螺杆泵采油技术及发展趋势

能耗特性的主要特点
图2-29 GLB500-14型泵能耗特性曲线
由分析和试验发现，采油螺杆泵能耗有何特点？
①定、转子间摩擦损耗对工作压力不敏感； ②水力损耗是螺杆泵能耗的主要组成部分； ③随着工作压力即举升高度的增加和泵容积效率的降低水力无功 损耗显著增加。
在地面驱动式螺杆泵举升系统中，由定子和转子组 成的井下泵体是整个系统的核心设备。国内螺杆泵生产 厂家在井下泵的设计理论、加工工艺及方法、水力特性 的检测与评价等方面进行了大量的科研攻关，取得了一 系列科研成果，形成了适应不同排量范围的井下泵系列。
螺杆泵工作的过程本质上也就是密封腔室不断形成、推移和消失的过程。
螺杆泵定、转子的线数
目前所应用的螺杆泵线数均采用N/N+1形式，即定子的线数 总是比转子的线数多一线，这是由空间啮合理论所决定的。螺杆 泵的线数与螺杆数量是两个根本不同的概念，不应混为一谈。
螺杆泵有哪些结构参数？
e ——转子偏心距，mm； 螺杆泵三个重要的结构参数： D ——转子截圆直径，mm；
Tf f
64e2
256t 4
2
R
2P
2、螺杆泵动力学特征
T Tz (N.m)
6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
0
5306.1
2253.2
480 162
GLB1210-27
672.2
1033.4
GLB5020-14 GLB8030-14
螺杆泵的工作扭矩和倾倒扭矩
Mz M
4 泵型
1：2结构
2：3结构
3：4结构
4：5结构
井下单螺杆泵由哪几部分组成？
井下单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和 橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛
光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。
5
4
3
21
0° 90° 180° 270° 360°
1-下接头；2-限位销；3-定子；4-转子；5-上接头
型号
GLB1100-16 GLB800-14 GLB500-14 GLB580DT27 GLB300-21 GLB190-33 GLB120-36 GLB75-40 GLB40-42
螺杆泵基本结构尺寸
定子尺寸
转子尺寸
外径 (mm)
Φ114
Φ114
连接螺纹 直径 偏心距 规格 (mm) (mm)
31/2″TBG 33/61
二、 螺杆泵采油系统及配套技术 本章主要讲解的内容：
地面驱动单螺杆泵采油系统
潜油电机驱动单螺杆泵采油系统
1、螺杆泵运动学特征
（1）螺杆泵定、转子型线 单头单螺杆泵的定转子实质是由普通内摆线的外等矩线作为
定子型线，而与之共轭的曲线作为转子型线的空间共轭曲面。
转
Y2
e
子
结
O2
构 X2
t
R Z2
y2 y M
O1 β
x
α O2
x2
转子可视为半径为R的圆片沿着螺距为t、偏心为e的螺旋线连续移动所形成的轨迹。
定子型线
Ty
8eDt 2π
(pout
pin
)10 3
Kmδ
0.63η
0.33Ζ
杆液的摩擦扭矩Tf:
L
Tf
li 0
i
li
nDi2
d
2 i
60(Di 2 di 2 )2
式中:
Tf--杆液的摩擦扭矩 ， N.m； n-- 转子工作转速，r/min。
负载特性的主要特点
GLB500-14 型泵转子扭矩曲线
螺杆泵转子扭矩与工作压力有很好的直线性，且摩擦扭矩在 举升具有润滑性的液体时，只占转子负载扭矩的较小一部分。
产液量 （m3/d）
207 286 205 197 239 186 227 184 216
动液面 (m)
449 362 529 359 530 443 350 443 431
输入功率 (kW)
23.5 23.7 24.9 21.9 33.9 21.2 22.5 28.2 25.0
系统效率 (%)
44.90 49.55 49.40 36.63 42.38 44.15 40.23 32.82 42.60
T,N.m;P,kW
1、排量特性
密封腔室产生、运移和消失规律
一个封闭腔室的产生和消失不总是同时发生; 封闭腔室的数量不总是固定的; 线啮合线密封能力是点啮合线密封能力的2倍。
3
0
2
2
2
1、排量特性
密封腔室的漏失特性
