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采油螺桿泵的仿真與模擬技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030696922
- 條形碼：9787030696922 ; 978-7-03-069692-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類(lèi)：>
采油螺桿泵的仿真與模擬技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)基于采油螺桿泵的工作原理，對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度探索了螺桿泵襯套和轉(zhuǎn)子之間的相互作用；完成了轉(zhuǎn)子和橡膠襯套間的摩擦磨損試驗(yàn)，分析了橡膠磨損的影響因素和襯套表面損傷機(jī)理；通過(guò)橡膠材料的拉伸試驗(yàn)，分析了環(huán)境溫度對(duì)橡膠材料性能的影響，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了不同采油環(huán)境溫度下的橡膠本構(gòu)模型常數(shù)；采用有限元法對(duì)比分析了常規(guī)襯套和等壁厚襯套在初始裝配工況下的密封性能、均勻壓力作用下的變形規(guī)律、壓差作用下的磨損情況，熱源作用下的熱膨脹行為。
采油螺桿泵的仿真與模擬技術(shù) 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 螺桿泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 3
1.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3
1.2.2 工作原理 4
1.2.3 螺桿泵的特點(diǎn) 6
1.3 螺桿泵的分類(lèi) 6
1.4 螺桿泵的發(fā)展概述 7
1.4.1 國(guó)外發(fā)展 7
1.4.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展 8
1.4.3 研究現(xiàn)狀 10
第2章 螺桿泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 12
2.1 螺桿泵的螺桿型線方程 12
2.1.1 基本概念 12
2.1.2 定轉(zhuǎn)子骨線方程 13
2.1.3 等距線型線方程 15
2.2 螺桿泵運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 16
2.2.1 轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn) 16
2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)子在定子襯套內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 17
2.2.3 螺桿轉(zhuǎn)子外表面上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及與襯套嚙合處速度分析 19
2.3 三維模型的建立 20
2.3.1 定子與轉(zhuǎn)子三維模型的建立 20
2.3.2 定子與轉(zhuǎn)子裝配體的建立 21
2.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型的建立 22
2.4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 22
2.4.2 SolidWorks Motion概述 22
2.4.3 運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn) 23
2.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析 24
2.5.1 轉(zhuǎn)子固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性分析 24
2.5.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析 24
2.5.3 運(yùn)動(dòng)速度和加速度分析 24
2.6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響 27
第3章 高溫稠油中橡膠單軸拉伸試驗(yàn) 29
3.1 橡膠材料特性 29
3.1.1 定子橡膠材料性能 29
3.1.2 橡膠摩擦磨損特性 29
3.2 單軸拉伸試驗(yàn) 30
3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?30
3.2.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備 30
3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 31
3.3.1 耐疲勞破壞性能變化規(guī)律 31
3.3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律 32
