插入式螺桿泵研究及應(yīng)用前景探討

詹升忠，孫 雙

(大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311)①

插入式螺桿泵研究及應(yīng)用前景探討

詹升忠，孫 雙

(大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311)①

常規(guī)的采油螺桿泵定子與油管連接、轉(zhuǎn)子與抽油桿連接，作業(yè)過(guò)程既需要起下抽油桿，也需要起下油管。插入式螺桿泵綜合了普通螺桿泵與插入式抽油泵的特點(diǎn)，只需起下抽油桿即可完成起下泵作業(yè)，作業(yè)過(guò)程更加經(jīng)濟(jì)快捷，縮短了檢泵時(shí)間，避免了油管的損壞，降低了作業(yè)成本，低成本優(yōu)勢(shì)更加顯著。國(guó)外已經(jīng)有比較成熟的插入式螺桿泵產(chǎn)品投入應(yīng)用；國(guó)內(nèi)大多以試驗(yàn)為主。對(duì)插入式螺桿泵進(jìn)行了研究，介紹了該技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用前景。

插入式螺桿泵；結(jié)構(gòu)；受力分析；應(yīng)用前景

在常規(guī)的螺桿泵采油系統(tǒng)中，螺桿泵定子與油管連接，并隨油管下入至要求的深度；螺桿泵轉(zhuǎn)子與抽油桿連接，隨桿柱下入到定子里。當(dāng)井下出現(xiàn)故障需要起出螺桿泵時(shí)，必須分2步作業(yè)，即先上提抽油桿起出轉(zhuǎn)子，再上提油管起出定子[1]。這樣不僅增加了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難度，延長(zhǎng)作業(yè)周期，增加作業(yè)成本，還容易造成油管的損壞。

插入式螺桿泵綜合了普通螺桿泵與插入式抽油泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，起下泵作業(yè)時(shí)，只需起下抽油桿即可完成起下泵作業(yè)，不需要起下油管，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方便，可以實(shí)現(xiàn)快速而經(jīng)濟(jì)的檢泵和換泵作業(yè)，縮短了檢泵時(shí)間，避免了油管由于頻繁起下造成的損壞，降低了作業(yè)成本，使螺桿泵的低成本優(yōu)勢(shì)更加顯著。

1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

插入式螺桿泵包括桿柱和管柱2個(gè)系統(tǒng)。桿柱系統(tǒng)包括抽油桿接頭、桿扶正器、泵上接頭、延長(zhǎng)桿、延長(zhǎng)管、轉(zhuǎn)子上接頭、轉(zhuǎn)子、定子、限位短節(jié)、限位銷、橡膠密封圈、鍍銅層和漲卡式限位器等，如圖1所示。管柱系統(tǒng)包括卡座、定位銷、接箍、密封管和油管，如圖2所示[2]。

1—抽油桿接頭；2—桿扶正器；3—泵上接頭；4—延長(zhǎng)桿；5—延長(zhǎng)管；6—轉(zhuǎn)子上接頭；7—轉(zhuǎn)子；8—定子；9—限位短節(jié)；10—限位銷；11—密封圈；12—鍍銅層；13—漲卡式限位器。

1—油管；2—接箍；3—密封管；4—定位銷；5—卡座。

下泵作業(yè)時(shí)，先將管柱系統(tǒng)按圖2連接，通過(guò)油管下到井下的設(shè)計(jì)位置，并將管柱錨定在套管內(nèi)；再將桿柱系統(tǒng)通過(guò)油管內(nèi)孔下入井下。當(dāng)漲卡式限位器到達(dá)卡座上端面時(shí)，在桿柱重力的作用下，漲卡式限位器發(fā)生彈性變形，外徑縮小，進(jìn)入卡座，直至漲卡式限位器上的錐形鍍銅層與卡座上端面的錐形面緊密貼合，這時(shí)漲卡式限位器自動(dòng)漲開(kāi)，固定在卡座里，卡座的上下錐面對(duì)桿柱系統(tǒng)進(jìn)行軸向固定。當(dāng)桿柱受到軸向作用力時(shí)，作用力通過(guò)卡座傳遞給管柱系統(tǒng)，最終通過(guò)錨定工具傳遞給套管。

起泵作業(yè)時(shí)，作業(yè)機(jī)上提抽油桿，給抽油桿一個(gè)向上的拉力，拉力通過(guò)泵上接頭傳遞給螺桿泵定子及漲卡式限位器。當(dāng)作業(yè)拉力大于漲卡式限位器的最大軸向限制力時(shí)，漲卡式限位器再次發(fā)生彈性變形，外徑縮小，從卡座里脫出，實(shí)現(xiàn)解卡。

