小排量螺杆泵井合理转速的确定与应用

摘要：螺杆泵采油中转速大小直接影响泵的效率和寿命，不同的场合、不同的工况、不同的泵结构参数以及泵在不同使用时期下，对泵的特性有不同的要求，那么转速也就有不同的选取。如果选取不合理，螺杆泵高效节能优点就发挥出来，本文从影响螺杆泵转速选取几个重要因素、从理论和实际应用两方面进行了分析讨论，对螺杆泵的转速合理性进行确定。

主题词：螺杆泵、转速、泵效

【分类号】：TE937

1 引 言

螺杆泵采油技术以其一次性投资少、管理方便、节能效果好等优势，逐渐成为油田注水开采后期一种较为经济有效的机械采油方法之一，尤其适合于稠油、高含气、高含砂油井的开发。在杏北1-3区三次加密及扩边地区大多采用了小排量螺杆泵井生产，小排量螺杆泵采油工艺配套技术基本上能够满足油井的生产需要。在螺杆泵的日常管理中，转速的确定尤为重要，合理的转速应当与油井的的工况及螺杆泵的结构参数相匹配。如果转选择不当，即会使泵效下降，还会影响泵的寿命。本文针对影响螺杆泵转数的几个主要因素进行讨论，为确定合理转速提供参考依据。

2 油井工况

螺杆泵的转速应与油井的工况相匹配，不同的工况对转速有不同的要求。由文献（1）认为对螺杆泵转速影响较大的因素是原油粘度，原油粘度影响泵的充满系数，当泵的转子旋转时，在泵的吸入口处泵的空腔容积逐渐变大，这时，只要有一定压差，原油便可迅速充满空腔。泵的转速越高，流道内液流的轴向速度就越大。若油液粘度较大，则因其流动性差，泵吸入口的水力阻力将变的很大，油液就不能很快充满吸入腔，使泵的容积效率急剧下降。由于油液不能完全充满泵的密封腔以及油液中大量气泡的产生，造成转子、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的影响。对于地面驱动的螺杆泵，还要克服抽油杆柱在井中旋转所受到的流体阻力。根据流体力学，假设牛顿流体μ为常量，在等速旋转的条件下，作用在抽油杆上流体转动阻力为：

M=πμd12d22Lω/（d12-d22） （1）

式中，μ为原油粘度，Pa.s；ω为抽油杆旋转角速度，rad/s；L为抽油杆长度，m；d1，d2分别为抽油杆外径、油管内径，m。

由（1）式可见，在粘度较大时，如果转速过高，阻力矩变的很大，不仅会引起泵的机械损失增大，还会对抽油杆的强度造成一定的影响。所以，当抽吸的油液粘度较高时，泵的转速应低些。对于地面驱动的螺杆泵采油系统，常用转速一般为50-200r/min。在动力粘度为10Pa.s以上时，转速一般为50 r/min；在粘度较小时，转速一般可选在200 r/min以上，甚至可达到300 r/min以上，这样可得到较高的效率。杏北油田原油粘度测定（九联）50℃时为13.8mPa.s。

螺杆泵的转速大小还应与油井的产量相匹配，保证泵的流量不大于油井的产量，如果油井供液不足，采油指数很低，而泵的流量大，井筒内静液面较高，既出现负沉没度，泵中介质不仅有析出气，还有从套管直接吸入的气体，致使泵长期在排气状态下工作。由于定、转子间没有足够的液体，摩擦热又不能散发，定子橡胶急剧升温，促使橡胶膨胀，增加了对转子的抱紧力，抱紧力又促使摩擦力增加，这种恶性循环使橡胶很快烧焦，导致泵很快失效。

3 螺杆泵的效率

螺杆泵的转速选取与泵效有直接的关系。大家都知道螺杆泵具有容积泵和离心泵的特点。由文献（2）知，容积效率随转速的增大而增大，而机械效率随转速的增大而稍微有所降低。显然，当转速较高时，容积效率也较高，而机械效率稍低。但总效率仍较大。所以，从提高泵效的角度出发，泵的转速应尽可能取得大一些。我们在平时工作中积累了一些调整转速的经验，对于高沉没度低泵效井采取调大转速的方法，能够提高产量，同时泵效也相应提高。

