螺杆泵水力特性高温试验流程系统的研制与应用

杜香芝

中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院（黑龙江大庆163453）

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螺杆泵水力特性高温试验流程系统的研制与应用

杜香芝

中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院（黑龙江大庆163453）

近些年随着稠油热采井不断增多，使用抗高温定子橡胶螺杆泵的数量也不断增加。促进螺杆泵采油技术水平的提高，并满足相关标准和用户的使用要求，需要对螺杆泵水力特性进行测定。为此研制了螺杆泵水力特性高温试验流程系统，主要包括技术指标的确定、流程设计及系统组成、功能模块和流程系统的应用等部分。以220℃导热油作为试验介质，模拟抗高温定子橡胶螺杆泵的实际工况，通过检测螺杆泵出口压力与排量等参数得出其水力特性曲线，从而反映螺杆泵产品质量，可以有效地避免不合格产品下井，提高一次投产成功率。

螺杆泵；水力特性；试验流程

螺杆泵采油具有投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及适应性强等特点，以能有效降低采油成本提高采油效益而倍受国内外油田重视，已成为油田主要的机采方式之一。近些年随着稠油热采井不断增多，使用抗高温定子橡胶螺杆泵的数量也不断增加，所以需要检测其水力特性是否满足相关标准和用户的使用要求。但实验室现有的检测系统不能满足试验介质在高温（90～180℃）下的螺杆泵水力特性试验。因此，为检验螺杆泵在高温条件下的水力特性，研制了螺杆泵水力特性高温试验流程系统[1-4]。

1 高温试验流程系统的技术指标及组成

高温试验流程系统的技术指标如下：①压力调节范围：0～25 MPa，精度0.2%；②流量检测范围：0～350 m3/d，精度0.2%；③介质温度范围：90～180℃，精度±5℃。

高温试验流程系统主要由压力传感器、流量计、高温油罐、补偿罐、液位传感器、电动压力调节阀、手动阀门、电动阀门、过滤器、温度传感器、移动

小车、流程管线等组成。试验流程如图1所示。

图1 高温试验流程系统图

高温加热罐采用封闭结构，并设计有热补偿罐，高温油在加热罐内加热，而补偿罐中的油温基本处在常温状态，避免了介质油的挥发。工艺流程满足高温条件下的试验流程，所有流程管线及阀门均耐高温，可以满足螺杆泵在不同转速、不同温度、不同压力条件下的水力特性模拟试验。

2 高温试验流程系统的功能模块

试验流程的主要功能模块为了满足试验的要求，螺杆泵水力特性模拟试验装置的主要功能模块有：压力的调节与检测模块、流量的计量模块、试验介质温度的调节与检测模块3个部分。

2.1 压力的调节与检测模块

压力的调节与检测模块主要包括调节螺杆泵的出口压力、检测螺杆泵的出口压力、检测螺杆泵的入口压力3个部分。

螺杆泵水力特性就是使螺杆泵在不同的出口压力下，检测出口的流量。在其他条件相同的情况下，螺杆泵有相同的出口压力，则出口流量越大，其性能越好。因此调节螺杆泵的出口压力是螺杆泵水力特性试验中的重要环节。主要元件有出口压力传感器，电动调节阀等。

2.2 流量的计量模块

对于90～180℃高温试验，试验介质只能采用抗高温的导热油，因此流量计量采用流量计，流量检测范围：0～350 m3/d，精度0.2%。主要元件有流量计，电动阀和手动阀。

2.3 试验介质温度的调节与检测模块

高温试验流程试验时，由于要求油温较高（90～180℃），需要对油进行加热满足试验要求。为了解决高温油闪点问题，采用液体管道加热方式，在试验进行中对油进行加热，油罐采用密封。在运行过程中，由于油罐密封，不能将气体排出，影响试验的准确性，为解决这一问题，在油罐上方设置补偿罐，通过管道与油罐连接，既可以消除油的挥发，也可以将试验中产生的气体排出，同时通过补偿罐将排出的空气体积用油补偿，保证试验数据准确。

高温加热系统数据计算与选取：①排量为0.5 m3/min；②管线储油量为0.1 m3；③油罐直径1.0 m；补偿罐体积0.5 m3；④加热管功率为36 kW；加热时间约2.4 h。

管道保温设计：复合硅酸盐绝热涂料25 mm与太空绝热瓷层0.5 mm，其散热损失为92.7 W/m2，满足最大散热损失要求，保温材料外表面温度为40.5℃。

双层保温结构为复合硅酸盐绝热涂料25 mm。保温层选择，采用可脱卸式管道保温套，该保温套有如下优点：①保温效果好，耐高温；②化学稳定性好，防虫蛀，防霉变；③防火阻燃、耐老化、防水、防油；④绝热保温效果好，绝热层采用耐热纤维隔热毯，耐温300℃以上；⑤方便拆卸、易于安装，方便清洗设备，方便维修保养；⑥可反复使用、使用寿命长；⑦强度高、即柔软又有韧性，易于弯曲包扎；⑧适用性强，适用不同的管道设备；⑨环保无污染，不含有害物质，对人和环境无害。

