第十五章_多相混输泵技术

1、第十五章第十五章 多相混输泵技术多相混输泵技术中国石油大学中国石油大学李玉星李玉星一、引言一、引言1.1 1.1 几个概念几个概念n两相流油、气。两相流油、气。n三相流油、气、水。三相流油、气、水。n多相开采系统油井产生的油、气、水（有时还含有砂、天然气多相开采系统油井产生的油、气、水（有时还含有砂、天然气水合物和蜡等）混合物通过管线输送到中央处理装置的过程。水合物和蜡等）混合物通过管线输送到中央处理装置的过程。1.2 1.2 传统输送方法传统输送方法井口短距离输送然后进行相分离液泵加压继续输送气压缩机加压继续输送1.3 1.3 多相混输技术多相混输技术井口多相泵加压输送致目的地1.4 1.4

2、 使用多相泵的目的使用多相泵的目的n减小设备的资金成本和复杂性减小设备的资金成本和复杂性n消除油水管线和气体管线的分离消除油水管线和气体管线的分离n边际油田的开发边际油田的开发n提高产量提高产量n减小重量和空间需求（海上应用）减小重量和空间需求（海上应用）n减少气体水和物减少气体水和物n延长油藏开采期限延长油藏开采期限n减小井口回压减小井口回压1.5 1.5 多相泵的经济影响多相泵的经济影响n通过减小井的回压可以增加产量通过减小井的回压可以增加产量n地面设施的合并地面设施的合并n卫星油田的经济发展卫星油田的经济发展 1.6 1.6 多相泵的分类多相泵的分类n旋转动力泵螺旋轴流泵旋转动力泵螺旋轴

3、流泵n容积式泵双螺杆泵容积式泵双螺杆泵n双螺杆泵对多相介质具有良好的增压效果、可靠性高，是世界各双螺杆泵对多相介质具有良好的增压效果、可靠性高，是世界各国研发的重点。国研发的重点。二、国外发展现状二、国外发展现状n法国石油研究院法国石油研究院( IFP) 开发了一种旋转动力式多相流混输开发了一种旋转动力式多相流混输泵。特点是采用螺旋线叶轮与导叶配合，气液混合物沿轴泵。特点是采用螺旋线叶轮与导叶配合，气液混合物沿轴向流动，输送混合物的干度范围为向流动，输送混合物的干度范围为00.95，相对应的叶，相对应的叶轮入口气液比从轮入口气液比从0到到18 (体积比体积比)。经工作台试车后，进行。经工作台试

4、车后，进行现场试验，在实际工作条件下该泵安全运行现场试验，在实际工作条件下该泵安全运行5000小时。小时。n鲍曼公司在鲍曼公司在80 年代中期开始研制多相泵，年代中期开始研制多相泵，19881992年年在突尼斯试制成功，在突尼斯试制成功，1992年开始市场销售，作为陆上泵已年开始市场销售，作为陆上泵已被广泛采用，特别适合于近海油田的海上平台。潜水泵也被广泛采用，特别适合于近海油田的海上平台。潜水泵也在开发研制，其在开发研制，其ME型、型、MW型、型、MHP 型和型和MPC 型系列泵型系列泵已在中国、美国、加拿大、突尼斯、委内瑞拉、德国等国已在中国、美国、加拿大、突尼斯、委内瑞拉、德国等国家的陆

5、上和海上油田应用，并取得良好效果。家的陆上和海上油田应用，并取得良好效果。 n雷斯特利滋公司的第一台多相泵于雷斯特利滋公司的第一台多相泵于1993 年应用于墨西哥年应用于墨西哥湾，现在可提供转子直径湾，现在可提供转子直径96365mm、最大排量为、最大排量为1650m3/h，含气率最高可达，含气率最高可达100 %的双螺杆泵。的双螺杆泵。n日本日本Natl 石油公司和日本九州大学的学者石油公司和日本九州大学的学者K. Egashira 等等对泵内回流量与螺杆参数的关系做了定性研究，建立了回对泵内回流量与螺杆参数的关系做了定性研究，建立了回流量的数学模型，分析了回流量与压差、含气率及转速等流量的

6、数学模型，分析了回流量与压差、含气率及转速等因素的关系。现场试验证明双螺杆泵即使在气塞相当严重因素的关系。现场试验证明双螺杆泵即使在气塞相当严重的情况下也能很好工作，对多相介质有良好的增压效果。的情况下也能很好工作，对多相介质有良好的增压效果。 n我国在这方面还处于整机引进和原理机试制阶段。大庆、我国在这方面还处于整机引进和原理机试制阶段。大庆、胜利等油田已引进了陆上用的双螺杆混输泵，累了一定的胜利等油田已引进了陆上用的双螺杆混输泵，累了一定的实践经验。有关科研单位也开始了混输泵的探索性研制工实践经验。有关科研单位也开始了混输泵的探索性研制工作，在双螺杆多相泵的设计、试验研制及多相流的数值计作