3.3.3 彈性模量變化規(guī)律 33
3.4 橡膠本構(gòu)模型的確定 34
3.4.1 橡膠的本構(gòu)關(guān)系理論 34
3.4.2 定子橡膠的本構(gòu)模型 35
3.4.3 本構(gòu)模型常數(shù)的確定 36
第4章 螺桿泵定轉(zhuǎn)子摩擦磨損試驗(yàn) 39
4.1 橡膠磨損理論概述 39
4.2 非線性理論 40
4.2.1 材料非線性 40
4.2.2 幾何非線性 40
4.2.3 接觸非線性 42
4.3 摩擦磨損試驗(yàn) 43
4.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?43
4.3.2 試驗(yàn)設(shè)備 43
4.3.3 試驗(yàn)介質(zhì)及試件 46
4.3.4 試驗(yàn)流程 47
4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析 49
4.4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響 49
4.4.2 載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響 49
4.4.3 含砂量對(duì)摩擦因數(shù)以及磨損量的影響 50
4.4.4 橡膠磨損表面形貌分析 51
4.5 磨損機(jī)理分析 52
第5章 螺桿泵定子襯套有限元模型 53
5.1 有限元法及ANSYS分析軟件簡(jiǎn)介 53
5.1.1 有限元法 53
5.1.2 ANSYS有限元分析軟件 55
5.2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建 56
5.2.1 兩種壁厚的螺桿泵定子 56
5.2.2 有限元計(jì)算模型 57
5.2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證 60
5.3 初始裝配時(shí)的密封性能分析 61
第6章 螺桿泵定子襯套磨損分析 62
6.1 常規(guī)厚螺桿泵的接觸分析 62
6.1.1 常規(guī)厚螺桿泵模型 62
6.1.2 摩擦因數(shù)和過(guò)盈量對(duì)定子襯套磨損的影響 63
6.1.3 工作壓差對(duì)定子襯套磨損的影響 64
6.2 等壁厚螺桿泵的接觸分析 65
6.2.1 等壁厚螺桿泵模型 65
6.2.2 過(guò)盈量對(duì)定子襯套磨損的影響 66
6.2.3 摩擦因數(shù)對(duì)定子襯套磨損的影響 67
第7章 螺桿泵定子襯套力學(xué)性能分析 69
7.1 均勻內(nèi)壓作用下的穩(wěn)定性分析 69
7.1.1 襯套穩(wěn)定性能分析 69
7.1.2 壓力對(duì)襯套穩(wěn)定性能的影響 72
7.1.3 溫度對(duì)襯套穩(wěn)定性能的影響 73
7.2 非均勻內(nèi)壓作用下的接觸分析 74
7.2.1 襯套接觸情況分析 74
7.2.2 摩擦因數(shù)和過(guò)盈量對(duì)接觸的影響 76
7.2.3 工作壓力對(duì)接觸的影響 78
7.3 熱源作用下的熱膨脹分析 78
7.3.1 單一熱源作用 79
7.3.2 聯(lián)合熱源作用 80
第8章 定子襯套生熱過(guò)程及熱積聚效應(yīng)試驗(yàn) 82
8.1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的 82
8.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容 82
8.1.2 試驗(yàn)?zāi)康?82
8.2 試驗(yàn)設(shè)備及材料 82
8.3 試驗(yàn)過(guò)程 84
8.4 試驗(yàn)結(jié)果 86
8.4.1 生熱過(guò)程及熱積聚效應(yīng) 86
8.4.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)定子襯套溫升影響規(guī)律 88
第9章 螺桿泵熱力耦合場(chǎng)分析 90
9.1 熱力耦合場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型 90
9.1.1 熱源分析 90
9.1.2 滯后生熱有限元分析法 91
9.1.3 襯套生熱數(shù)學(xué)模型 91
9.1.4 溫度場(chǎng)有限元分析 92
9.2 均勻溫度場(chǎng)下襯套溫度應(yīng)力應(yīng)變分析 93
9.2.1 常規(guī)定子襯套二維和三維求解結(jié)果對(duì)比分析 93
9.2.2 兩種類(lèi)型的定子襯套熱力耦合求解結(jié)果 94
9.3 非均勻溫度場(chǎng)下襯套溫度應(yīng)力應(yīng)變分析 96
9.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 97
9.3.2 過(guò)盈量對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 99
9.3.3 摩擦因數(shù)對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 100
9.3.4 邵氏硬度對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 101
