大庆油田螺杆泵采油技术新进展_黄有泉

1、专题综述大庆油田螺杆泵采油技术新进展黄有泉何艳曹刚(大庆油田有限责任公司采油工程研究院摘要截至2003年6月底,大庆油田在用螺杆泵采油井共916口,螺杆泵采油技术已基本成熟配套,成为继游梁式抽油机、电潜泵之后第三大人工举升采油方式。最近几年来螺杆泵采油技术的新进展主要有:空心转子螺杆泵、等壁厚定子螺杆泵、转子陶瓷喷涂螺杆泵、多头大排量螺杆泵、大排量螺杆泵专用抽油杆、系列地面驱动装置、螺杆泵井工况测试诊断系统和螺杆泵采油配套技术。今后需继续攻关的项目主要有:开发电动潜油螺杆泵;探索金属定子、合成材料、插入式和多吸入口螺杆泵;研究螺杆泵杆柱卸扭技术和智能化控制技术。关键词大庆油田螺杆泵采油技术进展

2、大庆油田螺杆泵应用现状大庆油田自1986年引进首台螺杆泵以来,经历了引进、消化吸收、自主开发3个阶段,到目前为止,地面驱动杆式螺杆泵采油技术已基本成熟配套,成为继游梁式抽油机和电潜泵之后的主力人工举升方式,而且在聚合物驱、三元复合驱和稠油油井上表现出良好的适应性。与其它人工举升方式相比,螺杆泵低投资、低能耗、对介质适应性强等优势在油田高成熟期挖潜增效的作用日益凸显。截至2003年6月底,大庆油田在用螺杆泵井累计达到916口,排量范围5240m3/d,扬程8001200m,2003年上半年共检泵114井次,检泵率为12.4%,平均检泵周期超过400d,预计年底可突破1500口井。大庆油田螺杆泵采

3、油技术新进展“十五”以来,大庆油田工程技术人员针对螺杆泵推广应用中暴露出的小排量井热洗清蜡困难、中排量井杆柱频繁断脱、三元复合驱油井结垢、地面驱动装置“跑、冒、滴、漏”和缺少有效的工况测试诊断技术等问题,潜心钻研、刻苦攻关,已在多方面取得重大突破,并已将科研攻关成果转化为生产力,形成了相关产品的生产制造能力,极大地促进了螺杆泵采油技术的成熟、完善和配套,为在大庆油田乃至国内其他油田大面积推广应用螺杆泵奠定了基础。1.泵体新技术随着螺杆泵采油技术应用水平的提高,加之新材料、新工艺的不断涌现,螺杆泵的井下泵体技术发展较快,出现了以下几类能够解决专项问题、满足不同举升条件需要的螺杆泵。(1空心转子螺

4、杆泵针对常规实心转子螺杆泵暴露出的热洗清蜡困难、测试和抽油杆柱脱扣等问题,开发研制了两种分别为等壁厚空心转子和直通式空心转子结构的空心转子螺杆泵1。与实心转子螺杆泵相比,空心转子螺杆泵具有以下显著优势:一是可实现大排量快速热洗清蜡。在空心转子上部安装热洗阀,当反洗井时,热洗液一部分由螺杆泵采出,大部分热洗液在热洗压力的推动下,流经空心转子内腔打开转子上热洗阀,直接进入油管。这种工艺可实现高温、低压、大排量热洗,不损伤地层,同时降低热洗费用。二是可防止抽油杆脱扣。当油井出现连抽带喷·65·2003年第31卷第11期石油机械CHINA PET R OLEUM M ACHINER