3 系统的应用

3.1 系统操作

在对螺杆泵水力特性高温试验时，将螺杆泵固定在试验台上，用软管与螺杆泵吸入口相连，螺杆泵排出口与管路相连。通过控制台上操作按钮可以实现压力调节阀和电动阀开关及对油罐加热的远程控制。

启动螺杆泵驱动电机，油经高温油罐出口依次经过过滤器，经软管进入螺杆泵入口，从螺杆泵出口流经电动压力调节阀进入计量模块，进入流量计进行计量后，经手动阀回到高温油罐。螺杆泵运行一段时间后停止，主要是将管道中的气体通过液位补偿罐的排气装置排出，关闭电动阀后，对高温油罐进行加热。达到设定温度后，启动螺杆泵驱动电机，对螺杆泵进行高温油水力特性试验。试验中通过调节电动压力调节阀，满足试验中不同螺杆泵出口压力调节的需求，从而实现入口和出口压力及流量采集，结合扭矩的测量，最终计算出螺杆泵容积效率和总效率。

3.2 应用实例

开展了不同型号的螺杆泵在介质温度120℃、150℃条件下的水力特性试验。现以GLB500-14型螺杆泵的试验为例，转速150 r/min，试验数据见表1～表2。

表1 GLB500-14型螺杆泵在120℃温度下试验数据

由表1～表2可以看出,GLB500-14螺杆泵120℃时的最高效率是90.09%，对应的压力点为4.55MPa、150℃时的最高效率是88.87%，对应的压力点为5.72MPa。温度越高，总效率最高点的压头越大。在120℃、7.06MPa时容积效率是73.31%，150℃、7.10MPa时容积效率是82.96%。在合理工作区相同压力下温度越高容积效率越高。通过实验发现温度增加，在同一举升高度条件下，泵的容积效率增加。温度越高，总效率最高点的压头越大。温度变化对螺杆泵扭矩的影响不大。

表2 GLB500-14型螺杆泵在150℃温度下试验数据

根据标准GB/T 21411.1—2014[5]规定螺杆泵的排量应在理论排量的10%范围内，GLB500-14螺杆泵在150 r/min的理论排量108 m3/d，实验测得120℃和150℃时的排量分别是107.50 m3/d和104.30 m3/d，与理论排量的相对误差分别是0.46%和3.43%，均符合标准要求。

该装置适应于高温下的压力调节和流量计量等功能，满足螺杆泵在不同转速、不同压力、不同介质下泵排量的测量，其装置的技术指标达到对螺杆泵性能进行评价的要求。

4 结论

螺杆泵水力特性高温流程系统的研制为耐高温螺杆泵和全金属螺杆泵的性能分析、质量评价、国内外油田采油技术服务等技术公关和新产品的研发提供了有力的保障手段。同时为油田严把质量关，有效控制不合格品流入油田市场，起到重要约束作用。该装置于2016年初建立并通过国家计量认证，至今完成了100余台套螺杆泵产品的检测工作。对试验与承检产品做出科学、准确的评价。

[1]杨野,王凤山.采油设备、井下工具及油田化学剂技术手册[M].北京：石油工业出版社,2013．

[2]杜香芝.螺杆泵检测系统[J].油气田地面工程,2007,26(5)：62.

[3]魏纪德,师国臣.试验介质温度、黏度对螺杆泵容积效率的影响[J].石油机械,1993,21(9)：15-20．

[4]杨樟柏.提高螺杆泵举升性能研究[D].大庆：东北石油大学, 2006．

[5]全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会.石油天然气工业人工举升用螺杆泵系统第1部分：泵[S]：GB/T 21411.1—2014.北京：中国标准出版社,2015.

With the increase of heavy oil thermal recovery wells,the use number of high temperature stator rubber screw pump is increasing.In order to promote the development of screw pump production technology and meet the requirements of related standards and users,it is necessary to measure the hydraulic characteristics of the screw pump.For this purpose,the screw pump hydraulic characteristic high-temperature test process system was developed,including the determination of technical indicators,process design and system composition,application of functional modules and process system.The oil of 220℃is used as test medium to simulate the actual condition of high temperature resistant stator rubber screw pump,the hydraulic characteristic curve of the screw pump is obtained by detecting its outlet pressure and output volume,which can reflect the quality of screw pump products,so as to effectively avoid substandard products to enter well,and improve the success rate of once put into production.

screw pump;hydraulic characteristic;test process

尉立岗

2017-04-25

杜香芝（1967-），女，工程师，现主要从事采油工程产品质量监督检验与实验工作。