螺杆泵采油
螺杆泵（PCP，Progressing Cavity Pump）是以液体产生的旋转位移为泵送基础的一种新型机械采油装置。它融合了柱塞泵和离心泵的优点，无阀、运动件少、流道简单、过流面积大、油流扰动小。在开采高粘度、高含砂和含气量较大的原油时，同其它采油方式相比具有灵活可靠、抗磨蚀及容积效率高等特点。随着合成橡胶和粘结技术的发展，使螺杆泵也成为稠油出砂冷采、聚合物驱油的油田主要的人工举升方式。生产厂家主要有美国的Centrilift（Baker Hughes公司的分部）、Amoco、Reda等几个大公司，它们以其雄厚的经济、技术实力，很快就研制成功并进入批量生产阶段，在技术及产品上均处于世界领先地位。在加拿大主要由Corod公司，法国PCM公司，英国的Moyno泵有限责任公司、美国的Kois & Moyno公司，我国现加工制造螺杆泵的厂家有北京石油机械厂、唐山玉联有限责任公司、上海东方、潍坊生建、胜利高原、天津螺杆机械有限责任公司等多家，应用及配套技术也相对成熟，现已成熟的螺杆泵采油配套技术有：管柱防脱技术，杆柱防脱技术、管柱、杆柱扶正技术、螺杆泵井清、防蜡解堵工艺技术。这些配套技术的成功应用使螺杆泵在稠油开采领域得到了较广泛的应用。
一、螺杆泵采油系统
螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，而地面驱动按不同驱动形式又可分为皮带传动和直接传动两种形式，井下驱动也可分为电驱动和液压驱动两种形式。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率，国内正处于试验阶段。 1. 地面驱动螺杆泵系统
地面驱动螺杆泵装置是利用抽油杆传递地面电机的扭矩，带动井下螺杆泵转动来举升原油。就其驱动方式而言，它是一种旋转运动的有杆泵。其装置主要由驱动系统、联接器、抽油杆及井下抽油装置组成。但随着丛式井、定向井及斜井的日益增多，地面驱动螺杆泵开始暴露出其缺陷，由于不断的扭转常使抽油杆接箍松脱，丝扣损坏，特别是在下泵较深，负荷较大的井中更为严重；另外，在丛式井、定向井和斜井中，常规的地面驱动系统还要经受抽油杆损坏和抽油杆与油管偏磨产生的漏失问题，增加了油井因抽油杆失效所造成的损失，使油井作业费用增加。
1）电控箱
电控箱由控制系统、监测和保护系统组成。电控箱完成螺杆泵整机的控制，起着监控和保护作用。
电控箱装有JD-5-V系列保护器，实现电动机的过载、短路、断相、堵转及三相电流严重不平衡自动的保护功能，动作灵敏可靠。
（1）控制系统
合上空气开关后，按下启动按钮，交流接触器得电吸合，接通主电路，使电动机运行，螺杆泵便可正常运转。当准备停止工作时，只需按下常闭按钮，交流接触器失电断开主电路，电动机停止运转，螺杆泵便停止工作。
（2）监测和保护系统
电控箱配有电流表，可监测电动机工作时电流。当电动机启动时或不需要测量电流时，电流表按钮短路，起保护电流表的作用，按下即可读表，得到电流数。
2）地面驱动装置
地面驱动装置是指油管头下法兰以上与地面出油管线相连接部分设备的总称，是为井下螺杆泵提供动力和适宜的转速，承受杆柱的轴向载荷，为油井产出液进入地面输油管线提供通道，并密封产出液、防止其渗漏到井场。
根据原动机不同可分为电动机机械驱动、内燃机驱动和气动驱动三种方式；按装置调速方式可分为无级调速驱动装置和有级调速驱动装置。无级调速方式根据实现方法的不同又有机械式无级调速、变频电动机式无级调速。有的产品还将驱动装置和电控箱进行机电一体化技术集成，对驱动装置实行远距离集中监测控制管理。目前国内油田主要应用的是电动机机械驱动、有级调速、井口法兰连接的地面驱动装置。
3）螺杆泵井口
目前螺杆泵井口主要有Ф25、Ф28、Ф36和Ф38四种型号，分别适应Ф25、Ф28、Ф36和Ф38四种光杆。其特点是简化了采油树，减小了地面驱动装置的振动，使用、维修、保养方便。
4）抽油杆柱
抽油杆柱是螺杆泵采油系统中的主要组成部分，是动力传递的重要环节。螺杆泵井同抽油机井用抽油杆柱不同，螺杆泵用抽油杆不仅承受杆柱自身重量、举升液体的载荷，而且要传递扭矩。要求抽油杆柱具备同等级别普通抽油杆相同的机械性能的同时，还具有承受扭矩、防反转卸扣的机械性能。
螺杆泵用抽油杆可以分为以下几种类型：实心抽油杆、实心防脱抽油杆、空心抽油杆和空心防脱抽油杆。
5）辅助器具
油管锚。由于螺杆泵的工作负载表现为扭矩，转子扭矩通过定子作用在油管上，使用油管锚可以防止油管转动，减轻油管磨损。
抽油杆扶正器。由于螺杆泵转子具有偏心，所以高速转动的抽油杆柱会造成井口振动和杆柱与管柱摩擦，在抽油杆上安装扶正器是解决该问题的主要手段，特别是高转速的螺杆泵井。抽油杆扶正器一般采用抗磨损的尼龙材料制造。
油管扶正器。由于螺杆泵转子离心力的作用，定子受到周期性冲击产生振动，为减小或消
除定子的振动需要在定子附近安装油管扶正器。安装时直接套在油管上，一般在定子上提拉短节处安装较为适宜，而对于采用反扣油管的管柱，则需在定子上、下接头处分别安装扶正器。目前油管扶正器的材料主要使用橡胶。
2. 井下驱动螺杆泵系统
多数井下驱动螺杆泵装置其驱动方式为电动或液压马达，它是另一种形式的潜油电泵（无杆泵）。其井下部分由电机、保护器和螺杆泵组成，潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保护器、螺杆泵组成。地面电能通过电缆传递给井下电机，带动螺杆泵旋转，将井液排到地面。采用液压马达的井下驱动螺杆泵装置主要用于油井测试过程中。
潜油电动螺杆泵工作原理是动力及引接电缆将电力传送至井下潜油电机，潜油电机通过齿轮减速器和双万向节驱动螺杆泵在低速下转动，井液经过泵增压后，通过油管举升到地面。
潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保
护器、螺杆泵组成。潜油电动螺杆泵的关键部件包括：（1）四极电机；（2）潜油减速器；（3）减速器保护器；（4）双万向节等。
目前电动潜油单螺杆泵有单螺杆、双螺杆和三螺杆等3种形式，其采油系统为上下2个左右旋转的转子并联。电动潜油单螺杆泵见表4-1。
直接接地箱表4-1 国外电动潜油单螺杆泵
潜油电机 | 减速器 | 螺杆泵 转速，rpm | 厂家 |
极数 | 频率，Hz | 转速，rpm | 类型 | 减速比 |
6 | 60 | 1000 | 齿轮变速 | 2 | ≤500 | Amoco |
4 | 60 | 1700 | 单行星齿轮 | 4 | ≤425 |
4 | 60 （77） | 1750 （2200） | 齿轮箱 | 4:1 | 550 | Reda Pumps |
16:1 | 138 |
2 | 50 | 2915 | 双行星齿轮 | 3:1 | 972 | 1167 | Baker Hughes Centrilift |
60 | 3500 | 9:1 | 324 | 389 |
11.5:1 | 254 | 304 |
| | | | | 改性沥青稳定剂 | | |
拖曳臂式悬架
二、井下螺杆泵的结构及工作原理
1．井下螺杆泵的结构
螺杆泵由一个能转动的单螺杆(转子)和一个固定的衬套 (定子)组成。螺杆采用单线螺杆，其任意位置处的横截面积都是相同的圆面积。螺杆横截面的中心位置与它的轴线距离称为螺杆的偏心距。螺杆的螺线有左旋和右旋两种，对于不同的螺旋方向，电机转动方向应不同。
衬套是采用弹性橡胶制成，其内表面是双线螺旋面。衬套螺旋面的导程是螺杆螺距的两倍。衬套任意位置的横截面积由两个半圆面积和一个矩形面积组成，两个半圆面积等于螺杆横截面积，矩形的长度是螺杆偏心距的四倍，宽度等于螺杆直径。衬套管内螺旋面是这个面积绕轴线转动和沿轴线平移的结果，衬套内螺旋面的螺旋方向要与螺杆螺旋面相同。
2. 螺杆泵的工作原理
螺杆在衬套中的运动有两种：一是螺杆本身的自转；另一种是螺杆沿衬套内表面滚动使螺杆轴线绕衬套轴线旋转。因此螺杆与中间传动轴必须采用万向轴或偏心联轴节连接。
当转子在定子衬套中位置不同时，它们的接触点是不同的。液体完全被封闭，液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭数越多，泵的排出压力就越高。转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线，而在其他位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程内形成一个封闭腔室；这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。当转子转动时，转子-定子副中靠近吸入端的第一个腔室的容积，在它与吸
入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。随着转子的转动，这个腔室开始封闭，并沿轴向向排出端移动，封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭腔室，从吸人端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。
螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室基础上工作的。转子运动时（作自转和公转），密闭空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。螺杆泵是一种容积泵，所以它具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。
以上概述了单头螺杆泵的举升原理，多头螺杆泵的工作原理与单头螺杆泵基本相似，只是多头螺杆泵的头数增加，密封腔室增多，泵的排量也相应地增大。螺杆泵的转子比定子少一个头，它们之间的螺距与头数成正比。定子齿廓的螺距是转子螺距的2倍，它等于半径为2E的螺旋线转过去半轴螺栓360°后，沿轴向移动的距离，转子的螺距则是半径为E的螺旋线位移的距离。
1）螺杆泵的理论排量
螺杆泵的基本特性包括排量和压头。一个密封腔的横截面积在各个位置都相同，密封腔的横截面积等于衬套横截面积减去螺杆横截面积。螺杆每旋转一周，流体运动一个导程。
螺杆泵的实际排量小于理论排量，对于相同级数的泵，压头增加，排量要下降，这种现象称为滑脱。因滑脱漏失的流量Q与压力scop-369p、泵级数、密封线数、流体粘度、螺杆和衬套间的配合方式有关。
2）螺杆泵的压头和级数
泵的压头与泵的级数、密封线数目有关。对于每个密封腔，螺杆泵和衬套间的接触线称为密封线。正常情况下，一级泵的长度是衬套导程的1.1～1.5倍。泵级数和密封线数增加，泵的压头会增大。一般采油用螺杆泵单级举升扬程不超过70m，即单级最大工作压差不超过0.69MPa，目前螺杆泵单级工作压差设计为0.5MPa左右。泵的级数由实际需要的举升压头和单级泵的举升压头决定。
单级工作压差主要靠定子和转子间的过盈配合来实现，而且也与其结构参数、工作参数和定子橡胶的机械物性等有关。
定、转子初始扭矩小于规定值，其中小排量螺杆泵为60N·m；中排量螺杆泵为100N·m。额定工作压力下泵平均容积效率不得低于0.5，最高效率点不得低于0.7。不同泵型的初始过盈值列入表4-2。
表4-2 不同泵型的初始过盈推荐表
