直驱螺杆泵过载原因分析及治理

（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

1 直驱螺杆泵扭矩计算及原理分析

为了解决直驱螺杆泵过载问题，首先，对螺杆泵扭矩进行计算及原理分析[1-2]。截至2021年6月，现场共出现过载井77口，平均单井日产液49.55 t，转速61 r/min，沉没度535.36 m，泵效69.82%。从泵型分布上看，GLB1200型螺杆泵38口，GLB800型螺杆泵32口，这两种泵型占比达到90.9%。

1.1 螺杆泵扭矩的组成

螺杆泵总扭矩由三部分组成：定转子的初始扭矩、泵举升井筒流体所产生的有功扭矩和杆液摩擦扭矩（包括扶正环摩擦扭矩）[3]。

螺杆泵扭矩的组成为：

式中：M1为泵初始扭矩，N·m；M2为泵举升液体的有功扭矩，N·m；M3为摩擦扭矩，N·m；

泵的初始扭矩可由实验室获得，也可以根据公式计算：

式中：δ0为转子定子过盈量，m；n为螺杆泵转数，r/min。

有功扭矩计算公式：

式中：D为螺杆泵的转子直径，m；T为螺杆泵的定子导程，m；Δp为螺杆泵的进出口压差，Pa；e为螺杆泵的转子偏心距，m；q为液量，t/d。

杆液摩擦扭矩和扶正环摩擦扭矩公式：

式中μ为井液的黏度，mPa·s；n为螺杆泵的转速，r/min；Dt为油管的内径，m；d2为抽油杆的外径，m；d为扶正环的外径，m；L为抽油杆的长度，m；ΔL为扶正环间距，m；N为扶正环数量；f1为摩擦系数，取值0.1；Wg为每米杆重kg/m。

螺杆泵总扭矩计算公式：

1.2 螺杆泵扭矩值理论计算

螺杆泵卡泵时转子、定子卡死，总扭矩中的M1会急剧增加[4]，为了防止螺杆泵卡泵，按8 MPa生产压差计算螺杆泵泵况正常时的扭矩理论最大值。由于过载井中泵型主要为1 200 r/min、800 r/min，因此根据计算公式，设定杆长900 m，管内径76 mm，杆外径28 mm，环外径73 mm，井液黏度6 mPa·s。将以上数据代入公式可以计算出不同转速、不同生产压差下GLB1200和GLB800泵型理论扭矩计算值见表1。

表1 GLB1200、GLB800型螺杆泵扭矩计算值Tab.1 Torque calculation value of GLB1200 and GLB800 screw pump

生产压差在8 MPa时，GLB1200型螺杆泵最大扭矩理论值为1 494.1 N·m。考虑生产过程中结蜡液面泡沫段影响，增加扭矩15%，达到1 718.2 N·m，因此GLB1200型泵要配备1 800 N·m及以上驱动。GLB800型螺杆泵最大扭矩理论计算值为1 322.9 N·m。考虑生产过程中结蜡和液面泡沫段影响，增加扭矩15%，即达到1 521.5 N·m，因此，GLB800型泵要配备1 600 N·m及以上驱动。

2 过载原因分析及治理措施

2.1 过载原因分析

2.1.1 井下负荷大导致过载停机

1）供液不足影响。供液能力差，导致螺杆泵定转子干磨，散热不良，定子橡胶热彭胀后增加了过盈量，增加了定子转子之间的摩擦，扭矩增大[5]。

2）由于热洗不及时，洗井不彻底，导致井筒结蜡，运行负荷大。

3）井下泵损坏。由于泵本身过盈量过大，转子抱死，或由于泵定子橡胶损坏，导致井下扭矩增大[6]。

4）直驱扭矩配置偏低，出现“小马拉大车”现象。主要表现在螺杆泵泵型为800或1200大泵井上，由于补孔、换大泵或连通水井注入量提高，油井产液能力增强，举升液体需要的扭矩大，但地面直驱系统并没有随液量变化及时调整[7]。

