增压注水螺杆泵设计研究

王 卓，童 临，冯 琪，杜毅斐，解江涛

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

注水泵是油田注水开发工艺中一种十分重要的机械设备。早在二十世纪七八十年代，我国各大油田在经过一段时期的开发开采后，地下油层压力大幅度下降，导致油井的采收率不断下降，加之采油驱油技术也相对落后，因此采收率明显下降[1]。

相继之下，部分注水单井和注水区块欠压问题越来越严重，人们就已经意识到了发展增压注水技术的重要性和紧迫性。增压注水泵作为增压注水核心部件，一直是相关部门、众多研究所和厂家关注的焦点，相继也投入了大量的人力和物力进行增压注水泵的设计研发。经过多年的探索试验，多种泵型陆续投入正式生产，并应用于我国各大油田。虽说国内的增压注水泵在产品质量、系列化、泵效、状态监测与故障诊断等方面与国外尚存在一定的差距，但是，到目前为止，国内的增压注水泵的发展也逐渐向着系列化方向发展，有数十个产品类型，可以满足国内各大油田的增压注水需求[2]。

与此同时，对于分布零散的高压井和一些低渗透油藏来说，单井增压注水则显得尤为重要。一方面，少数井完成配注需要提高注水系统的压力会增加生产成本，影响油田开发效益，另一方面，采用单井注水，能有效改善外围低渗透油田的注水效果，增压注水泵能充分发挥其效用，同时使吸水差的油层得到有效利用，具有良好的发展前景[3]。

1 注水泵常见问题分析

目前，单井增压注水多布局在地面井口附近，广泛使用的增压注水泵多为离心式泵和往复式柱塞泵。

1）离心式泵。其主要优点在于输出流量均匀，平稳，额定流量大，可通过调节排出阀调节流量，且易损件少，无往复运动惯性力，使用寿命长，结构紧促，泵体相对较小，制造安装成本低，维修费用少；包括地面离心泵和井下潜油离心泵倒置，但这两种方式都存在泵效低和耗能大的问题，而且前者地面离心泵也存在增压值小的问题，往往不能满足增压效果，后者井下离心泵存在单机发热量大，散热困难易烧毁电机的问题。

2）往复式泵。有效压头高，可满足高压注水要求，包括液压驱动柱塞泵，曲柄连杆驱动柱塞泵等，这种泵大大提高了泵的工作效率；但是也存在着柱塞腐蚀，盘根漏水，泵阀承载力大，寿命短，维护工作量大的问题，同时在调整泵的排量上也有一定的难度[4]。

介于地面增压装置均存在着地面增压后与井口连接处需要高压管线和高压泵阀连接，具有一定的安全隐患，以及以上两种增压注水泵型的问题所在，提出了将螺杆泵应用于单井增压注水领域的思路，尝试设计了一种新型的增压注水插入式螺杆泵。

2 螺杆式增压注水泵

螺杆式增压注水泵系统由电机控制柜、交流伺服永磁同步电机、万向联轴器、承重块、油套管四通、多级螺杆泵、封隔器等组成，其结构如图1所示。

该增压注水泵竖直放置在注水井井口附近，整体采用立式增压注水的布置方式，低压来水通过与套管四通连接进入注水系统，套管四通下端口与多级螺杆泵连接，动力由伺服电机提供，经万向联轴器传递给多级螺杆泵运转工作，对低压来水进一步增压后注入到注水层。

图1 螺杆式增压注水泵结构示意图

该增压注水泵的特点：

1）注水系统选用交流永磁伺服电机来驱动，在控制柜控制下按需要实现精确控制，大大提高了工作效率，使整个系统变得高效节能；

2）螺杆泵运行转速可调，泵的出口压力可随泵的级数增加而增加，吸入性能良好，流量均匀连续，振动小，噪音低；

3）采用立式布置增压注水，整体装置占地面积小，维护简单，操作方便安全；

4）整个装置机动性强，安装移置方便，受外界气候环境影响小，且高压位于井下，安全可靠。

3 螺杆式增压注水泵主要部件设计选型

1）电动机。根据流量及压力需求，计算电动机转速范围，确定电动机型号，本系统采用交流永磁式同步电机，该类型的电机具有结构简单，体积小，重量轻，损耗小，效率高的特点。

2）万向联轴器。系统选择十字双万向联轴器，可大大减小系统运转引起的动载荷，十字万向联轴器采用整体式叉头，使运载更具可靠性，结构紧凑，传动效率高,噪声低，使用寿命长，维修保养方便。

3）螺杆泵。螺杆泵类型是该系统的核心，通过对比发现，双螺杆泵结构具有更优的工作性能。单从结构上而言，双螺杆泵是外啮合的螺杆泵，它利用相互啮合，互不接触的两根螺杆来抽送液体，双螺杆泵独特的结构使它可以实现无搅拌、无脉动、平稳的输送各种介质，由于泵体结构保证泵的工作元件内始终存有泵送液体作为密封液体，因此双螺杆泵有很强的自吸能力，且能汽液混输，双螺杆泵的特殊设计还保证了泵有高的吸入性能即很小的NPSHr值。

4）轴承。根据系统工作特点，拟选择圆锥滚子轴承来对轴向力进行平衡，由于泵在工作时会产生很大的轴向力以及些许径向力，选择圆锥滚子轴承对称布置，在很大程度上减小了系统的轴向力；同时选择外置轴承结构，在这种情况下双螺杆泵则是工作腔同轴承分开，这种泵的结构和螺杆间存在侧间隙，独立润滑的外置轴承允许其输送各种非润滑性介质。此外，调整同步齿轮使得螺杆不接触，同时将输出扭矩的一半传给从动螺杆；外置轴承式双螺杆泵具有自吸能力，而且多数泵输送元件本身都是双吸对称布置，可消除轴向力，也有很大的吸高。

4 结论

1）实验表明，将螺杆泵应用到注水工艺过程是极为可行而且有意义的。通过现场试验发现，增压注水螺杆泵能够满足注水井的配注要求，流量和压力都能满足实际需要，但是也存在一些问题，该增压注水泵在工作时，存在很大的振动冲击现象，需要考虑对电机和泵的固定及密封方式的选择，避免系统松动不安全和注水时漏失严重的发生。

2）为满足实际配注压力，流量等要求，需要对螺杆泵核心部件螺杆转子进行结构优化设计与分析，实现螺杆转子结构优化和参数选择，合理对电机和泵的密封方式进行选择，最后达到泵整体工作性能的提升，这也是作者后续研究的主要工作。

3）该注水系统主要解决的是欠注油井的压力需求，为分布零散的高压井和一些低渗透油藏在注水工艺上提供了一种新思路，极大丰富了增压注水泵类型，而且整个注水泵系统在研究与使用过程中也将会不断向轻量化，智能化方向发展。