7、，在双螺杆多相泵的设计、试验研制及多相流的数值计算等方面做了大量的工作，已完成了模型机的试验。但混算等方面做了大量的工作，已完成了模型机的试验。但混输技术的研制开发工作仍面临一系列的技术难题：输技术的研制开发工作仍面临一系列的技术难题：n双螺杆多相泵的设计问题。双螺杆多相泵的设计问题。 n双螺杆多相泵转子型线及刀具研究。双螺杆多相泵转子型线及刀具研究。 n密封、润滑、冷却及其附机配套技术的研究。密封、润滑、冷却及其附机配套技术的研究。 三、双螺杆泵工作原理与性能三、双螺杆泵工作原理与性能3.1 3.1 工作原理工作原理图图1 双螺杆混输泵工作原理图双螺杆混输泵工作原理图3.2 3.2 性能特性

8、性能特性3.2.1 3.2.1 流量流量图图2 双螺杆混输泵流量示意图双螺杆混输泵流量示意图3.2.2 3.2.2 压力压力图图3 理想双螺杆混输泵压力分布示意图理想双螺杆混输泵压力分布示意图3.2.3 3.2.3 效率效率泵的扭矩泵对气液做功之和效率四、双螺杆泵的特点四、双螺杆泵的特点4.1 4.1 特点特点n适合中小流量适合中小流量(10 1000m3/h)和低中高各种压差和低中高各种压差(010MPa) ；n具有硬特性，即在进口参数或扬程发生变化时，流量基本不变；具有硬特性，即在进口参数或扬程发生变化时，流量基本不变；n工作适应性广，可输送工作适应性广，可输送0100%范围内任何含气率的

9、流体；范围内任何含气率的流体；n运转平稳可靠，能在宽广的转速范围内保持高效，适合变频驱动；运转平稳可靠，能在宽广的转速范围内保持高效，适合变频驱动；n允许输送介质中含泥沙及杂质；允许输送介质中含泥沙及杂质；n价格比轴流混输泵低；价格比轴流混输泵低；n重量、尺寸较大。重量、尺寸较大。4.2 4.2 优势优势 多相泵用于油田的开发，很大的优势就是降低总投资。表现在两多相泵用于油田的开发，很大的优势就是降低总投资。表现在两个方面：个方面：n与传统所用的先气液分离，后分别增压输送的两套独立系统相比，与传统所用的先气液分离，后分别增压输送的两套独立系统相比，多相混输仅需一套增压输送系统即可满足要求；多相

10、混输仅需一套增压输送系统即可满足要求；n探头压力被降低，提高了单井采油率，减少了开井口数。探头压力被降低，提高了单井采油率，减少了开井口数。 五、多相混输泵的设计五、多相混输泵的设计5.1 5.1 螺杆齿形及泵结构设计螺杆齿形及泵结构设计n油气混输泵的主要工作元件油气混输泵的主要工作元件螺杆螺杆。n泵设计的要害问题泵设计的要害问题螺杆齿形螺杆齿形及及杆与套的间隙。杆与套的间隙。5.2 5.2 双螺杆泵输送多相流介质的特点双螺杆泵输送多相流介质的特点n油气比影响排量油气比影响排量n多相输送可减低泵的内泄漏量，提高泵的效率多相输送可减低泵的内泄漏量，提高泵的效率n轴向力太大、轴承早期破损轴向力太大

11、、轴承早期破损n用同步齿轮实现主动螺杆向从动螺杆传递运动用同步齿轮实现主动螺杆向从动螺杆传递运动n在吸入腔下面设计一较大的存液区，当发生段塞流，保证泵的正在吸入腔下面设计一较大的存液区，当发生段塞流，保证泵的正常运行。常运行。5.3 5.3 非密闭螺杆齿型及设计原理非密闭螺杆齿型及设计原理n确定非密闭螺杆泵负荷性质的几何因素确定非密闭螺杆泵负荷性质的几何因素 螺纹深度螺纹深度 螺距螺距 断面形状断面形状图图4 非密闭螺杆齿型参数非密闭螺杆齿型参数 r r螺纹根圆半径螺纹根圆半径 R R顶圆半径顶圆半径5.3.1 5.3.1 各参数之间的关系及物理意义各参数之间的关系及物理意义 n螺旋升角螺旋升

12、角0时，螺杆截面齿形为矩形；时，螺杆截面齿形为矩形；0 0时，螺杆截面齿形时，螺杆截面齿形为梯形。为梯形。对流量对流量Q Qt t的影响不大，的影响不大，增大时，排量增大时，排量Q Qt t有所增大。有所增大。n当螺杆外径当螺杆外径D D取定，即取定，即R=D/2R=D/2时，时，r/R=0.4r/R=0.40.70.7。 Q Qt t和和r/Rr/R之间呈抛之间呈抛 物线关系，物线关系， 排量排量Q Qt t随随r/Rr/R降低而增加降低而增加 。n螺矩为螺矩为t t，t/R=0.5t/R=0.5 1.51.5，排量排量Q Qt t正比与螺距正比与螺距t t。 5.3.2 5.3.2 设计方法设计方法 n已知条件已知条件 泵的机械效率泵的机械效率 多相流体中液体的流动粘度多相流体中液体的流动粘度 H H泵的进出口压差泵的进出口压差 Q Q混输系统要求的排量混输系统要求的排量n计算步骤计算步骤n1 1、根据要求的排量、根据要求的排量Q Q和输送介质情况选定的容积效率和输送介质情况选定的容积效率，求出理求出理论排量论排量Q Qt t；n2 2、参考已有的非密闭螺杆泵参数和螺杆螺纹特征，初步设定螺、参考已有的非密闭螺