定、转子啮合点无间隙，即δ=0时，漏失量为零，封闭腔室完全密 封；
因工作压力，故增加泵级数会降低每个密封腔室的密封压力，从 而减少漏失；
7.5
31/2″TBG
48
8.5
导程 (mm)
480
500
连接螺纹 规格
19/16″抽油杆扣
19/16″抽油杆扣
Φ114
31/2″TBG
42
7.5
400
19/16″抽油杆扣
Φ108
31/2″TBG
42
7.0
300
19/16″抽油杆
Φ114
31/2″TBG
42
7.0
240
13/8″抽油杆扣
Φ108
31/2″TBG
2、螺杆泵动力学特征
Fy Fa(kN)
70 60 50 40 30 20 10
0
0
44.82
63.66
16.3 12.8
22.12
25.6
GLB1120-27 GLB5200-14 GLB8300-14
螺杆泵的轴向力和横向力
Fy Fa
4 泵型
1、排量特性
△p,MPa
螺杆泵工作特性曲线
q,m3/d; η.ηv,% η
“气蚀”现象（离心泵）；
C 结构方面的特点：运动件很少（只有转子一个运动件）、流道
短而且简单，过流面积大，油流扰动小，因此携带能力强；
D 对砂、蜡的适应性好，能够在高粘原油中以较高的效率工作； E 螺杆泵的各种优点是相对而言的，对于一些特殊介质，也会对
螺杆泵的水力特性产生一定程度的影响，但相对抽油机和电泵而言， 敏感性较小。
螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体 装置。定子内表面呈双螺旋曲面，与转子外表面相配合。
螺杆泵工作原 理是什么？
沿着螺杆泵的全长，在转 子外表面与定子橡胶衬套内表 面间形成多个密封腔室；随着 转子的转动，在吸入端转子与 定子橡胶衬套内表面间会不断 形成密封腔室，并向排出端推 移，最后在排出端消失，油液 在吸入端压差的作用下被吸入， 并由吸入端推挤到排出端，压 力不断升高，流量非常均匀 。
2
T2
0.5
n
2
1、排量特性
2、负载特性
A 杆柱轴向力特性
螺杆泵在正常工作时,抽油杆柱井口的轴向力为:
Ft Fz Fg Fr Ff
Fz--转子在液压力作用下的轴向载荷，N ，由上式计算； Fg--杆柱自重引起的轴向载荷，N； Fr--杆管环空液压力引起的轴向力载荷， N； Ff--杆液摩擦引起的轴向载荷， N。
T ——定子导程，mm。
T
e
在螺杆泵参数设计过程中，这
D
三个基本结构参数的合理选择及相
互之间的合理配比显得尤为重要，
它们直接影响着螺杆泵的工作特性
和使用寿命。
螺杆泵规格型号是如何规定的？
LB － ( )
空心转子用“K”；实心省略；等壁厚定子用“D”；金属定子用“J” 转子与定子头数比，用阿拉伯数字表示，单头省略 泵的总级数 泵的几何排量，ml/r 单螺杆抽油泵,“螺”和“泵”两字汉语拼音第一个字母 泵的驱动方式：抽油杆地面驱动，用“杆”字汉语拼音第一个字母G表示； 潜油电机井下驱动，用“潜”字汉语拼音第一个字母Q表示
m Di di
式中：
μi--第i段流体平均粘度，Pa.s； vi-- 第i段流体平均流速 ，m/s； Di-- 第i段油管内径 ，m； di--第i段抽油杆直径，m。
2、负载特性
B 杆柱负载扭矩特性
举升井筒流体的扭矩:
式中:
Ty --举升井筒流体的扭矩， N.m；
pout --泵出口压力，MPa； pi n --泵入口压力，MPa。
例 GLB500-14K为空心转子螺杆泵，每转排量500毫升，级数14； 如 GLB120-27(2:3)为多头螺杆泵， 转子与定子头数比为2:3，每转排量
120毫升，级数27。
Q＝４eDTnHale Waihona Puke Baidu
螺杆泵理论排量如何计算 ？
理论排量公式如下：
Q＝４eDTn
现场应用中，根据选用泵的型号可计算出理论排量， 公式如下：
Q 1440 q n 106
式中：
Q——螺杆泵理论排量，m3/d； q——螺杆泵每转排量，ml/r； n——转子转速，r/min。
螺杆泵的三个基本要求是什么？
螺杆泵作为水力机械必须要满足以下三个必要 条件：
1、定、转子能够互相匹配 能够满足一般齿形啮合运动的要求。
2、转子和定子衬套能够保证密封性 转子和定子衬套间能形成多个密封腔室，以充满工作液体。
Pf Pr Py
螺杆泵采油系统的系统效率η为：
Py
Pt
= 8eDt( pout pin )t
Ty Tf
