其中,只有转速在油井作业中可根据井况灵活调整,因此研究转速对泵效的影响,对螺杆泵井的产量提高与节能增效具有重要意义。

当下普遍认为,螺杆泵转速与泵效的关系成正比,即转速越高,泵效越高,其实,此说法限于螺杆泵进行地面水力测试试验环境。螺杆泵在井下环境中,综合了液体豁度与含气率对泵充满度的影响后,结论却与之相反:即转速越低,泵效越高;而低转速在提高油井泵效的同时,还能直接降低损耗做功,从而达到提高系统效率的目的。

结合实际井下工作环境,本文综合分析螺杆泵井下工作中,漏失量与充满度对转速及泵效的影响,并提出解决方案。

2泵效与转速关系分析

在螺杆泵日常管理中,合理的转速应与油井工况及螺杆泵结构参数相匹配。如果转速选择不当会使泵效下降,甚至影响螺杆泵使用寿命。一般情况下,螺杆泵井下工作过程中,影响泵效的两大主要因素为泵的漏失量与充满程度。其中,泵的充满度即为泵入口处液体对泵腔体的充满程度。液体豁度越大、含气越高、转速越快,泵的充满度越低,反之越高;泵的漏失量即液体从泵入口向上举升过程中沿定转子结合面回流的部分,泵出口压力越高、定转子过盈值越小、转速越低,漏失量就越大,反之漏失量越小。对于螺杆泵井的泵效指标来说,同时满足高的泵充满度与低的泵漏失量,才是保证高泵效的较理想状态。

由上可知,转速对泵的漏失量与泵的充满程度均有影响,且影响结果相反:一方面转速越高,漏失越少,致使泵效越高;另一方面转速越高,泵的充满程度越差,致使泵效越低。井下泵工作中的泵效综合了这两种影响,结论为转速越高,泵效越低,这是因为在井下泵工作中,漏失的影响程度小于泵充满程度的影响。为验证这一结论的客观性,下面从泵的漏失与泵充满度两个方面进行论证。

3漏失与转速关系分析

3.1转速对漏失的影响定性分析

在螺杆泵的地面水力特性测试中,由于采用介质是水等豁度很小的理想液体,基本能保证泵腔体的全部充满,此时只须考虑漏失对泵效的影响,所以研究转速与漏失的影响,只需研究地面水力测试中泵效随转速的变化m即可。图1为某泵在不同转速下的水力测试泵效曲线,从曲线中获得两点认识:①泵压差(泵举升的液体入口与出口的压力差)一定时,转速越高,泵效越高。当泵压差达到试验压力5MPa时,转速由60r/min上升至150r/min,泵效由75%上升至92%;②在转速一定的条件下,泵压差越大,泵效越低,转速对泵效的影响越显著。

3.2转速对漏失的影响定量计算

通常,泵工作压差与泵承压能力的关系用临界压差来表示,我们将螺杆泵水力测试中泵容积效率降到90%时所承受的压差定义为该泵的临界压差,其值与泵的定、转子过盈值成正比。因为临界压差是泵承压能力在泵漏失方面的体现,即泵的临界压差越小,泵的承压能力越弱,同等工作压差下的漏失就越严重。由于泵临界压差相比泵漏失是可以量化的指标,因此,为定量分析转速对泵漏失的影响,我们将其影响归结为转速对临界压差的影响。

3.3转速对井下泵漏失的影响分析

分析可知,只有当泵的工作压差大于临界压差时,即漏失量达到一定规模时,转速对漏失的影响才会显著,否则影响不明显。而在井下泵的实际工作中,设计临界压差均大于泵的工作压差,加之螺杆泵定子橡胶溶胀与热胀的影响,导致定、转子间过盈值增大,临界压差会进一步升高,因此多数情况下临界压差均大于工作压差,此时井下泵的漏失量受转速影响幅度不大。

4充满度与转速的关系分析

在地面进行的水力测试中,由于液体为水或机械油,豁度低,流动性好,所以在高转速时也能将泵空腔及时充满。而螺杆泵在井下工作中,由于原油豁度大,流动性差,转速越高,留给原油流进泵腔体的时间越短,使原油越难以及时充满泵腔体,促使泵效下降。

对螺杆泵转速影响较大的因素是原油豁度。泵的转速越高,流道内液流的轴向速度就越大。若原油豁度较大,则因其流动性差,泵吸入口处的水力阻力将变得很大,油液就不能很快充满吸入腔,促使泵的容积效率急剧下降。此外,由于油液不能完全充满泵的密封腔室以及油液中大量气泡的产生,造成螺杆、衬套之间的局部干摩擦,并有剧烈的振动和噪声产生,会对泵的寿命产生严重影响。所以,在井下工作条件下,螺杆泵的转速越高,泵效越低。