5）聚驱井井液浓度高或是三元井井下结垢影响，运转时井下负荷大，举升扭矩大。

2.1.2运行温度高导致变频器过热保护停机

1）变频器积灰影响。由于变频器运行环境差，长期在野外，变频器内部易积灰，风道受阻，影响散热效果。

2）变频器风扇损坏影响。由于运行时间长导致风扇损坏，大量热量聚积无法散热。

3）变频器受气温高影响。尤其是进入夏季高温炎热，变频柜在阳光直射下更容易出现过热保护停机，表现为变频逆变模块过热故障停机[8]。

2.1.3 过载值设置不合理或设备故障停机

1）变频器过载值设置不合理。过载电流设置偏低，可以有效保护永磁电动机不损坏，但不能满足生产需要，较低的电流容易出现停机。

2）线路氧化虚接，出现电路故障停机。

3）轴承摩损影响。由于直驱运行时间长，轴承摩损量大，导致负荷增大停机。

2.2 治理措施

2.2.1 井下负荷大过载停机

1）供液不足井及时下调参，保证合理沉没度。

2）对结蜡影响井，合理调整热洗周期，提高热洗质量。

3）对于驱动装置配置偏小井，先采取在矿内进行驱动互换，大功率大扭矩驱动调换到负荷大的井上，使驱动配置更合理；如无法互换，工技大队与各矿结合更换新驱动。

4）对井液浓黏度高的化学驱井，采取套管灌掺热水降黏措施，降低直驱电动机运行电流和扭矩。

5）对于转子抱死、三元结垢卡泵，先采取小修解卡措施，小修无效采取检泵措施。

2.2.2 变频器散热不良、过热保护停机

1）更换风扇，对损坏风扇进行更换，确保良好的散热效果。

2）加装风扇。对控制柜外排散热风扇不足的井，加装外排风扇，确保控制柜内空气流通，强化变频器散热效果。

3）定期对变频器清灰处理。定期清理控制柜的通风通道，保证变频器的合理散热[9]。

2.2.3 设备故障导致停机

1）对变频器过载值设定偏低的井，合理上调过载值。

2）由于控制柜到电动机之间电缆选型不合适现导致线路氧化虚接，进行及时维护后，保证了正常生产。

3）轴承及承重等部件损坏的井，及时送修。如无法维修，更换新驱动装置。

3 直驱螺杆泵过载井治理效果

3.1 治理方法

2021年上半年共出现高扭矩过载井77口，通过逐井分析过载原因，采取下调参、换小泵等措施，已恢复正常生产67口，螺杆泵井实现连续生产。剩余10口待更换驱动或转抽，过载井治理措施统计见表2。

表2 过载井治理措施统计Tab.2 Statistics of overload well

3.2 监测管理

3.2.1 编制过载判断及处理流程图

建立流程图，使过载分析和治理更规范、高效。过载判断及处理流程见图1。

图1 过载判断及处理流程Fig.1 Overload judgment and handling process

3.2.2 编制扭矩及低沉没度井监测程序

扭矩监测程序实现了两项功能：一是实时监测高扭矩井，每天自动预警，减少高扭矩导致杆断；二是自动计算理论扭矩并与实际扭矩对比，分析过载原因。低沉没度监测程序实现对液面测试情况的实时监测，每天自动预警，缩短调整周期，减少因供液不足造成的过载井。

3.3 节能效果分析

直驱螺杆泵取消了螺杆泵电动机的皮带传动，可以实现螺杆泵转数的无级调节，使该系统更加可靠安全、高效节能，同时利于维护、方便管理、减少了生产成本和降低了工人的劳动强度，该装置适应于380 V电压，可提高电网的功率因数，可以将更多的电能转换成有功功率，实现节能降耗[10]，由于该装置取消了皮带传动，避免了飞轮隐患，使螺杆泵运行更安全。具有很好的经济效益和社会效益。

通过运用检测程序及时调整参数、泵型，2021年全年泵径大换小45口、下调转速774口，年节电364.66×104kWh，电价按0.6381元/kWh计算，年创经济效益232.29万元。措施前后参数变化统计见表3。

表3 措施前后参数变化统计Tab.3 Statistical table of parameter changes before and after adjustment

4 结论

1）通过理论计算扭矩与实际扭矩对比，可以准确分析出螺杆泵过载原因。

2）治理螺杆泵过载井可以提高螺杆泵井开井时率，降低安全隐患。

3）利用扭矩和低沉没度监测程序，可有效预防和减少过载井，减少高扭矩导致的杆断及低沉没度导致的供液不足烧泵，防治结合，提前预警。