5、Y黄有泉,高级工程师,生于1970年,1997年毕业于大庆石油学院油气田开发专业,获硕士学位,现从事机械采油管理及科研工作。地址:(163453黑龙江省大庆市。电话:(04595974904。(收稿日期:2003-07-30;修改稿收到日期:2003-09-11 DOI:10.16082/ ki.issn.1001-4578.2003.11.026现象时,如果螺杆泵进出口压差大于0.5M Pa ,热洗阀自动打开,多余井液从空心转子内腔经热洗阀进入油管,可消除转子卸扣扭矩,实现防脱功能。三是可满足油田定点压力监测的需要。空心转子与测压阀、空心抽油杆配套应用,提供压力测试的通道,具有压力监测功能。

6、空心转子螺杆泵2000年开始先导性现场试验,到目前为止,这项技术已经成熟配套,在用井数已达158口,平均运转时间532d ,最长时间已超过1000d ,基本解决了小排量螺杆泵井的热洗清蜡和由于上顶力导致的杆柱脱扣问题,取得了十分可观的经济效益。(2等壁厚定子螺杆泵为解决常规螺杆泵由于定子橡胶厚薄不均引起的溶胀和温散不均导致泵体寿命缩短的问题,开发研制了等壁厚定子螺杆泵2。这种结构的螺杆泵可以进一步延长泵体的使用寿命,具有以下显著特点。一是单级承压能力高。试验结果表明(图1:在相同过盈量下,等壁厚定子螺杆泵DGLB50012的单级承压能力是常规泵G LB50014的3倍以上。这说明均匀壁厚的橡胶

7、层使定、转子间以最小的过盈达到最佳的配合,降低了启动扭矩(与常规螺杆泵相比,降低了50%,从而改善泵的整体工作性能 。图1不同过盈量下单级承压能力试验数据二是对温度变化不敏感。试验结果表明(图2:温度从24上升到50时等壁厚螺杆泵的扭矩几乎没有改变,单级承压仅上升12%,而同型号常规泵上升71%。这说明等壁厚定子橡胶散热快、温胀均匀,对温度变化不敏感,减小了结构变形,保持了较好的型线,可延长泵的工作寿命 。图2不同温度下的单级承压能力试验数据目前,这种泵已进入现场试验,应用效果较好。以杏4-42-P51井为例,该井泵型为DGLB50012,泵挂深度980m ,产液35m 3/d ,泵效71%,

8、系统效率达到43%,运转寿命超过300d ,表现出良好的推广应用前景。(3转子陶瓷喷涂螺杆泵三元复合驱油技术作为大庆油田提高原油采收率、增加可采储量的重要技术手段之一,试验规模逐年扩大。但在螺杆泵井开采中暴露出举升设备和井筒严重结垢,导致检泵周期明显缩短等问题;游梁式抽油机主要表现为频繁卡泵,电潜泵主要表现为堵塞流道和分离器,结垢严重时,平均检泵周期仅为1030d ,严重影响了三元复合驱的试验效果。为此,开发研制了适应三元复合驱需要的转子陶瓷喷涂螺杆泵。这种泵主要有以下技术特点:一是调整了转子表面的极性,使其与结垢晶核的结合力减小;二是转子表面喷涂陶瓷后,表面硬度由45H RC 提高到58H

9、RC ,耐磨性也随之增强;三是转子表面粗糙度值进一步降低,使得配合精度进一步提高,螺杆泵水力特性得到改善。目前,这种泵已进入现场试验,应用效果较好。以北1-7-P126井为例,在结垢高峰期正常运转128d 后,起泵发现转子没有结垢,而抽油杆的结垢厚度达到2mm 以上,最厚的地方甚至达5mm ,这种泵表现出良好的抗结垢性能,但涂层与基体的粘结强度还需要进一步提高。(4多头大排量螺杆泵随着大庆油田进入高含水后期开采阶段,日产液150m 3/d 以上的大排量井数量逐年增加,特别是聚合物驱大排量井,抽油机井杆管偏磨和电潜泵井在见聚期内供排关系变化大而无法适应的问题很突出,虽然螺杆泵采油技术可以解决上述

