井下高压注聚螺杆泵设计改进探讨

程心平

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津，300452）


摘要：容积泵式螺杆泵具有对聚合物溶液机械剪切小，粘度保粘率高的特点，可将采油生产螺杆泵倒置用于油田聚合物驱开发，实现井下高压注聚合物溶液。本文分析了井下高压注聚螺杆泵设计原理及使用中出现的问题，根据螺杆受力分析和轴承失效分析，探讨了采油用螺杆泵改作注聚螺杆泵轴向力平衡方法，提高螺杆泵稳定性延长其使用寿命，可在海上油田注聚合物开发试验应用。
主题词：聚合物驱；高压螺杆泵；失效分析；力平衡；稳定性
0引言
在海上油田聚合物驱采油工程中，增压注聚是整个注聚地面工程很重要的一个环节。容积泵螺杆泵对聚合物的剪切很小，保粘率高，为实现在注聚过程中尽量不降低聚合物的粘度，用螺杆泵作注入泵是理想的选择；同时，海上平台甲板空间有限，为了尽可能节省平台空间，宜将注聚螺杆泵放入井下。我们从注聚螺杆泵的原理、材料选择、泵型结构以及井下配套工艺作了一系列的技术研究与实验尝试，取得了一定的认识。
采取注聚螺杆泵将聚合物母液增压后与高压水混合的注入工艺[1] [2]，工艺管柱图如图1所示，驱动器启动后带动挠性杆及螺杆泵转子工作，聚合物母液从Ａ处进入挠性杆与内管所组成的环空并进入螺杆泵，通过螺杆泵增压后再通过单流阀到达进水接头处；高压供水从Ｃ处进入内管与外管组成的环空并进入进水接头；在进水接头内聚合物母液与高压水汇合，并一起进入静态混合器进行混合，混合后的聚合物溶液通过取样接头、插入密封进入外管下部管柱、再经过压井阀、定位密封到达油层，因采用的是全井合注，各层采用了滑套来控制，最后混合物溶液通过滑套后进入油层。
A8井日注聚150-240m3, 注聚压力12-15MPa,聚合物溶液粘度40-100mpa.s，井下高压螺杆泵持续工作了90天。由于电机过载，轴承损坏；螺杆磨损严重，泵效降低较快，注入量下降停机。螺杆磨损失效见图2。






























1、驱动器 2、注聚井口3、套管 4、外管5、内管 6、挠性杆 7、扶正器 8、螺杆泵转子 9、螺杆泵定子 10、单流器 11转子限位器 12、进水接头 13、静态混合器 14、取样接头与取样管线 15、插入密封 16、密封光筒 17、防转器 18、压井阀 19、定位密封 20、下部防砂完井管柱 21、滑套  Ａ、聚合物母液入口 Ｂ、取压取样器 Ｃ、高压来水入口 Ｄ、油套环空阀门
图1注入系统工艺管柱图


      图2 转子表面镀铬层脱落及粘附在螺杆表面的垢
1注聚单螺杆泵力学分析[3] [4] [5] [6]
单螺杆泵是一种由定子和转子组成的容积式泵，转子在定子衬套中运动实现泵送流体的功能，具有柱塞泵的硬特性和离心泵的软特性。
    将单螺杆采油泵改为注聚泵，从原理看，只需要改变螺杆的转动方向，将泵原来的吸入口变成排出口，排出口变成了吸入口；即将原来的低压端（吸入口）变为高压端，高压端（排出口）变为低压端。井下注聚泵转子如图3所示。


图3 螺杆泵转子
从受力来看，作采油泵时，由于原来的高压端在靠近电机的一侧，螺杆受到一个向下的压力，而与螺杆相连的挠性杆受到拉力的作用；变为注聚泵后，高压端在下侧，螺杆受到一个向上的推力，而与螺杆相连的挠性杆受到压力的作用，受力状态由受拉变为受压。轴承的受力情况也随之发生变化。
1.1注聚螺杆泵受力分析
表1 GLB1200-20/2注聚螺杆泵性能参数
转子 头    数 2 总 长 度 7700  mm 螺旋长度 7600  mm
偏 心 距 8.60  mm 长轴长度 68.80  mm 短轴长度 34.4  mm
回旋直径 77.2  mm 级    数 31 螺    距 240  mm
连接扣型 M53×2.54
定子 头    数 3 总 长 度 7900  mm 橡胶长度 7300  mm
橡胶编号 01-5-1 外    径 114   mm 内 通 径 51    mm
过 盈 量       最大外径 130   mm 连接扣型 上：4 1/2平式油管扣
级    数 20 螺    距 360   mm 下：3 1/2平式油管扣
井下注聚螺杆泵的基本参数如表1所示。
















