井下螺杆泵排注技术

第八章 井下螺杆泵排液技术
一、井下螺杆泵（纳维泵）简介
1、井下螺杆泵（纳维泵）结构原理
井下螺杆泵（纳维泵）是美国克里斯坦森公司从纳维钻一井下泥浆马达不断改进而制造出来的一种井下螺杆泵，用于非自喷井的排液。

纳维泵为单螺杆泵，是根据法国工程师Rone Moineau 发明的莫伊纽（Moineau ）原理制造的，根据这一原理，先后成功地制造出了很多可泵送含有泥浆，固体颗粒的重稠液体的泵。

单螺杆泵属于容积式正排出泵，泵主要由一个有Z 1个波瓣的外螺旋转子和具有Z 1=Z 2
十1个波瓣的内螺旋定子组成。

转子在内子内作行星式偏心转动，形成几何形状的配合，其间连续接触，沿泵的轴向产生一连串的互不相通的封闭腔（即空腔），封闭腔沿轴由吸入端向排出端向上运动，封闭端在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔，各封闭腔内的体积均相等，液体进入封闭腔的入口，并在封闭腔内随转子的转动逐渐至出口，成为正排出的非脉冲流动。

泵出口的液量与泵的转速成正比，转子不转时，泵成密封状态，在横断面中转子和定子具有波形齿廓，（图8一1）。

转子螺头数与定子螺头数之间的关系可写成：
i=z 1/z 2=z 1/(z 2+1)，i 称波齿比。

目前i ＝9／10代表了最高限度。

泵的空腔数也称泵的级数。

泵的额定压力由泵的级数和每级的额定压力来确定，因泵的每级不可能是完全密封的，故采用多级泵，后续的每级只是增加其密封线的总长度，提 高驱动压力和减少漏损。

制造高压力的多级泵并不存在技术问题，但费用昂贵，得不偿失。

2、井下螺杆泵（纳维泵）的结构组成
纳维泵是由已用于定向钻井的纳维钻改造而来的。

主要有四个基本组成部分（图8一2）。

1）顶部接头：其连结扣： 43／4＂纳维泵为31／2＂API 内平母扣，63／4＂纳维泵为41／2＂PAI 内平母扣。

便于和其它工具组合连结。

２）多级泵：主要由转子和定子组成。

转子为单螺旋形，用高强度钢材精加工制成。

为抗磨耐用和避免液体腐蚀，在其表面镀了铬。

定子为双螺旋形，为保证泵的密封性，用特种合成橡胶模制，牢固地粘结在钢筒内，以抗磨和防止液体的化学腐蚀。

43／4＂纳维泵的转子和定子的螺旋头数比为2∶1，一般为五级马达，每级额定压力为0.812MPa ，故该工具的额定压力为4.06MPa ，但实际使用中发现它有较高的超压工作能力。

经计算43／4＂纳维泵有效输出量为1.3升／转左右，但实际上很难达到。

在实际运转中要作好转速和实际流量的记录，计算出泵效η
η=
理论
实际Q Q
纳维泵由于转盘转速和测试钻柱临界转速（估计约为130r ／min ）的限制不能高速运转，故在整个测试中转盘转速应保持在100r ／min 以下。

3）万向节：它把转子和轴承总成的驱动轴连结在一起，万向节由铰链接头制成，内部可充填润滑脂，并由防油橡胶密封。

4）带有剪切总成和密封装置的轴承总成。

纳维泵是在纳维钻的基础上加以改造而成的，因此纳维泵有一专门的剪切销总成和一组密封装置，剪切销总成可多次使用，在现场组装,安装剪切销的目的，是将泵的转子与定子暂时锁住，以利于坐封封隔器时的钻柱转动，封隔器座封后，约加813N.m 的扭矩，该销钉即可剪断。

密封装置，在轴承总成的下部，安装了一组由石棉编织浸渍聚四氟乙烯盘根和石墨环组成的密封件，用它堵死纳维钻中用于冷却和润滑下主轴承的小泥浆通道，可防止环形空间液体与管串串通而使排液工作失败。