10、问题,但是目前成熟的螺杆泵采油技术的排量范围只适应排量在5150m 3/d 油井,无法适应排量大于150m 3/d 油井的举升要求。为此,开发研制23的大排量螺杆泵,与单头大排量螺杆泵3相比,这种泵具有以下技术特点:一是泵排量大幅增加。由于采用了多头泵的设计方法,在保证设计参数合理配比的情况下,泵的工作腔数量由2个增加到3个,排量由原来的0.8L /r 提高到1.2L /r ,增幅达50%。二是采用多头泵的设计方法后,排量增大,但偏心距减小,从而使螺杆泵定子橡胶的厚薄不均的程度有所改善。对于改善定子橡胶的受力状况,延长使用寿命十分有利。该泵型首次将多线设计方法应用于采油螺杆泵·66&

11、#183;石油机械2003年第31卷第11期设计,在现场应用中充分体现出排量大(工作转速150r /min 时,最大实际排量226m 3/d 、泵效高(动液面806m 时,泵效74.9%的特点。目前,这种泵现场应用井数已达18口,平均日产液199m 3/d ,平均泵效79.8%,平均动液面456m ,最长运转时间达681d ,平均运转436d 。2.大排量螺杆泵专用抽油杆大排量螺杆泵因转子偏心大、扭矩大、振动剧烈,致使杆柱断脱问题十分严重,常规杆的断脱率高达48%,为提高螺杆泵抽油杆的防断脱性能,大庆油田开发了大排量螺杆泵专用抽油杆,在现场应用中已见到了良好的防断脱效果。(1防断脱原理大排量螺

12、杆泵专用抽油杆的结构特点(图3是:相连接的2根抽油杆靠互相插入配合的牙体来传递扭矩。由于牙体具有足够的抗剪切强度,且始终处于插接状态,因此相连接的抽油杆同步运转,从而达到防脱扣的目的。另外,杆体优选相应尺寸空心结构,杆头采用直接锻造成型工艺加工,提高整体强度,实现防断性能 。图3大排量螺杆泵专用插接式防脱空心抽油杆1杆体上接头;2O 形密封圈;3接箍;4杆体下接头(2专用杆结构优化为了保证抽油杆在实现防断脱性能的同时,降低加工难度,采用有限元分析方法对专用杆的结构进行了优化。一是插接结构优化。对比较容易实现的半圆形、直槽形和对称扇形3种插接结构进行了受力分析,设定牙体外径40.25mm 、内径

13、26mm 、根部圆角4mm 、在扭矩1.1kN ·m 条件下有限元受力分析发现:半圆形接头的最大剪应力为1186MPa ,直槽形接头的最大应力为1386M Pa ,对称扇形接头的最大应力为797MPa 。即3种插头形状比较,对称扇形接头的最大应力最低,因此,优选对称扇形接头结构。二是牙体根部圆角的优选。专用抽油杆的2个牙体在传递扭矩过程中,牙体的根部是应力集中区域,所以对牙体根部圆角进行了优选。最大应力分析发现,无圆角时应力为1665M Pa ,圆角半径2mm 时应力为883MPa ,圆角半径3mm 时712M Pa ,圆角半径4mm 时602MPa ,圆角半径6mm 时480M P

14、a 。考虑到牙体与杆体等强度,选择圆角半径6m m 。抗扭试验表明:这种结构的专用杆抗扭强度超过3.7kN ·m ,按3.0的安全系数考虑,完全可以满足大排量螺杆泵井的承载要求。此外,大庆油田采油三厂研制的锥螺纹螺杆泵专用抽油杆,现场应用也见到很好的防断脱效果。截至2002年底,大排量螺杆泵专用抽油杆已进行现场试验206口井,断脱率5.34%;而同期应用普通抽油杆33口,断脱率达48.48%。特别是大庆油田北1-6-P34井,是三元复合驱的1口中心井,该井由于结垢严重,杆体承载扭矩比正常螺杆泵井大450N ·m ,且杆体承受交变载荷,正常运转805d ,没有发生断脱事故,表