9.3.5 橡膠泊松比對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 103
9.3.6 工作壓差對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 104
9.4 試驗(yàn)仿真對(duì)比 105
第10章 結(jié)論 106
參考文獻(xiàn) 109
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 螺桿泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 3
1.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3
1.2.2 工作原理 4
1.2.3 螺桿泵的特點(diǎn) 6
1.3 螺桿泵的分類(lèi) 6
1.4 螺桿泵的發(fā)展概述 7
1.4.1 國(guó)外發(fā)展 7
1.4.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展 8
1.4.3 研究現(xiàn)狀 10
第2章 螺桿泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 12
2.1 螺桿泵的螺桿型線方程 12
2.1.1 基本概念 12
2.1.2 定轉(zhuǎn)子骨線方程 13
2.1.3 等距線型線方程 15
2.2 螺桿泵運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 16
2.2.1 轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn) 16
2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)子在定子襯套內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 17
2.2.3 螺桿轉(zhuǎn)子外表面上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及與襯套嚙合處速度分析 19
2.3 三維模型的建立 20
2.3.1 定子與轉(zhuǎn)子三維模型的建立 20
2.3.2 定子與轉(zhuǎn)子裝配體的建立 21
2.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型的建立 22
2.4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 22
2.4.2 SolidWorks Motion概述 22
2.4.3 運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn) 23
2.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析 24
2.5.1 轉(zhuǎn)子固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性分析 24
2.5.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析 24
2.5.3 運(yùn)動(dòng)速度和加速度分析 24
2.6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響 27
第3章 高溫稠油中橡膠單軸拉伸試驗(yàn) 29
3.1 橡膠材料特性 29
3.1.1 定子橡膠材料性能 29
3.1.2 橡膠摩擦磨損特性 29
3.2 單軸拉伸試驗(yàn) 30
3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?30
3.2.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備 30
3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 31
3.3.1 耐疲勞破壞性能變化規(guī)律 31
3.3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律 32
3.3.3 彈性模量變化規(guī)律 33
3.4 橡膠本構(gòu)模型的確定 34
3.4.1 橡膠的本構(gòu)關(guān)系理論 34
3.4.2 定子橡膠的本構(gòu)模型 35
3.4.3 本構(gòu)模型常數(shù)的確定 36
第4章 螺桿泵定轉(zhuǎn)子摩擦磨損試驗(yàn) 39
4.1 橡膠磨損理論概述 39
4.2 非線性理論 40
4.2.1 材料非線性 40
4.2.2 幾何非線性 40
4.2.3 接觸非線性 42
4.3 摩擦磨損試驗(yàn) 43
4.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?43
4.3.2 試驗(yàn)設(shè)備 43
4.3.3 試驗(yàn)介質(zhì)及試件 46
4.3.4 試驗(yàn)流程 47
4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析 49
4.4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響 49