卡座通過(guò)油管下入井下，在卡座上安裝有上端錐面的定位銷，在漲卡式限位器進(jìn)入卡座時(shí)，安裝在卡座上的定位銷由于端面的錐形結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)向作用，自動(dòng)進(jìn)入漲卡式限位器的卡槽內(nèi)。受定位銷的限制，螺桿泵在正常運(yùn)行時(shí)定子不跟隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)桿柱系統(tǒng)的徑向固定，保證螺桿泵的正常工作。漲卡式限位器上段安裝有橡膠密封圈，它與管柱系統(tǒng)上的密封管相配合，對(duì)泵的出入口壓差進(jìn)行密封。同時(shí)，漲卡式限位器上的鍍銅層呈錐面結(jié)構(gòu)，與卡座上端面的錐形面相配合，對(duì)泵的出入口壓差進(jìn)行二次密封，確保泵出入口之間不會(huì)發(fā)生泄露。

螺桿泵的轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子上接頭連接延長(zhǎng)桿，并通過(guò)抽油桿接頭與抽油桿相連。螺桿泵的定子上端連接延長(zhǎng)管，延長(zhǎng)管的上端連接泵上接頭，在泵上接頭內(nèi)安裝有桿扶正器，可以在保證轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)對(duì)桿起扶正作用，防止桿柱與泵上接頭之間發(fā)生偏磨，造成泵的損壞。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

1.2.1 基本參數(shù)

1) 油管內(nèi)徑?75.9 mm，考慮到油井的狗腿度和套變，泵的最大投影外徑設(shè)計(jì)為?70 mm，定子管選擇?70 mm×7 mm無(wú)縫鋼管，定子管內(nèi)徑?56 mm。

2) 根據(jù)定子橡膠性能特點(diǎn)，橡膠內(nèi)襯最薄處的橡膠厚度設(shè)計(jì)為7.5 mm，則螺桿泵定子大徑尺寸D=41 mm。

3) 根據(jù)螺桿泵轉(zhuǎn)子導(dǎo)程與偏心距合理的比值范圍，設(shè)計(jì)定子導(dǎo)程T=120 mm，偏心距e=3 mm；則轉(zhuǎn)子的小徑d=D-4e=29 mm。

4) 泵的理論轉(zhuǎn)排量Qth=4edT=41.76 mL/r。

5) 根據(jù)橡膠的性能，泵的額定單級(jí)承壓設(shè)計(jì)為0.45 MPa，則泵的額定壓頭p=0.45×40=18 MPa。

1.2.2 轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

由于螺桿泵轉(zhuǎn)子相對(duì)定子作偏心運(yùn)動(dòng)，為了保證轉(zhuǎn)子上端的接箍在做偏心運(yùn)動(dòng)時(shí)不對(duì)泵延長(zhǎng)管造成磨損，同時(shí)還要保證定子在下泵過(guò)程中不從桿上脫落，需要對(duì)轉(zhuǎn)子上端接箍的尺寸及其最大軌跡尺寸進(jìn)行計(jì)算。

確定了接箍尺寸后，需要通過(guò)接箍尺寸來(lái)確定泵上接頭內(nèi)孔尺寸dk。要保證螺桿泵定子在起下泵過(guò)程中定子不脫落，必須滿足dk2×(dg/2+e)。與轉(zhuǎn)子相連的延長(zhǎng)桿選用?25.4 mm抽油桿，則：38.1 mm>dk>31.4 mm。考慮到一個(gè)合理的安全系數(shù)，確定dk=36 mm。

1.2.3 受力分析

螺桿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，泵出、入口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差，受此影響，螺桿泵定子會(huì)受到一個(gè)向下的液壓推力，連接在泵下端的漲卡式限位器將此力傳遞給管柱上的卡座，受卡座內(nèi)孔尺寸的限制，定子不會(huì)出現(xiàn)向下的位移。因此本文不對(duì)軸向受力進(jìn)行分析，僅分析徑向受力。

轉(zhuǎn)子受到的徑向轉(zhuǎn)矩包括液體壓差產(chǎn)生的舉升轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩[3]。

M=Mp+Mf

(1)

(2)

Mf=91.3δ-n0.45+46.5

(3)