15、现了良好的综合力学性能和防断脱性能。3.驱动装置为了解决螺杆泵驱动装置盘根盒漏油、减速箱下部油封漏油问题,避免停机反转,提高机械效率,降低维护成本,研制成功高效率、免维护的系列地面驱动装置(图4,并已形成产业化,340图4机械密封上置式驱动装置1方卡子;2机械密封;3箱体;4油杯;5光杆卡持器;6出油管口口井的现场应用结果表明,这种驱动装置的性价比·67·2003年第31卷第11期黄有泉等:大庆油田螺杆泵采油技术新进展已达到国际同类产品的领先水平。重大改进点体现在以下几方面:(1采用“油杯”和机械密封为了解决老式驱动装置渗漏问题,一是独创性地采用“油杯”结构,将动密封从减速

16、箱体底部移至箱体上部,解决了驱动装置减速箱下部油封漏油问题,不再因减速箱下部油封寿命问题而造成驱动装置更换维修,也避免了因齿轮油渗漏而带来的轴承、齿轮损坏。二是应用机械密封技术取代了填料盘根密封结构,不仅密封效果好,而且寿命长,现场维护工作量由原来的12周添加1次盘根到现在11.5a 更换1次机械密封部件,除了定期更换齿轮油和胶带以外,新型驱动装置基本实现了免维护,大大降低了采油工人的维护工作量和维护费用,并且提高了运行时率。(2优选结构参数新型机械密封式驱动装置由于优化结构参数,采用了摩擦损耗很小的机械密封系统、油杯结构,比带有盘根密封的同类产品机械效率高10%以上;同时标准化、高可靠性和人

17、性化设计制造技术,使产品故障率低,运转时率高。另外机械密封系统与光杆没有接触,对光杆不会造成任何伤害,因此不会带来光杆断裂的故障。室内试验表明,新型驱动装置机械效率比其它同类产品提高5%10%。(3采用棘轮棘爪防反转机构新型驱动装置采用了可靠的棘轮棘爪防反转机构,与超越离合器防反转4相比,能够释放储存在光杆及装置上的反转扭矩,保证了驱动装置停机后不会高速反转;不需定期注润滑油,不易磨损,现场可以随时更换,便于维修及日常管理,而且价格低1倍。(4设计了光杆密封卡持器为了解决驱动装置维修更换不便,工作量大的问题,利用驱动装置下部原来密封系统的空间,设计了光杆卡持器,该装置具有2个功能,一个是在更换

18、密封件或维修减速箱时卡住光杆(代替吊车,另外是密封井口(代替专用井口。光杆卡持器最大承载重力可达1×105N,装置内的心子可根据光杆尺寸、型号进行选配,适用于所有型号光杆。(5采用模块化和标准化设计新型驱动装置采用模块化、标准化设计,提高了产品的互换能力和通用性,便于低成本高质量批量制造和现场维护、测试。它可根据现场产能的需要更换不同功率的电动机而不用整体更换驱动装置,保证电动机高效运转,避免大马拉小车现象。另外当驱动装置相应部位出现故障时,只需对不同部位维修和更换,提高可靠性和利用率。到目前为止,新型机械密封式驱动装置现场应用了340口井。现场应用结果表明,该装置密封效果好、寿命长

19、,维修、更换方便快捷,运行安全可靠,大大降低了维护、维修工作量及成本,提高了系统运行时率,受到了现场管理人员的欢迎。4.工况测试诊断技术针对螺杆泵工况测试、诊断和优化设计配套技术不完善的问题,研制了无线式测试装置,建立了螺杆泵井故障诊断模型并编制了配套的软件,形成了一套螺杆泵系统工况测试、诊断和优化设计方法。经现场验证,诊断符合率达95%,优化设计合格率100%,优化井平均系统效率为35%以上。(1研制了无线式螺杆泵工况测试仪新型螺杆泵工况测试仪由传感器、发射盒和主机3部分组成,该仪器具有以下几点优势:一是采用无线遥测方式,不需要连接信号线和电源线,节省了测试时间,同时测试过程中测试人员远离井

