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螺杆泵工作特性研究及应用

魏纪德  
【摘要】: 螺杆泵采油作为一种新型人工举升方式,以投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及适应性强等独特优点而倍受国世界各油田重视,并已经成为油田主要的机采方式之一。螺杆泵的理论工作特性曲线与实际工况条件下的工作特性曲线相差较大,用于指导生产实践存在不准确性。为此,本文以研究实际工况条件下的螺杆泵的工作特性为重点,建立了螺杆泵工作特性修正数值模拟模型。以此为基础改善螺杆泵的工作特性、增强其适应性、延长螺杆泵的使用寿命。 本文详细分析了螺杆泵的运动学和动力学特征、系统试验分析了结构参数、工作参数和工况环境对螺杆泵工作特性的影响规律。研究表明,螺杆泵的结构参数、工作参数和工况环境对螺杆泵工作特性有明显的影响。工作转速、工况温度及介质粘度的增加会不同程度地提高螺杆泵的举升能力,转子结构参数偏差、定子型线偏差对螺杆泵工作特性同样有明显的影响。同时认为提高工况条件下的定子型线精度是改善和提高螺杆泵工作特性的有效途径。 根据采油螺杆泵定子几何物理特性,建立了螺杆泵定子工作状态下的力学、传热数学模型,利用有限元分析方法进行了定子力学场、温度场的耦合数值模拟计算,获得了特定条件下的定子的力学场、温度场分布规律。研究表明,常规螺杆泵定子型线法向位移可以用正弦曲线很好地表征,且法向位移分布曲线在形态上呈“M”型。而等壁厚定子型线的法向位移则适合用三项Fourier级数描述,其分布曲线呈“W”型。常规螺杆泵定子型线的法向位移与压力成正比,等壁厚螺杆泵定子的法向位移与压力也基本上成正比,但相同压力下两者的位移量相差好几倍。等壁厚定子不仅位移量小,其分布也平坦得多,变化幅度也很小。常规螺杆泵定子最高温度点位于短轴方向橡胶厚度最厚的中心部位,等壁厚定子最高温度点位于直线与圆弧交接处,且定子温度场分布比较均匀。从变形角度和温升来看,等壁厚螺杆泵工作特性比常规螺杆泵要优越得多,在提高工作性能和延长寿命方面也具有明显的优势。 本文通过对螺杆泵工作特性的分析和充分认识,为改善螺杆泵的工作特性开发了空心转子螺杆泵、等壁厚定子螺杆泵、适应润滑特性差的螺杆泵。现场试验表明,空心转子螺杆泵不仅可以提高其工作性能,且工艺配套性更强。而等壁厚定子螺杆泵技术优势明显,能够明显改善和提高螺杆泵的工作性能。适应润滑特性差的螺杆泵能够降低定转子之间的摩擦扭矩,在润滑特性差的特殊介质中实现连续运转。在研究螺杆泵在油井高温、高压条件下定子橡胶产生溶胀、温胀使空腔变小、泵容积效率减小的试验和影响规律基础上,制定了提高泵容积效率的技术对策,更好地发挥其高效节能优势,为油田生产服务。 利用螺杆泵工作特性,在建立采出液在抽油杆和油管构成的环空中螺旋流的速度、流量、压降物理型的基础上,建立了螺杆泵了举升生产最优化设计方法和螺杆泵采油井工况分析诊断方法。使螺杆泵采油系统成为高效率,适应性强,安全可靠,检泵周期长的经济有效举升的机采方式。


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