4 衬套的磨蚀

螺杆泵衬套磨蚀主要有摩擦磨损、疲劳磨损及磨砺磨损等。研究表明，泵的衬套磨损量与工作转速的平方成正比。转速越高，转子、衬套之间的滑动速度越大，衬套所受的循环载荷的频率也越大，接触区的温升也越高，这就加剧了摩擦磨损及疲劳磨损的程度。在高含砂的油井中，过高的工作转速还会加剧磨砺性磨损，造成螺杆衬套橡胶接触面凸出部分的擦伤，引起泵过早失效。所以，从降低衬套磨损、延长泵的寿命角度来看，泵的转速不宜过高，在含砂较高或易出砂的油井生产中，泵的转速以小于100r/min为宜。然而，降低泵的转速会对泵的容积效率造成不利的影响。由螺杆泵的特性曲线（图一）可见，当转速降低时，容积效率也会有较大幅大的降低。为保证低转速时的高效率，可采用降低泵的工作压力或提高泵的每级承压能力（采用高扬程的泵）的办法来补偿因转速低而引起的容积效率的下降。这样就可做到低转速下的高效率，同时也降低了泵的磨损，延长了泵的寿命。这就要求新井下泵设计时要考虑周全。

另外，螺杆泵的工作转速也应与其结构参数相匹配，对于衬套的初始过盈δ0来说，δ0越大，泵的转速应越低，这样有助于降低衬套的磨损速度及提高泵的机械效率。另外，在泵的使用初期，泵的转速宜稍取低些。随着衬套的逐渐磨损，转子、衬套之间的间隙也会逐渐增大，故在螺杆泵的使用后期，可适当地提高转速，补偿因衬套的磨损而造成容积效率的急剧下降。

总之，随着油井的不断开采，产量将不断下降，泵的转速也要相应调节到合适的值，保证泵的实际流量不大于油井的产量，使之始终与油井产量相匹配。

例：以下面2口螺杆泵井转速调整为例，进行分析螺杆泵合理转速的确定与应用，调整前油井产量与工作转速不合理，X3-310-24转速在86 r/min时，油井产能未能充分发挥，沉没度水平高，泵效低，螺杆泵为未起到高效节能的目的；X2-341-29转速在147 r/min时，在供液能力不足，沉没度低，泵效低；这2口井调整前均未达到节能的目的；当分别调到120 r/min和97 r/min时，泵排量与油井产量相匹配较为合理，泵效提高，沉没度稳定，同时满足油井生产需要，工作制度逐步合理。调整前后对系统效率进行测试对比，系统效率明显增加。因此，选择泵的适当转速是很必要的。

调 整 前 后 系 统 效 率 测 试 对 比

井 号 调整前 调整后

液（t/d） 沉没度（m） 消耗功率（Kw/h） 系统效率（Kw/h） 液（t/d） 沉没度（m） 消耗功率（Kw/h） 系统效率（Kw/h）

X3-310-24 5 610 4.5 12.6 9 214 5.6 20.5

X2-341-29 14 35 5.8 18.1 15 260 2.46 23.6

5 结论

5.1螺杆泵转速的确定是一个非常重要而又复杂的问题，在不同的场合，不同的工况，不同的泵的结构参数以及泵的不同使用时期下，对螺杆泵的特性应有不同的要求，那么转速也就有不同的选取。

5.2若想得到螺杆泵的好的综合特性，就应对上述因素进行综合考虑，确定较为合适的转速，这样才能既保证一定的泵效，又能保证一定的工作寿命。

5.3对于小排量螺杆泵井由于自身排量小，转速最高不宜超过200 r/min，在防止干磨的情况下，建议转速控制在100 r/min左右为宜，新井投产初期应不断调整泵的转速，达到泵与井况的合理匹配，使泵获得较长的寿命。