20、口,保证了测试的安全性;二是传感器可以长期安装在井口,测试时只需将信号发射器安装在传感器上即可工作,测试过程相当于不停机操作,对油井的生产没有影响;三是传感器设计在测试精度允许条件下,体积大幅度缩小,同时进行了低温、高温老化处理,达到了设计的工作环境温度要求;四是传感器采取全密闭封装,适合于各种气候条件。(2螺杆泵井系统诊断技术取得突破一是进行了螺杆泵井抽油杆柱综合受力分析,建立了杆柱扭矩和轴向力的理论计算模型。二是开展了不同工况下,螺杆泵光杆扭矩和轴向力的变化规律研究。采用新型测试仪高速采集螺杆泵井的光杆扭矩和轴向力数据,并绘成曲线进行分析。室内及现场试验结果表明,光杆扭矩和轴向力随时间变化

21、曲线和理论计算结果相吻合,能够真实反映螺杆泵井杆柱和泵的工作状况,对于分析举升系统在不同工况下的变化特性具有重要的指导意义。三是建立了螺杆泵井系统诊断模型,实现了对举升系统各部位的工况分析和故障诊断。(3螺杆泵井优化设计取得突破建立了螺杆泵井优化设计模型,实现了产量最大目标下,举升系统的设备优选和工作参数优化设计,并根据理论模型编制了配套的诊断和优化设计软件。截至2002年底,利用该套系统共对243口井进行了系统诊断和优化设计,诊断符合率达到95%,对50口井进行了措施调整,优化设计合格·68·石油机械2003年第31卷第11期率达到100%,优化后的螺杆泵井系统效率均在3

22、5%以上,取得了良好的应用效果。5.螺杆泵采油配套技术“十五”以来大庆油田在螺杆泵采油配套技术方面,重点配套完善了以下4项技术,极大地促进了螺杆泵井应用水平的进一步提高。(1完善了不压油层洗井工艺针对螺杆泵井洗井中伤害油层的问题,开发了与空心转子配套的不压井及不压油层洗井工艺,洗井液通过洗井工具从套管直接进入油管,避免对油层造成伤害,同时在作业过程中密封生产通道,实现不压井作业。现场试验表明,采用不压油层洗井工艺可使中排量螺杆泵井洗井后含水恢复时间由原来的34d缩短到1d左右。(2完善了油管扶正技术和小排量螺杆泵不同,大中排量螺杆泵转子偏心距大,运行过程中管柱的周期性振动剧烈,常规的橡胶扶正器

23、无法有效地扶正,为此研制了钢球扶正结构的新式油管扶正器,该扶正器在油管的压力作用下将扶正钢球顶出,均匀挤压套管内壁,保证扶正稳定。(3建立完善了螺杆泵性能检测系统一是对采油工程研究院的螺杆泵性能检测系统进行完善,强化质量监督职能,提高检测系统的适应范围;二是在井数集中的采油四厂新建螺杆泵性能检测系统,提高了螺杆泵的重复利用能力和该区块螺杆泵井的过程监控能力。截至2002年底,共完成螺杆泵产品的质量监督检验和委托检验225台套。其中,发现各类不合格品14台套,有效避免了不合格产品进入现场。(4完善了螺杆泵采油及配套技术的相关标准为了规范中排量螺杆泵的产品设计、加工、检验和施工作业等过程,保证螺杆泵举升系统的产品质量和提高管理水平,建立了螺杆泵检测规程、螺杆泵作业规程、螺杆泵生产井操作规程、螺杆泵水力特性检测规程等企业标准。螺杆泵采油技术发展方向前瞻目前,大庆油田地面驱动杆式螺杆泵