该密封装
置在纳维泵中的作用是非常大的，在实际中失败原因很多来自于轴承的密封盘根。

因此它是维修保养的关键部位。

3、井下螺杆泵（纳维泵）的技术规范：
克里斯坦森公司生产的纳维泵有两种尺寸，每种尺寸有三个型号，具体规范见表8一1。

43/4＂工具最大屈服负荷是663.644N
63／4＂工具最大屈服负荷是1561.318N
4、井下螺杆泵（纳维泵）应用范围：
1) 自喷能力较低的低压高产地层。

2）泵送的液体包括各种流体原油、水、泥浆或比重较大粘度较高，带有固体性质的液体。

3) 用于低压高产水层的排液。

4）用于稠油井的排液。

5) 不能用测试工具测试的井，如地热井和水文井，可用纳维泵进行测试。

6) 能承受含砂量较高的液体泵送作业。

5、井下螺杆泵（纳维泵）的工作性能曲线：
(1) 纳维泵的排量受到转盘转速和测试管柱临界转速的限制（临界转速约为130r／min），泵的排量与转速成直线关系（图8－3）即泵的排量大小取决于转速高低。

（2）纳维泵是根据静液压原理操作的，故泵压差与所要求的扭矩也成直线关系（图8－4），由于在钻柱和地面管线中总会损失一些压力，故必须保持一定的泵压来保证液体的连续流动。

图8－4表示了所要求的扭矩和泵压的关系。

二、井下螺杆泵（纳维泵）的测试管柱及操作步骤
1、下井前的准备：
（1）对泵的驱动接头部分试压，目的检查密封盘根有无渗漏现象，试压4MPa，基本不漏为合格。

（2）纳维泵顶部试压，目的检查定子与转子之间的间隙密封情况，一般试压在4MPa以上，若压力保持在4MPa以上为合格，如果压力低于4MPa须更换定子。

（3）准备149mm（57／8＂）或215mm（81／2＂）胶皮非旋转扶正器2一3支。

（4）准备149mm（57／8＂）或215mm（81／2＂）钻杆扶正器2一3支。

（5）准备所需的配合接头，出砂严重的井要准备双层绕丝充填式防砂管。

2、纳维泵的测试管柱结构
纳维泵是通过与方钻杆及管串的转动来驱动的，故可使用标准钻柱和DST工具连结，进行操作。

钻柱结构自上而下：（并见图8一5）
（1）方钻杆：转盘带动方钻杆及钻柱转动，驱动泵进行工作。

（2）钻杆：88.9mm或127mm钻杆。

（3）非旋转扶正器（胶皮扶正器149mm（57／8＂）或215mm（81／2＂）。

保持管柱。

位于井的中心，增加管柱转动的稳定性，并防止磨损套管。

（4）加厚钻杆或钻铤单根。

（5）非旋转扶正器（同3）
（6）反循环阀（如采用断销式循环阀，在泵上部必须接一个接杆器，防止投杆砸坏转子）测试完毕，反循环压井用。

（7）纳维泵：泵出地层液体。

当起出测试管柱时，为了防止纳维泵以下的管柱内的油喷出，应在泵的下端装一个方钻杆旋塞卸掉纳维泵前，应先将旋塞关闭，再卸掉泵，然后在旋塞上接一个循环头，以便反循环和取样用。

