直驅(qū)螺桿泵過載原因分析及治理

（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

1 直驅(qū)螺桿泵扭矩計(jì)算及原理分析

為了解決直驅(qū)螺桿泵過載問題，首先，對(duì)螺桿泵扭矩進(jìn)行計(jì)算及原理分析[1-2]。截至2021年6月，現(xiàn)場(chǎng)共出現(xiàn)過載井77口，平均單井日產(chǎn)液49.55 t，轉(zhuǎn)速61 r/min，沉沒度535.36 m，泵效69.82%。從泵型分布上看，GLB1200型螺桿泵38口，GLB800型螺桿泵32口，這兩種泵型占比達(dá)到90.9%。

1.1 螺桿泵扭矩的組成

螺桿泵總扭矩由三部分組成：定轉(zhuǎn)子的初始扭矩、泵舉升井筒流體所產(chǎn)生的有功扭矩和桿液摩擦扭矩（包括扶正環(huán)摩擦扭矩）[3]。

螺桿泵扭矩的組成為：

式中：M1為泵初始扭矩，N·m；M2為泵舉升液體的有功扭矩，N·m；M3為摩擦扭矩，N·m；

泵的初始扭矩可由實(shí)驗(yàn)室獲得，也可以根據(jù)公式計(jì)算：

式中：δ0為轉(zhuǎn)子定子過盈量，m；n為螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

有功扭矩計(jì)算公式：

式中：D為螺桿泵的轉(zhuǎn)子直徑，m；T為螺桿泵的定子導(dǎo)程，m；Δp為螺桿泵的進(jìn)出口壓差，Pa；e為螺桿泵的轉(zhuǎn)子偏心距，m；q為液量，t/d。

桿液摩擦扭矩和扶正環(huán)摩擦扭矩公式：

式中μ為井液的黏度，mPa·s；n為螺桿泵的轉(zhuǎn)速，r/min；Dt為油管的內(nèi)徑，m；d2為抽油桿的外徑，m；d為扶正環(huán)的外徑，m；L為抽油桿的長(zhǎng)度，m；ΔL為扶正環(huán)間距，m；N為扶正環(huán)數(shù)量；f1為摩擦系數(shù)，取值0.1；Wg為每米桿重kg/m。

螺桿泵總扭矩計(jì)算公式：

1.2 螺桿泵扭矩值理論計(jì)算

螺桿泵卡泵時(shí)轉(zhuǎn)子、定子卡死，總扭矩中的M1會(huì)急劇增加[4]，為了防止螺桿泵卡泵，按8 MPa生產(chǎn)壓差計(jì)算螺桿泵泵況正常時(shí)的扭矩理論最大值。由于過載井中泵型主要為1 200 r/min、800 r/min，因此根據(jù)計(jì)算公式，設(shè)定桿長(zhǎng)900 m，管內(nèi)徑76 mm，桿外徑28 mm，環(huán)外徑73 mm，井液黏度6 mPa·s。將以上數(shù)據(jù)代入公式可以計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速、不同生產(chǎn)壓差下GLB1200和GLB800泵型理論扭矩計(jì)算值見表1。

表1 GLB1200、GLB800型螺桿泵扭矩計(jì)算值Tab.1 Torque calculation value of GLB1200 and GLB800 screw pump

生產(chǎn)壓差在8 MPa時(shí)，GLB1200型螺桿泵最大扭矩理論值為1 494.1 N·m?？紤]生產(chǎn)過程中結(jié)蠟液面泡沫段影響，增加扭矩15%，達(dá)到1 718.2 N·m，因此GLB1200型泵要配備1 800 N·m及以上驅(qū)動(dòng)。GLB800型螺桿泵最大扭矩理論計(jì)算值為1 322.9 N·m?？紤]生產(chǎn)過程中結(jié)蠟和液面泡沫段影響，增加扭矩15%，即達(dá)到1 521.5 N·m，因此，GLB800型泵要配備1 600 N·m及以上驅(qū)動(dòng)。

2 過載原因分析及治理措施

2.1 過載原因分析

2.1.1 井下負(fù)荷大導(dǎo)致過載停機(jī)

1）供液不足影響。供液能力差，導(dǎo)致螺桿泵定轉(zhuǎn)子干磨，散熱不良，定子橡膠熱彭脹后增加了過盈量，增加了定子轉(zhuǎn)子之間的摩擦，扭矩增大[5]。

2）由于熱洗不及時(shí)，洗井不徹底，導(dǎo)致井筒結(jié)蠟，運(yùn)行負(fù)荷大。

3）井下泵損壞。由于泵本身過盈量過大，轉(zhuǎn)子抱死，或由于泵定子橡膠損壞，導(dǎo)致井下扭矩增大[6]。

4）直驅(qū)扭矩配置偏低，出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在螺桿泵泵型為800或1200大泵井上，由于補(bǔ)孔、換大泵或連通水井注入量提高，油井產(chǎn)液能力增強(qiáng)，舉升液體需要的扭矩大，但地面直驅(qū)系統(tǒng)并沒有隨液量變化及時(shí)調(diào)整[7]。

5）聚驅(qū)井井液濃度高或是三元井井下結(jié)垢影響，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)井下負(fù)荷大，舉升扭矩大。

2.1.2運(yùn)行溫度高導(dǎo)致變頻器過熱保護(hù)停機(jī)

1）變頻器積灰影響。由于變頻器運(yùn)行環(huán)境差，長(zhǎng)期在野外，變頻器內(nèi)部易積灰，風(fēng)道受阻，影響散熱效果。

2）變頻器風(fēng)扇損壞影響。由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致風(fēng)扇損壞，大量熱量聚積無法散熱。