式中:e,D,t—螺杆泵的结构参数； ηt—地面驱动系统的传动效率。
3、 能耗特性
GLB1600-13大排量泵系统效率数据（10月底 ）
井号
喇 4-P272 喇 3-P311 喇 3-P3028 喇 5-P3128 喇 4-P291 喇 4-36 喇 4-381 喇 6-P2228 平均
定子衬套曲面是由两个半径为R（转子半径）的半圆和 两 条 长 度 为 4e 的 直 线 段 组 成 的 封 闭 对 称 曲 线 以 长 度 T （T=2t）为导程螺旋旋转形成空间螺旋曲面。
y1
A
O1
x1
A
Ｔ＝２t
R
2e 2e
y1
R
O1
x1
2e 2e
定子结构图
1、螺杆泵运动学特征
（2） 转子运动规律分析 A、转子中心的运动规律 a、角速度的关系
采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，是摆线内 啮合螺旋齿轮副的一种应用。螺杆泵的转子、定子副（也 叫螺杆——衬套副）是利用摆线的多等效动点效应，在空 间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔 室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现 机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作用。螺杆泵 又有单头(或单线)螺杆泵和多头（或多线）螺杆泵之分。
螺杆泵采油技术及发展趋势
目录
一、 螺杆泵工作原理及力学性能 二、 螺杆泵采油系统及配套技术 三、 螺杆泵优化设计 四、 螺杆泵当前使用现状及存在问题 五 、螺杆泵发展趋势
一、 螺杆泵工作原理及力学性能
本章主要讲解的内容：
什么是螺杆泵？
螺杆泵又叫渐进式容积泵， 由定子和转子组成，两者的螺旋 状过盈配合形成连续密封的腔 体，通过转子的旋转运动实现对 介质的传输。
M,M0
Y
ω2 O2
O1
e 2e
ω1
X
2 2n
ω2=-ω1
转子的自转与公转
2、螺杆泵动力学特征
T
Fy
TZ
Fω
Fa
轴向力: 横向力: 惯性力:
Fa 16 Re P
Fy
4Rt P
F
1 2
R
2
e
t 2 4 2 e2 2
负载扭矩: 倾倒力矩: 摩擦扭矩:
T 16eRt P 2
4Rt 2 TZ 2 P
因啮合线处的间隙δ是由工作压力ΔP产生的，所以增加定、转子 间的过盈会有效减少间隙，从而达到减小漏失的作用；
提高工作转速n会有效补偿漏失，这就是螺杆泵的离心泵特性。
漏失量
q1
D
2 12l
Pim
1 4
2D2
T2
0.5
n
q2
T
2
12l
Pim
8e
D 2
2
T
2
0.5
8e
D 2
50
7.0
200
19/16″抽油杆扣
Φ89
31/2″TBG
40
5.0
160
13/8″抽油杆扣
Φ89
27/8″TBG
30
4.0
144
13/8″抽油杆扣
Φ89
27/8″TBG
30
3.0
120
13/16″抽油杆扣
目录
一、 螺杆泵工作原理及力学性能 二、 螺杆泵采油系统及配套技术 三、 螺杆泵优化设计 四、 螺杆泵当前使用现状及存在问题 五 、螺杆泵发展趋势
2、负载特性
L
F g
Gi li
li 0
式中
Gi—第i段杆柱的单位重力， N/m； li--第i段杆柱的长度 ，m； L—抽油杆柱的长度，m。
Fr
(D
2 4
d
2
)
(
pout
pin )
式中
D-- 转子载面直径，m； d-- 最下一级抽油杆直径，m。
L
Ff 2ieivili
li 0
m2 1
ei (m2 1) ln m (m2 1)
3、 能耗特性
螺杆泵采油井的能耗主要消耗在举升流体的驱动杆柱的能耗 和地面驱动系统的传动能耗。地面驱动系统的能耗一般可用传动 效率来表征。螺杆泵采油系统总的能耗计算如下：
Pt
Pr
t
Pr 2n(Ty T f )
而有功能耗为：
Py 16eDtn( pout pin )
3、 能耗特性
无功损耗为：
3、密封腔室能够不断推移 转子的转动能够使密封腔室连同其中的工作液体连续地沿轴向
推移，并在推移过程中进行机械能和液体能的相互转化。
螺杆泵的特点及优点是什么？
A 螺杆泵综合了柱塞泵和离心泵的优点，即在不同的压力条件
下流量改变很小，而且流量非常均匀；
B 无阀，对气的适应性好，不会产生“气锁”现象（柱塞泵）和