（8）标准钻杆扶正器：149mm（57／８＂）或215mm（81／2＂）保持泵下面不转动部分的管柱位于井的中心。

保正泵工作时的稳定性，并可防止套管磨损。

（9）钻铤：外径为（33／4＂或61／4＂），120.65mm或1５８.75mm的单根钻铤。

（10）标准钻杆扶正器（同8）
（11）足够重量的钻铤：外径为（43／4＂或多1／4＂），1２０.65mm或158.75mm，提供封隔器座封时所需的重量。

（12）震击器：当封隔器不能正常解封时，可通过震击器震击，帮助封隔器解封。

（13）安全接头：管柱遇卡时，可在此处倒扣，起出安全接头以上的管柱。

（14）可取出封隔器：用于将测试层与环空封隔开，并用于固定纳维泵以下部分，防止泵工作时下部管柱转动。

（15）带孔筛管或滤沙管：地层出砂严重可用滤沙管，一般情况用带孔筛管。

（16）井下压力计托筒：放置井下压力计，记录井下压力和温度。

（17）为了控制排液过程中可能发生的井喷，应在纳维泵下部接上MFE多流测试器及裸眼旁通，在泵的下部接一方钻杆旋塞，并在泵与测试阀之间连接1000m钻杆及放样阀。

这样在泵旋转排液过程中，钻柱的重量使MFE测试阀处于打开状态，当有井涌时，上提管柱即可关井，控制井喷。

3、操作步骤及要求
（1）操作步骤：
1）按设计管柱结构，将纳维泵与DST工具连结，依次将工具下入井内，泵下井后，泵上面的每根钻柱应不断灌满液体（清水或泥浆），以便泵开始工作后，观察泵的工作情况。

2）座封封隔器时（用剪切销钉锁住泵，不让泵转动）管串的自由点尽量接近泵，使泵保持一定拉力，防止泵和泵以下管柱横向移动。

3）环空试压：一般试压5MPa左右，验证封隔器的密封性，也可往环空灌液体随时观察环空液变化情况来检查封隔器的密封性。

4）低速（25r／min）旋转起动泵，剪断泵的剪切销钉，确认泵是否工作正常。

5）以不同转速操作泵工作（泵的临界转速130r／min,一般不应超过100r／min）。

记录泵的转速和产液量，画出转速与排量的关系图。

观察泵量，扭矩和井口压力。

6）慢慢降低转速，停上泵的运转，利用井下测试阀关井，测地层压力恢复曲线。

7）打开反循环阀，反循环压井。

8）解封封隔器。

9）起测试管柱。

起出纳维泵。

11）起出剩余的全部管柱。

12）凡泵的下部接有MFE多流测试器及方钻秆旋塞，放样阀的管柱，起钻时，泵提出井口后，关闭方钻杆旋塞，卸掉纳维泵，打开放样阀，进行取样或卸压，然后将旋塞及放样阀卸掉，依次起出井内测试工具。

（2）要求：
①下井钻柱每一部件均需以最大扭矩上紧。

每一柱均应灌满液体，以防对井下泵造成过高的压差ΔP。

钻杆内灌注液体的比重必须和环空液体的比重相同。

②座封封隔时不用剪断销钉，中和点应接近泵，要保证封隔器正确座封。

③环空试压，如无问题则转动钻柱剪断销钉。

④开始慢转（20r ／min ）观察环空、排量、扭矩和井口压力，逐步提高转速从20一60r ／min ，每10分钟变换一次。

直至液体流出井口。

从60一80－100／min ，每30分钟变换一次，经常对比理论排量与实际排量，算出泵效，使泵在最佳状态下工作。

⑤扭矩必须是正扭矩，而且低于1355.3N ·m ，并应遵循下述规则： 1）如果扭矩太低：用阻流管汇提高井口压力，提高转速。

2）如果扭矩太高：减低井口压力，提高转速。

3）防止临界速度。

⑥缓慢地降低转速停止泵的转动。

⑦当泵下面接有MFE 多流测试器时卸开井下泵，放倒前，为了防止泵以下的管内液体外流和为了取得液体样品，在纳维泵下面应装一个方钻杆旋塞和放样阀。

三、参数计算
1、压力、排量和扭矩：
本节说明在测试期间可预告中途测试钻柱的工作情况，在测试中泵送比重不变的液体 可得出下列方程式： P WF =P R -
i
P Q
=H d p c H P P P r ∆-++⋅⋅-610 C RT =C P 十C C CP ＝120x
n
P Q P
⋅∆⋅η
式中: P R ：储层压力MPa
P i ：采油指数m 3／d ·MPa H d ：射孔段距井口深度（m ） P H ：井口压力（MPa ）
ΔP P ：井下泵的压差（Mpa ） ΔP P >0 为泵的状态 ΔP P <0 为涡轮状态
C C ：由于震动和磨擦而造成的扭矩损牦（N ·m ） Q ： 排量m 3／d
P Wi ：井底流动压力（MPa ） R: 泵送液体重度（N ／m 3） P C ：压耗（MPa ） n ： 转速（r ／min ） C P ：泵的扭矩（N ·m ） C RT ：转盘扭矩（N ·n1）
η∶ 泵的效率（实际排量／理论排量） 注意: 1) Pc 可因油气比很低而忽略不计。