式中，Mp為舉升轉(zhuǎn)矩；Mf為定轉(zhuǎn)子之間的摩擦轉(zhuǎn)矩；n為泵轉(zhuǎn)速，取螺桿泵平均轉(zhuǎn)速100 r/min；Δp為泵出入口壓差；δ為定轉(zhuǎn)子之間的過(guò)盈量，取0.3 mm。

M=Mp+Mf=119.34+65.95=185.29 N·m

根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子之間的相互作用，轉(zhuǎn)子對(duì)定子施加一個(gè)同樣大小的轉(zhuǎn)矩，定子通過(guò)固定在卡座上的定位銷將轉(zhuǎn)矩傳遞給油管柱。卡座上安裝有4個(gè)相同的定位銷，定位銷材料為42CrMo，則每個(gè)定位銷受到的剪切應(yīng)力為：

式中，τs為定位銷受到的剪切應(yīng)力；A為定位銷的受力面積，R為作用半徑。

定位銷受到的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足定位要求。

2 特點(diǎn)及應(yīng)用前景

2.1 特點(diǎn)

1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與普通螺桿泵及同類其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)在普通螺桿泵基礎(chǔ)上增加了1個(gè)漲卡式限位器和1個(gè)泵上接頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了不必要的故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2) 成本低廉。 系統(tǒng)新增加的零部件基本以常用材料為主，在保持了普通同型號(hào)螺桿泵舉升性能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)本身沒(méi)有造成大的成本增加，推廣應(yīng)用成本較低。

3) 操作方便。開(kāi)發(fā)插入式螺桿泵最重要的目的就是方便作業(yè)，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)低成本采油，它可以不起下油管而實(shí)現(xiàn)起下泵作業(yè)，為用戶節(jié)約作業(yè)費(fèi)用，縮短停機(jī)時(shí)間。

2.2 應(yīng)用前景

國(guó)外在插入式螺桿泵方面研究較多，已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。美國(guó)Moyno泵業(yè)有成熟的插入式螺桿泵產(chǎn)品，采用下端定位和密封的方式，應(yīng)用效果良好；美國(guó)Weatherford公司擁有4個(gè)系列共33種規(guī)格的插入式螺桿泵產(chǎn)品，并在世界各地廣泛的應(yīng)用，大幅提高了其產(chǎn)品的多樣性和經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)在插入式螺桿泵方面受技術(shù)及應(yīng)用環(huán)境的限制，大多還處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品[4]。

3 結(jié)論

1) 插入式螺桿泵只需起下抽油桿即可完成起下泵作業(yè)，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，縮短了檢泵時(shí)間，避免了油管由于頻繁起下造成的損壞，降低了作業(yè)成本。

2) 插入式螺桿泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用漲卡式限位器限制定子的軸向位移，定位銷對(duì)定子進(jìn)行徑向固定，雙層密封結(jié)構(gòu)保證泵出、入口之間的密封。

[1] 王德民，韓修廷，王秀玲，等.螺桿泵采油原理及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998：18-23.

[2] 智慶東，申煜亮，吳頻，等.新型桿式螺桿泵的研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2009，37(7)：40-42.

[3] 廖云虎，楊志，許強(qiáng)，等.地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿柱的受力計(jì)算[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36(9)：55-57.

[4] 竇春梅，徐國(guó)民，魯明延，等.插入式螺桿泵的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(5)：828-829.

Study of Insertable PC Pump and Its Application Prospects

ZHAN Shengzhong，SUN Shuang

(Daqing Oilfield Powerlift Pump Industry Co.，Ltd.，Daqing 163311，China)

For conventional PC pump，the stator connects tubing，and the rotor connects sucker rod.During well operation，both the sucker rod and the tubing need to be removed.The insertable PC pump combined with the characteristics of conventional PC pump and insertable oil well pump.Pump inspection can be completed only by removing sucker rod.It will make operation process more economical and efficient，reduce inspection time，avoid tubing damage，decrease operating?cost，expand the lower cost advantage of the PC pump by using the insertable PC pump，and also it will develop a new area of application of PC pump.Mature products have been applied overseas，and domestic products are only in experiments.Research needs to be carried out to master the design，manufacture and application technology of this area.

insertable PC pump；structure；stress analysis；application prospect

1001-3482(2016)12-0071-04

2016-07-21

詹升忠(1982-)，男，湖北隨州人，工程師，現(xiàn)從事采油螺桿泵的研發(fā)工作，E-mail：zhanshzh@cnpc.com.cn。

TE933.3

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.019