4.4.2 載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響 49
4.4.3 含砂量對(duì)摩擦因數(shù)以及磨損量的影響 50
4.4.4 橡膠磨損表面形貌分析 51
4.5 磨損機(jī)理分析 52
第5章 螺桿泵定子襯套有限元模型 53
5.1 有限元法及ANSYS分析軟件簡(jiǎn)介 53
5.1.1 有限元法 53
5.1.2 ANSYS有限元分析軟件 55
5.2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建 56
5.2.1 兩種壁厚的螺桿泵定子 56
5.2.2 有限元計(jì)算模型 57
5.2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證 60
5.3 初始裝配時(shí)的密封性能分析 61
第6章 螺桿泵定子襯套磨損分析 62
6.1 常規(guī)厚螺桿泵的接觸分析 62
6.1.1 常規(guī)厚螺桿泵模型 62
6.1.2 摩擦因數(shù)和過(guò)盈量對(duì)定子襯套磨損的影響 63
6.1.3 工作壓差對(duì)定子襯套磨損的影響 64
6.2 等壁厚螺桿泵的接觸分析 65
6.2.1 等壁厚螺桿泵模型 65
6.2.2 過(guò)盈量對(duì)定子襯套磨損的影響 66
6.2.3 摩擦因數(shù)對(duì)定子襯套磨損的影響 67
第7章 螺桿泵定子襯套力學(xué)性能分析 69
7.1 均勻內(nèi)壓作用下的穩(wěn)定性分析 69
7.1.1 襯套穩(wěn)定性能分析 69
7.1.2 壓力對(duì)襯套穩(wěn)定性能的影響 72
7.1.3 溫度對(duì)襯套穩(wěn)定性能的影響 73
7.2 非均勻內(nèi)壓作用下的接觸分析 74
7.2.1 襯套接觸情況分析 74
7.2.2 摩擦因數(shù)和過(guò)盈量對(duì)接觸的影響 76
7.2.3 工作壓力對(duì)接觸的影響 78
7.3 熱源作用下的熱膨脹分析 78
7.3.1 單一熱源作用 79
7.3.2 聯(lián)合熱源作用 80
第8章 定子襯套生熱過(guò)程及熱積聚效應(yīng)試驗(yàn) 82
8.1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的 82
8.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容 82
8.1.2 試驗(yàn)?zāi)康?82
8.2 試驗(yàn)設(shè)備及材料 82
8.3 試驗(yàn)過(guò)程 84
8.4 試驗(yàn)結(jié)果 86
8.4.1 生熱過(guò)程及熱積聚效應(yīng) 86
8.4.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)定子襯套溫升影響規(guī)律 88
第9章 螺桿泵熱力耦合場(chǎng)分析 90
9.1 熱力耦合場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型 90
9.1.1 熱源分析 90
9.1.2 滯后生熱有限元分析法 91
9.1.3 襯套生熱數(shù)學(xué)模型 91
9.1.4 溫度場(chǎng)有限元分析 92
9.2 均勻溫度場(chǎng)下襯套溫度應(yīng)力應(yīng)變分析 93
9.2.1 常規(guī)定子襯套二維和三維求解結(jié)果對(duì)比分析 93
9.2.2 兩種類(lèi)型的定子襯套熱力耦合求解結(jié)果 94
9.3 非均勻溫度場(chǎng)下襯套溫度應(yīng)力應(yīng)變分析 96
9.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 97
9.3.2 過(guò)盈量對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 99
9.3.3 摩擦因數(shù)對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 100
9.3.4 邵氏硬度對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 101
9.3.5 橡膠泊松比對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 103
9.3.6 工作壓差對(duì)定子襯套熱力耦合場(chǎng)的影響 104
9.4 試驗(yàn)仿真對(duì)比 105
第10章 結(jié)論 106
參考文獻(xiàn) 109
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采油螺桿泵的仿真與模擬技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 石油作為世界的主要能源和重要戰(zhàn)略物資，在各國(guó)經(jīng)濟(jì)、政治、軍事生活中占據(jù)重要的地位[1]。自20世紀(jì)下半葉以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)石油資源的需求呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，石油工業(yè)的發(fā)展備受各國(guó)重視。