螺杆泵直驱拖动装置合理额定扭矩的探讨

【摘 要】应用螺杆泵直驱技术，节电效果明显。但在推广应用的过程中也发现，直驱拖动装置的额定扭矩与单井合理生产时所需扭矩不配套，经常出现井下负荷重停井现象。本文分析了不同泵排量、转速、液面以及结蜡等条件下单井所需的最低扭矩，同时考虑抽油杆所能承受的最大扭矩，初步给出了单井正常生产时较为合理的额定扭矩计算方法，为科学指导直驱拖动装置的使用与设计提供了思路。

【关键词】螺杆泵直驱拖动装置；合理额定扭矩；排量；转速；液面；结蜡

一、前言

直驱螺杆泵是由螺杆泵直驱拖动装置经抽油杆带动其井下转子在定子内旋转从而将井下原油举升到地面的抽油设备。直驱螺杆泵具有较好的节能效果，但是在实际推广应用中却经常出现负荷重，停井现象。为了使螺杆泵正常工作，我们对螺杆泵井的工作扭矩进行了分析，并初步指定了螺杆泵正常生产时较为合理的额定扭矩。螺杆泵正常工作时产生的扭矩主要有螺杆泵的初始扭矩M1、举升液体时产生的举升扭矩M2、克服杆液摩擦产生的摩擦扭矩M3以及受结蜡影响产生的扭矩M4等。因此单井生产所需要的最低扭矩M应为这四种扭矩的总和即：

M=M1+M2+M3+M4-------（1）

下文分不同的井况对螺杆泵正常生产所需要的最低扭矩给出了分析：

二、不同井况下单井扭矩分析

（一） 泵排量对扭矩的影响分析

泵排量是指螺杆泵每转一周能排出的液量，在理论情况下，泵排量就是指其理论排量，其主要影响的是泵举升液体时产生的举升扭矩M2，泵排量越大，其产生的举升扭矩M2也应该越大，其理论计算公式如下：

M2=ΔP×q/2π=2eDT×ΔP/π------（2）

对于公式（2）中ΔP是泵排出端与吸入端的压差，mPa；q是螺杆泵每转的理论排量，m3；e是转子的偏心距，mm；D是转子的横截面直径，mm；T是定子的导程，mm。

（二） 转速对扭矩的影响

螺杆泵在正常运转时，必须克服杆液之间的摩擦力，会形成一个摩擦扭矩M3，其计算公式如下：

M3 =2π2μnDt2 d12L/ （Dt2- d12）-----（3）

公式（3）中，μ是原油粘度，mpa・s；n是转速，r/min；Dt是油管内径，mm；d1 ，d2是抽油杆外径、内径，对于实心抽油杆来说，内径为零；L是下泵深度，m。

由公式（3）可知，在泵型一定，油管内径一定，抽油杆外径一定，下泵深度、原油粘度已知的情况下，摩擦扭矩M3与转速n成正比的关系。

（三） 液面对扭矩的影响分析

由公式（1）--（3）可以看出，M1为泵的初始扭矩，是一个定值，M3为光杆处的最大摩擦扭矩，它在转速、杆径、抽油杆长度一定的条件下，也是一个定值；而M2在泵型一定的情况下，只是一个与ΔP成正比的值，即与动液面成正比的值（p=ρgh）。即总扭矩M可以看成一次函数M=AX+M1+M3+M4.其中

A=2eDT/π×9.8×10-6----（4）

X=动液面

这样就形成了最低扭矩M与动液面的关系式。

（四）结蜡对扭矩的影响分析

油井正常生产运行时，油管的结蜡也会对螺杆泵的生产扭矩产生影响，结蜡程度很难界定，但却能够反应在电流的变化上，因此我们依照电流的变化，来分析结蜡对扭矩的影响。电流I与扭矩的理论计算公式如下：

M4=UI/（2πn） -----（5）

公式（5）中，U是电机的电压，V，I是螺杆泵的电流，A，n为螺杆泵的转速，r/min。在此，我们计算在中等结蜡程度下，电流I=15A，电压U=220V，转速n=90r/min，其受结蜡程度影响的扭矩M4=350 N・m。

（五）不同因素对扭矩的影响分析汇总

由上述公式可以得出，螺杆泵的正常生产时的最低扭矩M应为：

M=AX+M1+2π2μnDt2 d12L/ （Dt2- d12）+M4-----（6）

其中在泵型已知的情况下，M1值和A值为一个定值，M1值是从室内试验测得，A值可根据螺杆泵基础数据由公式（4）计算而来，结果见表1。

表1 不同参数螺杆泵井的M1值和A值统计

由以上公式可以看出，单井正常运行所需要的最低扭矩M主要是泵的排量、转速、动液面和结蜡程度的影响。泵的排量越大、转速越快、动液面越高、结蜡程度越高，单井正常运行所需要的最低扭矩M也就越大。

目前我单位螺杆泵直驱拖动装置的额定扭矩普遍为1000 N・m，对比理论计算所得来的结果普遍偏小，尤其是对于800以上泵，在结蜡程度升高、液面降低后很难维持正常生产，这是造成我厂螺杆泵井负荷重停井的主要原因之一。在下步措施中，应根据计算结果逐步更换额定扭矩更大的螺杆泵直驱拖动装置，以维持螺杆泵的正常生产运行。

三、结论

排量q、转速n、动液面X和结蜡程度与直驱螺杆泵的额定扭矩成一个正比的关系，排量越大，转速越快，动液面A越低，结蜡程度越高，直驱螺杆泵拖动装置的额定扭矩就越大。摩擦扭矩M3由于原油在举升中具有一定的性，只占了整个扭矩的一小部分。根据螺杆泵井的泵型、液面、转速等条件制定出螺杆泵直驱拖动装置的合理额定扭矩，可以有效地防止螺杆泵因负荷重停井现象，节约作业费用。

参考文献：

[1]黄有泉，何艳等.大庆油田螺杆泵采油技术新进展[J].石油机械，2003年第11期

[2]刘巨保，罗敏等.地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用[J].石油学报，2005年1月