（1）轴向力计算
作用在螺杆端面上的液体压力降造成的轴向力可由下式（1）计算：
                                        （1）
式中：为螺杆的外径；为螺杆的齿高；为进出口压差。
作用在螺杆上的理论转矩由下式（2）确定：
                                      （2）    
式中：；为螺杆的线数；为衬套的导程。
转矩引起从衬套齿边来的法向力，将它们分解为啮合力的周向分量和轴向分量，如图4所示。
                                     （3）
式中：为在螺杆平均直径上螺旋线的斜角：，为螺杆的导程。
由此求得转矩引起的轴向力分量为：
                                         （4） 
则作用在螺杆上的总轴向力为：
                           （5）


图4 螺杆上作用的轴向力简图
（2）螺杆稳定性计算
螺杆的一端可以看作是自由端(排出口)，另一端可以看作是固定端，沿螺杆的长度方向,轴向力基本上是均布的，根据能量法，可以推得其临界压力。
如图5所示，假定当时，在任何小的干扰下，杆发生微弯曲变形，如图5(b)所示。
在这种情况下，弹性应变位能的增加量依然为：
                                      （6）
而载荷位能降低量为：
                                           （7）   
式中：为座标为处的载荷；为载荷的位移量。由下式（8）确定：
                （8） 
图5 螺杆（钻子）
在临界状态下，，将已知量代入，整理后得：
                                        （9）
根据边界条件及失稳时弯曲的变形情况，假设挠度曲线方程为：
                                           （10）   
其中为常数。对上式求导数得：


最后经整理后得：


                                            
式中：为螺杆材料的弹性模量；为螺杆的截面惯性矩。
    （11）
式中：为螺杆长轴的长度；
     为螺杆短轴的长度。
根据前面的计算公式和螺杆泵的基本参数（见表）），可以算得其所受的轴向力为：
 =75.2 kN
可算得井下螺杆泵螺杆的截面惯性矩为：
    =0.878×10-6 m4
可算得临界压力为：=25.3 kN
由受力和稳定性分析可以看出：将单螺杆采油泵改为注聚泵，螺杆所受的压力大超出了其临界压力，挠性轴受到的轴向力几乎完全相同而且其截面惯性矩比螺杆小，因此它们都处于失稳状态。如果不改变工作压差，螺杆所受轴向力的大小没法改变。
1.3轴承的失效分析
原螺杆泵传动轴轴径为140mm，选用了两级轴承，每一组有一个圆柱滚子轴承和一个单向推力球轴承，圆柱滚子轴承的内圈向推力轴承传递轴向力，轴承代号分别为N1028和51128。
控制轴承塑性变形的静负荷计算公式为：
                                          （12）