我國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)，高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系對(duì)石油資源的需求日益增大，大量原油被開(kāi)采，常規(guī)原油資源逐漸減少，油田開(kāi)采中的高含砂井、稠油井、含氣井逐漸增多，開(kāi)發(fā)難度加大[2]。為了提高能源利用效率，緩解常規(guī)原油短缺的現(xiàn)狀，我國(guó)的油氣資源勘探開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)由內(nèi)陸逐漸轉(zhuǎn)向沙漠、深海，由淺層常規(guī)原油資源向深地層稠油資源推進(jìn)。 1.1 研究背景 我國(guó)的稠油資源豐富且分布廣泛，海上油田稠油儲(chǔ)量占總地質(zhì)儲(chǔ)量的69%以上，主要分布在我國(guó)的渤海灣、東海、南海西部和南海東部等地區(qū)[3，4]。其中，渤海地區(qū)儲(chǔ)量相對(duì)較多，已探明原油地質(zhì)儲(chǔ)量約為45億m3，稠油占比為62% [5]。稠油資源是21世紀(jì)的重要能源，因此，合理、經(jīng)濟(jì)、有效地開(kāi)采海洋稠油資源，不但能夠緩解我國(guó)常規(guī)原油短缺的現(xiàn)狀，還具有重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義[6]。 如圖1-1所示，現(xiàn)階段稠油開(kāi)采*有效的方法是熱力采油，其原理是通過(guò)加熱降低稠油黏度，改善稠油流動(dòng)性，提高稠油波及系數(shù)[7]。常用的稠油熱采方法有蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油、火燒油層、注熱水采油、電加熱等技術(shù)[8]。然而，由于受到環(huán)境條件、作業(yè)空間、操作成本等因素的影響，陸地油田常規(guī)熱采開(kāi)發(fā)方式和工藝技術(shù)在海上稠油的開(kāi)采應(yīng)用中受到極大限制，致使其開(kāi)采難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上[9]。如何低成本并高效地開(kāi)發(fā)這些稠油資源已成為我國(guó)石油工業(yè)當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[10]。 圖1-1 稠油熱采示意圖 油田開(kāi)采所使用的機(jī)械采油方式主要是桿式泵和電潛離心泵，但隨著斜井、水平井及定向井等新技術(shù)的應(yīng)用，稠油井及高含砂、含氣井增多，使得現(xiàn)在所使用的桿式泵和電潛離心泵面臨諸多問(wèn)題，如桿式泵的光桿、下行困難和砂卡等現(xiàn)象，電潛離心泵在含氣比高的稠油開(kāi)采中，出現(xiàn)葉片汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題[11]。這些問(wèn)題的出現(xiàn)使桿式泵和電潛離心泵使用壽命縮短，開(kāi)采效率降低，開(kāi)發(fā)成本增高，不能滿足行業(yè)的發(fā)展要求。 螺桿泵(progressive cavity pump，PCP)作為一種機(jī)械采油設(shè)備，具有其他抽油設(shè)備所不能替代的優(yōu)越性[11，12]。螺桿泵工作時(shí)僅靠自身定子襯套和轉(zhuǎn)子形成的螺旋密封腔室的體積連續(xù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的抽吸[13]。因其具有能耗低、初始投資小的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及自吸性能好、流量平穩(wěn)等離心泵和容積泵的優(yōu)點(diǎn)，在一般原油井的生產(chǎn)和高黏度、高含砂的稠油井的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，并且取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益 [14，15]。 目前，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各大油田的螺桿泵采油系統(tǒng)主要有兩種：一種是地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)，如圖1-2所示；另一種是電動(dòng)潛油螺桿泵(electrical submersible-motor-driven progressive cavity pump，ESPCP，后文簡(jiǎn)稱螺桿泵)采油系統(tǒng)，如圖1-3所示。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵主要采用地面機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)抽油桿作為撓性軸把動(dòng)力傳遞到井下驅(qū)動(dòng)單螺桿泵工作[16]。這種工作方式的缺陷是，抽油桿在不斷地扭轉(zhuǎn)下容易出現(xiàn)絲扣損壞、接箍松脫，甚至斷桿等故障，特別是在下泵較深、負(fù)荷較大的井中更為嚴(yán)重。另外，在斜井、水平井、定向井的開(kāi)采中，抽油桿損壞和抽油桿與油管偏磨會(huì)造成漏失問(wèn)題。 