2）Cc 根据经验可以估计。

3）为了防止松扣，ΔP P 一定为正数（6T ＞0） 4）ΔP P 限定值为4MPa
5）泵的扭矩必须保持低于1360N ·m （1000尺磅）以防损坏封隔器。

6）道威尔工具在95／8＂套管中的强度限度 抗H ２Ｓ的工具：3254N ·m 不抗H 2Ｓ的工具：5695N ·ｍ 2、临界转速：
在旋转系统中一般都有振动问题。

纳维泵测试中有两种类型的振动： 1）横向振动： TPM Ｃ＝
2
/1222)(1200d D L
+ 式中：
TP ＭＣ：临界转速（r ／min ） D ：管串外径（cm ） D ：内径（管串）（cm ） L ：管子长度（m ）
例如5＂钻杆的临界转速TPM Ｃ约为2３０r ／min 2）纵向振动
式中：K ：常数 L ：泵和转盘之间的距离（m ） 根据克里斯坦森观查结果：K ＝95000
例如 L ＝1000m 则TPM C ＝95r ／min L ＝2000m 则TPMc ＝47.5r ／min
四、井下螺杆泵（纳维泵）的结构特点
1、纳维泵是由井下马达纳维钻具改造而成。

纳维泵的下端销于封隔器中保持稳定不动，上半段随钻具向右转动将井内液体泵至地面。

停止转动后，泵的定子与转子间形成密封，实现井下关井。

故纳维泵起到了排液泵和测试阀的双重作用。

当不需要取样时，纳维泵代替了测试阀，进行开关井。

2、纳维泵靠转动钻杆进行驱动，操作简便，泵的转速与产液量成线性关系，易于控制产液量，适应测试的要求。

3、纳维泵的扬程为400m ，它的使用有一定的局限性。

4、纳维泵是由纳维钻具改制而成，为了提高泵效，防止漏失，增加了一套由石棉编织浸渍聚四氟乙稀盘根和石墨环组成的密封装置。

并要求组装时，在泵体丝扣连接处涂上丝扣胶。

密封是泵工作的成败关键，必须认真维修保养好。

5、纳维泵具有较大的液体流道和较好的耐磨性，对出砂井有较好的适应性，可泵送高比重高粘度的液体。

纳维泵结构见图8－6。

五、使用NA VI 泵进行测试实例
L
K TPM C =
1、测试地层和井段
1987年11月初，使用NA VI泵在井中进行了测试。

测试地层为东营组下段砂油层，测试井段为1500.5－1587.0m。

间断射开油层，总厚度59m，射孔密度13孔／米。

2、测试管柱结构
将MARCHⅢ型NA VI泵直接在Halliburton公司的DST测试管柱上，下入到95／8的套管内。

具体管串结构自下而上安排如下（不包括各工具间的变扣接头）。

（图8一7）（1）防砂筛管下至射孔井段；
（2）RTTS封隔器（Rotrievable Test一Treat一Squeeze Packer）
（3）安全接头
（4）Crre Lab公司的压力计托筒
（5）Halliburton公司压力计托筒
（6）振击器（Big John Jar）
（7）液压循环阀（Hydraulic Cire-Valve）（8）43／4＂钻铤
（9）伸缩接头
（10）81／2＂钻柱扶正器
（11）61／4＂钻铤
（12）81／2＂钻柱扶正器
（13）43／4＂MACHⅢ型NA VI泵
（14）APR一M2安全／循环阀
（15）APR一A反循环阀
（16）81／2＂非旋转扶正器（Non Rotating Stabellizzer）
（17）5＂钻杆一柱
（18）81／2＂非旋转扶正器
（19）5＂钻杆接至井口
（20）方钻杆
3、测试过程及测试结果
该层在下NA VI泵测试之前，曾使用Halliburton的DST的工具进行了测试。