式中，——静负荷安全系数；
      ——径向额定静载荷；
      ——径向当量静负荷。
 
寿命核校公式：
                                （13）


查机械设计手册，得：=89.4 kN，=318 kN
通过前面的计算已经得到轴承所受的轴向载荷，即=75.2 kN
根据螺杆泵的工作条件，查表得=1.2
则安全系数：==4.22＞=1.2
所以，静载荷的校核满足要求。
寿命计算，由于工作较平稳，可取载荷系数=1.0。螺杆泵的工作转速为n=200r/min, 代入公式可得：
=140 h，显然用51128寿命太短。
=140 h，显然用51128寿命太短。
如改用较大的51328轴承，查机械设计手册，得：=325 kN，=1024 kN
则安全系数：==13.6＞=1.2
=6726 h
根据上述计算，选用推力调心滚子替代推力球轴承，可满足工艺要求。
2 轴向力的平衡方法
螺杆（转子）磨损主要是由于螺杆受了较大的轴向力，出现失稳，另外注聚泵转子和定子配合间隙较小，若聚合物溶液中有固体颗粒也会造成定子和钻子磨损过早失效。
采用克服轴向力的拉力轴承机构，使传动轴只承受转矩，不承受拉力；而螺杆泵所产生的轴向力全部由拉力轴承机构所承受，这样使螺杆注聚泵能够长期高效的运行。拉力轴承平衡机构由滑动轴承、动环、静环组成，滑动轴承有一润滑油进口，通过润滑轴承内孔与下挠轴间隙进入动静环腔室，润滑油在此动静环表面之间形成一种压力油膜，给动环上表面一种向下的压力来平衡转子因螺杆泵进出口压力差产生的向上力。动静环之间相对转动时也不会直接摩擦，大大延长轴承的使用寿命。润滑系统是由地面齿轮泵泵站和井筒两根润滑管线组成的独立润滑系统，这种独立润滑系统不受聚合物介质和井筒环空压力等影响。
为了平衡轴向力，通常采用平衡活塞结构，并采用液力卸荷的方法，即从排出腔引一股高压液流到螺杆的底部，使轴向力平衡，如图6所示。但这种平衡方法使螺杆处于受压状态。对于在高压工况下工作的井下注聚泵，由于螺杆较长，密封腔数较多，当高压引起的轴向力作用于螺杆两端，将使螺杆产生较大的弯曲变形。前面的计算已证实，在较大的工作压力下它将失稳，其结果是螺旋面之间不能正常啮合，液膜受到破坏，定子和转子产生严重磨损，严重时，因螺杆变形而出现“咬死”现象。为了避免这种现象的发生，解决办法就是缩短螺杆的长度，增加其截面积，从而增加其稳定性，不至于在轴向力的作用下失稳。挠性杆正常的受力状态是受拉，因此，可将挠性杆换为万向轴。 
如果采用如图7所示的第二种方法可以采用平衡轴向力的结构使其由受压变为受拉，即将排出口放在驱动端，而将吸入口放在泵的自由端，这样自然地解决了挠性杆的失稳问题。但由于井筒尺寸限制，由于吸入口在下排出口在上，无法同时建立来液通道和回注通道，工艺难以实施。


图6 液力卸荷法平衡轴向力
                       图7 由受压变受拉的轴向力平衡方法
3 结论
采油螺杆泵改作注聚泵是可行的，但由于注聚泵压大，导致转子轴向力太大失稳使转子磨损快，另外注聚泵转子和定子配合间隙太小，若聚合物溶液中有固体颗粒，都会造成定子和钻子磨损过早失效。
轴承的过早失效主要是由于轴承选择不当，同尺寸的推力调心滚子轴承比推力球轴承承载能力大，采用本文推荐的同尺寸的推力调心滚子轴承后，能有效延长轴承的寿命。
要从结构上解决转子和挠性杆的失稳问题可以在螺杆泵的低压端采用万向轴，出口加一挠性轴和轴承，将螺杆所受的液压力撑住，需要对挠性杆、轴承的安装和密封进行攻关研究。
参考文献
[1] 张佳民．螺杆泵抽油杆柱设计方法及其应用[M]．北京：石油工业出版社，2002：17-27． 
[2] 韩修廷，王秀玲，焦振强．螺杆泵采油原理及应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998：1-8． 
[3] 程鹏，顾雪林，胡才志，等．地面驱动单螺杆泵抽油杆失效分析与预防措施[J]．石油机械，2000，28(4)：26-27．
[4] 刘巨保，罗敏，李淑红．地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用[J]．石油学报，2005，26(1)：121-124．
[5] 祝庆远，王民轩。罗俊，等．螺杆泵采油油管柱弯曲对抽油杆柱的影响[J]．石油机械，1999，27(10)：38-39．
[6] 师国臣，陈卓如，吴晓东，等．地面驱动螺杆泵抽油杆柱弯曲的力学模型[J]．石油大学学报：自然科学版，2003，27(2)：44-46．




作者简介：程心平，高级工程师，生于1968年，1990年毕业于西安石油学院矿机专业，长期从事采油工艺和井下工具开发研究。地址：天津市塘沽区闸北路3号滨海新村西区研究院主楼107室（邮编：300452）。电话：022-66907341。E-mail：chengxp@cnooc.com.cn。






Discussion on design improvement 
of screw pump for high pressure polymer solution injection well


Cheng Xinping
(Engineering Company, Energy Development Limited Company of CNOOC, Tian jin 300452, China)


Abstract: The volumetric pump screw pump has the characteristics of small mechanical shearing of the polymer solution and high viscosity preserving rate. The oil production screw pump can be inverted for oilfield polymer flooding development, and the high pressure injection polymer solution can be realized. In this paper, the design principle of the high-pressure injection screw pump and the problems in the use are analyzed. According to the screw force analysis and bearing failure analysis, the axial force balance method of the oil pump screw pump is changed to the injection screw pump to improve the stability of the screw pump. Extend the service life of the polymer injection test application in offshore oil fields.
Key words: polymer flooding; high pressure screw pump; failure analysis; force balance stability