圖1-2 地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油示意圖 圖1-3 電動(dòng)潛油螺桿泵采油示意圖 螺桿泵采油系統(tǒng)與地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)屬于同一個(gè)家族，二者的區(qū)別在于螺桿泵的動(dòng)力系統(tǒng)從地面移至井下，同時(shí)省去了抽油桿及其配套裝置，所以整個(gè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較地面驅(qū)動(dòng)型螺桿泵更加簡(jiǎn)單，能夠徹底解決因存在抽油桿而帶來(lái)的脫扣、斷桿及偏磨等問(wèn)題，同時(shí)減少了抽油桿傳遞的功率損耗。螺桿泵采油系統(tǒng)可以分成動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配套工具以及井下管柱6個(gè)部分[17]。井下機(jī)組部分是整個(gè)系統(tǒng)的主要機(jī)組，由螺桿泵、保護(hù)器、減速器和潛油電機(jī)組成。螺桿泵動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)地面控制端經(jīng)潛油電纜將原動(dòng)力傳送至潛油電機(jī)，潛油電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作，原油隨著螺桿腔室的運(yùn)動(dòng)不斷從井下深處輸運(yùn)到地面，從而實(shí)現(xiàn)舉升功能。由于螺桿泵結(jié)合了螺桿泵和電潛離心泵的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，因此能有效解決存在于斜井、水平井、定向井和深井中的原油舉升難題，而且比桿式泵和電潛離心泵更為經(jīng)濟(jì)和高效，更適用于海上油田生產(chǎn)[18，19]。 盡管螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)很多，但在采油的可靠性、穩(wěn)定性及配套工藝技術(shù)的完善程度方面還存在許多不足。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，在實(shí)際使用過(guò)程中，橡膠襯套的先期損壞(圖1 4)是影響螺桿泵使用壽命和工作性能的主要原因之一。目前，在稠油熱采中使用螺桿泵存在的主要問(wèn)題如下： (1)井底高溫環(huán)境、定轉(zhuǎn)子之間的大摩擦扭矩等導(dǎo)致定子橡膠溫升過(guò)快或散熱不均，容易引起脫膠、橡膠斷裂、橡膠溶脹卡泵和燒泵等事故[20]； (2)產(chǎn)液中含砂量高、粒徑大容易引起螺桿泵定子、轉(zhuǎn)子的磨損； (3)螺桿泵轉(zhuǎn)子做偏心行星運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起一定的震動(dòng)，井下機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，使得整個(gè)機(jī)組綜合故障率較高[21]。 圖1-4 定子橡膠襯套損壞實(shí)物圖 因此，深入探究稠油熱采中螺桿泵的損傷機(jī)理，提高其使用壽命，從而研制出具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的長(zhǎng)壽命、耐高溫、高效率的螺桿泵，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)油氣資源的開(kāi)發(fā)具有重大的工程意義。 1.2 螺桿泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 1.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 螺桿泵作為一種單螺桿式水利機(jī)械，是擺線內(nèi)嚙合螺旋齒輪副的一種應(yīng)用[22]。螺桿泵的實(shí)物如圖1-5所示。其主要工作部件是螺桿(轉(zhuǎn)子)和定子襯套，螺桿和定子襯套是兩個(gè)互相嚙合的螺旋體，轉(zhuǎn)子在定子襯套內(nèi)部做行星運(yùn)動(dòng)。定子多是由丁腈橡膠硫化黏結(jié)在鋼套內(nèi)壁上形成的，螺桿轉(zhuǎn)子多用合金鋼材料制成，并且在精加工后的表面進(jìn)行拋光和鍍鉻處理以提高螺桿強(qiáng)度和表面的光滑度[23]。 圖1-5 螺桿泵實(shí)物圖 圖1-6給出了螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，螺桿的任意斷面都是半徑為R的圓，所有斷面的中心O1均位于螺旋線上且與螺桿本身的軸線O2-Z相距一個(gè)偏心距e，整個(gè)螺桿的形狀可以看作由端部的一個(gè)半徑為R、圓心距軸線為e的極薄圓盤(pán)繞軸線O2-Z做螺距為t的螺旋運(yùn)動(dòng)而形成的。 圖1-6 螺桿結(jié)構(gòu)示意圖 定子襯套的斷面內(nèi)輪廓是由長(zhǎng)度為4e的兩個(gè)直線段和半徑為R(等于螺桿斷面直徑)的兩個(gè)半圓組成的，如圖1-7所示。襯套的內(nèi)表面是由上述斷面繞襯套本身的軸線(也稱作螺桿泵軸線)O-Z做導(dǎo)程T=2t的螺旋運(yùn)動(dòng)所形成的空間雙線螺旋面。 