注聚螺杆泵挠性杆数值模拟优化分析

2013-01-12牛贵锋艾志久

石油矿场机械 2013年1期

牛贵锋，艾志久

（1.西南石油大学机电工程学院，成都610500；2.中海油能源发展采油技术服务公司，天津300452） ①

目前，聚合物驱油技术已是我国各主力油田进入开发后期提高采收率的重要方法之一。聚合物驱是指在注入的水中加入水溶性高分子量聚合物，通过增加水相黏度和降低水相渗透率，改善流度比，进而提高原油采收率的方法［1－3］。在注聚工程中，因为螺杆泵是容积泵，对聚合物的剪切很小，保黏率很高，因此，用螺杆泵作注入泵是理想的选择。由于海上平台的空间有限，提出了将注聚螺杆泵放入井下的技术方案。这与螺杆泵放到甲板有了很大的不同，新技术方案需要解决配套问题，其中挠性杆的优化设计就是比较重要的一个环节。

1 工作原理

如果聚合物溶液承受物理的挤压及剪切，其分子链会被剪断及破坏，黏度会很快降低，高分子聚合物“井下驱油增产”的原理在于它的吸附性和捕集性。高分子聚合物溶液被注入井下，可以增加水的黏度，减少油层的水相渗透率，水油流度比减少，进而提高原油采收率。所以在配制和输送聚合物溶液时，要最大限度地提高聚合物溶液的黏度。

螺杆泵属于容积式回转类泵，转子和定子相互啮合，在定子和偏心旋转的转子之间形成相互隔离的腔室，随转子的连续转动，腔室不断地轴向移动，从而实现输送介质的目的。螺杆泵输送介质的空腔容积与形状一定，所以在输送过程中，对介质无剪切、无挤压、无脉动且连续移动，适合输送高黏度溶液。由于定子是橡胶材料制造，它有很好的退让性，适合输送含固量很高的介质。

聚驱作业时，先将注聚螺杆泵下入井筒中，聚合物充满泵内的系列螺旋形腔室，在工作过程中，随着驱动装置带动转子转动，泵内腔室将由泵入口向出口方向移动，从而将聚合物由地面注入到井内，并通过油管从井口注入到地层。所以螺杆泵在油田输送高黏度、高含固的聚合物有很大的适应性和优越性，并有较长的使用寿命，在海洋平台条件下使用，更有广泛的推广意义。

2 挠性杆结构设计

螺杆泵在采油领域有着广泛的应用和良好的发展前景［4－5］。为了满足海上油田聚驱开发的需要，提出将螺杆泵安装在井内作为聚合物井口注入泵使用，这就改变了螺杆泵作为人工举升装置的工作状态，其挠性杆原结构尺寸存在较严重的应力集中现象，不能满足作为注聚螺杆泵使用的要求。

通过优化和改进挠性杆的结构尺寸，以解决应力集中的问题，进而延长注聚螺杆泵寿命，提高经济效益。分析挠性杆的工作状态、变形特点和应力分布情况，为挠性杆的结构设计及工作参数选择提供依据。挠性杆的结构如图1所示。

图1 挠性杆结构

2.1 基本参数

聚合物黏度 2 000～15 000mPa·s

注入压力 12MPa

2.2 特点

1）挠性杆两端设计为“左旋”的外螺纹，一端与转子连接，另一端与传动轴连接。

2）杆的中间直径较小，可以产生挠性变形，满足转子偏心公转的要求。

3）能够保证有足够的强度和刚度，满足自转的扭力要求和推动介质所需的轴向力要求。

3 挠性杆数值模拟

由于注聚螺杆泵工作压力高，故产生很大的向上轴向力及扭矩。为了保证结构设计的合理性及分析挠性杆设计的可靠性，采用目前业内认可的计算机辅助设计软件进行应力分析，模拟结构在工作条件下的特性。利用 ANSYS技术分析结果［6－9］，并结合试验测定的数据和设计工程师的实际经验来评价设计，以此来减少物理试验，节省费用并提高设计质量。