3）變頻器受氣溫高影響。尤其是進(jìn)入夏季高溫炎熱，變頻柜在陽光直射下更容易出現(xiàn)過熱保護(hù)停機(jī)，表現(xiàn)為變頻逆變模塊過熱故障停機(jī)[8]。

2.1.3 過載值設(shè)置不合理或設(shè)備故障停機(jī)

1）變頻器過載值設(shè)置不合理。過載電流設(shè)置偏低，可以有效保護(hù)永磁電動(dòng)機(jī)不損壞，但不能滿足生產(chǎn)需要，較低的電流容易出現(xiàn)停機(jī)。

2）線路氧化虛接，出現(xiàn)電路故障停機(jī)。

3）軸承摩損影響。由于直驅(qū)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，軸承摩損量大，導(dǎo)致負(fù)荷增大停機(jī)。

2.2 治理措施

2.2.1 井下負(fù)荷大過載停機(jī)

1）供液不足井及時(shí)下調(diào)參，保證合理沉沒度。

2）對(duì)結(jié)蠟影響井，合理調(diào)整熱洗周期，提高熱洗質(zhì)量。

3）對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置配置偏小井，先采取在礦內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)互換，大功率大扭矩驅(qū)動(dòng)調(diào)換到負(fù)荷大的井上，使驅(qū)動(dòng)配置更合理；如無法互換，工技大隊(duì)與各礦結(jié)合更換新驅(qū)動(dòng)。

4）對(duì)井液濃黏度高的化學(xué)驅(qū)井，采取套管灌摻熱水降黏措施，降低直驅(qū)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流和扭矩。

5）對(duì)于轉(zhuǎn)子抱死、三元結(jié)垢卡泵，先采取小修解卡措施，小修無效采取檢泵措施。

2.2.2 變頻器散熱不良、過熱保護(hù)停機(jī)

1）更換風(fēng)扇，對(duì)損壞風(fēng)扇進(jìn)行更換，確保良好的散熱效果。

2）加裝風(fēng)扇。對(duì)控制柜外排散熱風(fēng)扇不足的井，加裝外排風(fēng)扇，確?？刂乒駜?nèi)空氣流通，強(qiáng)化變頻器散熱效果。

3）定期對(duì)變頻器清灰處理。定期清理控制柜的通風(fēng)通道，保證變頻器的合理散熱[9]。

2.2.3 設(shè)備故障導(dǎo)致停機(jī)

1）對(duì)變頻器過載值設(shè)定偏低的井，合理上調(diào)過載值。

2）由于控制柜到電動(dòng)機(jī)之間電纜選型不合適現(xiàn)導(dǎo)致線路氧化虛接，進(jìn)行及時(shí)維護(hù)后，保證了正常生產(chǎn)。

3）軸承及承重等部件損壞的井，及時(shí)送修。如無法維修，更換新驅(qū)動(dòng)裝置。

3 直驅(qū)螺桿泵過載井治理效果

3.1 治理方法

2021年上半年共出現(xiàn)高扭矩過載井77口，通過逐井分析過載原因，采取下調(diào)參、換小泵等措施，已恢復(fù)正常生產(chǎn)67口，螺桿泵井實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。剩余10口待更換驅(qū)動(dòng)或轉(zhuǎn)抽，過載井治理措施統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 過載井治理措施統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of overload well

3.2 監(jiān)測(cè)管理

3.2.1 編制過載判斷及處理流程圖

建立流程圖，使過載分析和治理更規(guī)范、高效。過載判斷及處理流程見圖1。

圖1 過載判斷及處理流程Fig.1 Overload judgment and handling process

3.2.2 編制扭矩及低沉沒度井監(jiān)測(cè)程序

扭矩監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)了兩項(xiàng)功能：一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高扭矩井，每天自動(dòng)預(yù)警，減少高扭矩導(dǎo)致桿斷；二是自動(dòng)計(jì)算理論扭矩并與實(shí)際扭矩對(duì)比，分析過載原因。低沉沒度監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)液面測(cè)試情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每天自動(dòng)預(yù)警，縮短調(diào)整周期，減少因供液不足造成的過載井。

3.3 節(jié)能效果分析

直驅(qū)螺桿泵取消了螺桿泵電動(dòng)機(jī)的皮帶傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)螺桿泵轉(zhuǎn)數(shù)的無級(jí)調(diào)節(jié)，使該系統(tǒng)更加可靠安全、高效節(jié)能，同時(shí)利于維護(hù)、方便管理、減少了生產(chǎn)成本和降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，該裝置適應(yīng)于380 V電壓，可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，可以將更多的電能轉(zhuǎn)換成有功功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[10]，由于該裝置取消了皮帶傳動(dòng)，避免了飛輪隱患，使螺桿泵運(yùn)行更安全。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

通過運(yùn)用檢測(cè)程序及時(shí)調(diào)整參數(shù)、泵型，2021年全年泵徑大換小45口、下調(diào)轉(zhuǎn)速774口，年節(jié)電364.66×104kWh，電價(jià)按0.6381元/kWh計(jì)算，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益232.29萬元。措施前后參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 措施前后參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical table of parameter changes before and after adjustment

4 結(jié)論

1）通過理論計(jì)算扭矩與實(shí)際扭矩對(duì)比，可以準(zhǔn)確分析出螺桿泵過載原因。

2）治理螺桿泵過載井可以提高螺桿泵井開井時(shí)率，降低安全隱患。

3）利用扭矩和低沉沒度監(jiān)測(cè)程序，可有效預(yù)防和減少過載井，減少高扭矩導(dǎo)致的桿斷及低沉沒度導(dǎo)致的供液不足燒泵，防治結(jié)合，提前預(yù)警。