圖1-7 定子襯套結(jié)構(gòu)示意圖 1.2.2 工作原理 單螺桿泵屬于轉(zhuǎn)子式容積泵，螺桿是其主要的運(yùn)動(dòng)件。當(dāng)螺桿泵輸運(yùn)油液時(shí)，螺桿相當(dāng)于螺旋輸送機(jī)的螺旋槳(圖1-8)，密封腔室中的油液受到螺桿棱線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推擠作用，將會(huì)沿著襯套軸線方向前移。 圖1-8 單螺桿泵的作用原理 為了便于理解，本書(shū)分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面對(duì)螺桿泵的工作原理進(jìn)行表達(dá)。圖1-9上部展示了某一時(shí)刻，一個(gè)定子導(dǎo)程T內(nèi)襯套-螺桿副所形成的密封腔沿襯套軸線方向的變化圖。螺桿轉(zhuǎn)子在襯套內(nèi)部做行星運(yùn)動(dòng)時(shí)，同一時(shí)刻沿著襯套軸線L方向轉(zhuǎn)子在襯套內(nèi)部處于不同的位置，它們的接觸點(diǎn)也是不同的。當(dāng)且僅當(dāng)螺桿斷面位于定子襯套長(zhǎng)圓形斷面的兩端(即L為0、t和2t)時(shí)，二者的接觸部分為半圓弧線，而在其他位置時(shí)，螺桿和襯套的接觸部分僅有a、b兩點(diǎn)。螺桿泵工作時(shí)，由于螺桿轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，在螺桿外表面和襯套內(nèi)螺旋面的接觸部位形成的接觸點(diǎn)就構(gòu)成了空間密封線，沿著螺桿泵軸線，二者間連續(xù)地嚙合形成多個(gè)密封腔室。這些密封腔容積不變地做勻速軸向運(yùn)動(dòng)，被輸運(yùn)的油液從吸入端經(jīng)襯套-螺桿副輸送到壓出端，流過(guò)密封腔室的油液在輸運(yùn)過(guò)程中不會(huì)受到攪動(dòng)和破壞[23，24]。 圖1-9 襯套-螺桿轉(zhuǎn)子副的密封腔室變化過(guò)程 圖1-9下部描述了螺桿旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，靠近吸入端的密封腔橫截面內(nèi)輪廓變化過(guò)程。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度Φ從0°到180°時(shí)，**個(gè)腔室的容積逐漸增加，形成負(fù)壓，在它和吸入端的壓差作用下，油液被吸入**個(gè)腔室，此時(shí)**個(gè)腔室容積達(dá)到*大。隨著螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，即Φ從180°到360°時(shí)，這個(gè)充滿油液的腔室開(kāi)始封閉，并沿著襯套軸線方向?qū)⒂鸵和茐褐僚懦龆耍c此同時(shí)，下部的密封腔室開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)壓，吸入油液。隨著螺桿在襯套中的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，上下兩個(gè)密封腔室交替循環(huán)地吸入和排出油液，并在螺桿泵軸線方向形成了穩(wěn)定的環(huán)空螺旋流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能和液體能的相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)舉升[25]。 1.2.3 螺桿泵的特點(diǎn) 從上述工作原理可以看出，螺桿泵有以下特點(diǎn)： (1)壓力和流量范圍寬； (2)運(yùn)送液體的種類(lèi)和黏度范圍寬廣； (3)泵內(nèi)的回轉(zhuǎn)部件慣性力較低，可使用較高的轉(zhuǎn)速； (4)吸入性能好，具有自吸能力； (5)流量均勻連續(xù)，振動(dòng)小、噪聲低； (6)對(duì)流入的氣體和污染物敏感性較低，對(duì)液體黏度變化敏感性較高； (7)結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，安裝維護(hù)容易； (8)螺桿加工和裝配要求較高。 1.3 螺桿泵的分類(lèi) 螺桿泵按螺桿數(shù)量分為3種類(lèi)型： (1)單螺桿泵，即單根螺桿在泵體的內(nèi)螺紋槽中嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)的泵； (2)雙螺桿泵，即由兩根螺桿相互嚙合輸送液體的泵； (3)三螺桿泵，即由三根螺桿相互嚙合輸送液體的泵。 表1-1從螺桿泵的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、性能參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合4個(gè)方面詳細(xì)分析了單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵之間的區(qū)別，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合。 表1-1 3種類(lèi)型螺桿泵性能特點(diǎn)對(duì)比
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