测试结果为：用19.05mm油嘴放喷测试，井口压力0.12一0.15MPa，采出压差0.13MPa，折算日产原油3.44m3。

原油含水9％一11％，原油含砂由1.5％升至2.4％。

在15.5℃时原油相对密度为0.9991（60℉时9.67·API）50℃原油粘度4737.45厘泊,沥青胶质含量44.5％，凝固点十9℃。

1987年11月上旬，在该井使用NA VI泵进行了测试。

用5＂钻杆将ＤＳT测试管柱和NA VI泵下入井内。

每下一柱钻杆管内都灌满海水，海水垫满至井口。

下完管柱后接方钻杆、水龙头。

上提2米，转3圈，加压3吨将封隔器座封在1487.08米。

环形空间加压3MPa，经10分中后压力不降，证明封隔器座封效果良好。

初始以30r／min转速启动泵，剪断剪切销钉后继续运转。

运转平稳正常，然后分别以50r／min、65r／min的转速排出海水垫。

共排出海水13.6m3，原油1.8m3, 关井。

次日分别以转速（60r／min、75r／min、85r／min、95r／mln）运转NA VI泵。

来测定各转速下产油量（分别为2.79m3/h、3.07m3／h、3.20m3h、3.57m3／h）（表8一2），原油含水由6.6％降至1.3％，含砂由0.2％升至2.4％，产量随转速的提高而逐步增大。

后来力求最大产量，将泵的转速提高到130r／min，(临界转速），但产量却急剧下降（0.5m3／h）分析泵已发生问题，停止测试。

压井起钻,起钻中发现NA VI泵以上有35米的沉砂柱，起出测试管柱，发现NA VI泵的定子已断裂。

本次共测试18小时，累计产液50.4m3(包括排出海水垫13.6m3。

与DST自溢求产相比,采油压差扩大了24－27倍,日产油量提高了15一25倍。

取得了有代表性的油样,测得了完整的压力曲线。

经过原油样品化验分析得出:原油比重大(15.5℃时相对密度为0.993即60℉时10.56API），粘度高（3426厘泊），含砂量高（达2.5%,防砂不成功），沥青胶质含量高(43.45％），凝固点高（9℃）。

4．结论
通过这次测试实践，我们切身体会到：
1、NAVI泵用常规DST测试管柱下井，不需要附加设备一－组装方便。

用转盘驱动方钻杆即可启动运转泵――操作简单。

与电潜泵和绕式油管人工举升相比，更能为现场作业所接受。

2、泵的转速与产液量成直线关系，易于控制产液量，能适应测试的各种要求。

3、该泵具有较大的液体流道和较好的抗磨性，对出砂井有相当高的适应性。

4、适用于弱自喷和非自喷层测试。

可泵出高粘度、高比重、低油气比的液体，能数倍、数十倍地提高产量，并能确定出合理的产量。

5、与使用电潜泵相比，不需要防爆电气设备使风险减至最小。

且价格低廉可靠性强，大大地减少了占用钻机时间（指组装下井及起下时间），节省了很多费用。

6、测试的实际泵效率达到60%（泵的最大泵效为理论排量的84％左右）。

在泵的第二次运转求产中，产量平均提高了22倍，测试效果显著。

实际证明，NA VI泵能适应高比重、高粘度、低油气比、低地层压力、高含砂油井的测试要求。

对于这样的井而言NA VI泵目前是一种较好的行之有效的测试工具。

5．建议
虽然此种井下泵是比较有效的，但在松散地层测试时，必须采取有效的防砂措施。

这口井测试虽进行了防砂，但因为防砂不利等因素，造成了砂卡或防砂管断裂，至使测试中断。

故建议在类似的地层测试中，必须采取切实可行的防砂措施及合理的测试措施，以保证测试工作顺利进行。