高压小排量单螺杆泵在海上平台稠油热采中的适用性研究

高压小排量单螺杆泵在海上平台稠油热采中的适用性研究

李宁1   王通2   田文尧1   高建华1   付治军1

1、广东南油服务有限公司

2、中海油田服务股份有限公司

摘要：海上稠油热采目前已在中海油海上平台拉开序幕，而射流泵是目前海上稠油热采的主力举升方式，针对柱塞泵作为射流泵地面动力液增压泵存在设备噪音大、占地面积大、配套工艺流程复杂等的问题，相比单螺杆泵具有噪音小、振动低、无脉动、对输送介质不敏感、易维护等多种优势。因此本文提出了单螺杆泵作为地面动力液增加泵的方案。同时根据动力液增加泵的设计要求，模拟单螺杆工作时压差要求，进行了试验分析。试验表明：当输出频率为50HZ时，压差为6.2MPa时，输出流量为8.5m3/h；同时对其振动、噪音进行检测：当频率为50HZ时，最大噪音为87dB；当频率为40HZ时，最大振动为3.2mm/s。根据国际标准ISO 2372-1974《评价机器振动的基础》中对此判定为正常工作状态。为高压小排量单螺杆泵代替柱塞泵成为射流泵地面动力液增压泵提供了可靠依据。

关键词：稠油热采；单螺杆泵；频率；压差；振动；噪音

Abstract: Offshore heavy oil thermal recovery has been kicked off on CNOOC offshore platform, and jet pump is currently the main lifting method of offshore heavy oil heat recovery, aiming at the plunger pump as a jet pump ground power fluid booster pump has the problems of large equipment noise, large footprint, complex supporting process flow, etc., compared with the progressing cavity pump has a variety of advantages such as low noise, low vibration, no pulsation, insensitive to the conveying medium, easy to maintain, etc. Therefore, this paper proposes a progressing cavity pump as a ground power fluid increase pump. At the same time, according to the design requirements of the power fluid increase pump, the pressure difference requirements of the single screw are simulated, and the test analysis is carried out. The test shows that when the output frequency is 50HZ and the pressure difference is 6.2MPa, the output flow is 8.5m3/h; At the same time, its vibration and noise are detected: when the frequency is 50HZ, the maximum noise is 87dB; When the frequency is 40HZ, the maximum vibration is 3.2mm/s. According to the international standard ISO 2372-1974 "Basis for evaluating machine vibration", it is judged to be in normal working condition. It provides a reliable basis for high-pressure and small-displacement progressing cavity pump to replace the plunger pump as a jet pump ground power fluid booster pump.

Keywords: Heavy oil thermal recovery; Progressing cavity pump; Frequency; Pressure; Vibration;Noises

1. 引言

通常把地下粘度大于50MPa.s的原油叫做稠油[1]，目前国内海上油田相继开展了稠油热采工艺，相比于陆地油田，海上稠油具有埋藏深、粘度范围广、边底水活跃等特点，目前已探明的海上稠油埋深超过900米的储量占93%，已发现的最高地层原油粘度可达53203MPa.s，由于海上平台存在天然的局限性，因此陆上成熟的热采技术在海上无法实现，目前海上稠油热采的举升工艺包括：高温电潜泵注采一体化举升工艺、电潜泵注采两趟管柱举升工艺、射流泵注采一体化举升工艺[2]。其中高温电潜泵注采一体化举升工艺受电机及电缆耐温性能差等原因正处于研发阶段，电潜泵注采两趟管柱举升工艺由于作业费用高、作业周期长，在海上稠油热采的应用也受到了一定的限制。相较于前两种热采举升工艺，射流泵具有耐温高、适用粘度范围广、作业费用低等特点[3]，目前已在海上平台大范围推广应用。

2. 射流泵注采一体化工艺流程及存在的问题

2.1射流泵注采一体化工艺流程

射流泵是利用高压流体经过喷嘴节流后，其速度增加，压能降低，从而在喷嘴端面形成负压区，产生抽吸作用并将井底的液体举升到地面[4]。目前海上射流泵注采一体化举升工艺由井下管柱系统和地面工艺系统两部分组成[5]，其中地面工艺系统由井口采油树、动力液供给系统、动力液增压泵和流程管线系统组成，其工作流程图如下所示。

图1：射流泵注采一体化工艺流程图

2.2动力液增压泵存在的问题

柱塞泵是目前主要的射流泵地面动力液增压泵[6-8]，其通过电机驱动曲轴箱带动柱塞泵实现增压，整体满足海上射流泵热采井生产要求。鉴于柱塞泵的工作原理及组成特点，其在海上某平台现场试验时，存在设备噪音大、占地面积大、配套工艺流程复杂等问题，在一定程度上限制了射流泵注采一体化工艺在设备集中、空间狭小平台上的应用。另外，在品质欠佳动力液的影响下，柱塞泵盘根、阀体等易损件更换频繁，大幅增加了停泵频次及维保工作量，影响了注采一体化井的生产时率。因此，为进一步提升动力液增压设备对海上热采井的适用性，保障射流泵高效采出，需要开展射流泵注采一体化动力液小型化增压工艺系统设计。

3. 单螺杆泵增压优势

单螺杆泵具有噪音小、振动低、无脉动、易维护等多种优势，同时对介质中的气体和杂物不敏感，能长期可靠的输送含颗粒物较大的污泥和污水，与柱塞泵相比单螺杆泵具有一下优势[13]：噪音小；振动低，基本无脉动；占地面积小；对输送介质不敏感。因此提出使用单螺杆泵代替柱塞泵的方案，并进行试验验证确定单螺杆泵作为动力液泵的可靠性。

图2 单螺杆泵示意图

4. 高压小排量单螺杆泵设计方案

4.1工况条件

以海上某油田的射流泵注采一体化工艺要求为指导，经调研该平台以地层水作为动力液泵的水源，要求地面动力液泵能满足以下技术参数：

由于该平台为老旧平台，甲板面积有限，目前能用于放置动力液增压泵的区域为中层甲板上公用气储罐旁的区域。

4.2总体方案设计

为充分利用海上平台垂直空间、减少甲板占用面积，满足现场安装条件，我们选用立式单螺杆泵作为该项目的设计方案，结合现场调研尺寸，初步制定了两种方案：电机在顶部和电机在底部。

图3 立式单螺杆泵设计方案

考虑机组的稳定性及可维护性，电机在底部要优于电机在顶部的设计方案，经过综合对比分析，选用电机在底部作为最终设计方案。

4.3定、转子设计

定、转子的尺寸直接决定单螺杆泵的输送排量和压力，现有产品尺寸均不能满足当前工况使用要求，因此需要重新开发设计，单螺杆泵的容积效率按照经验值0.85设计，单级承压按照经验值0.6Mpa设计，定、转子的关键尺寸如下图所示：

图4 定、转子剖视图

设计参数如下所示：

流量校核：Q=4*e*T*n*60*10-9*η=9.65m3/h＞8.3m3/h，满足使用要求。

承压能力校核:P=(L/T)*0.6=7.05Mpa＞6.2Mpa，满足使用要求。

5. 高压小排量单螺杆泵试验结果

为高压小排量单螺杆泵在实际工况中使用的可靠性，针对其在工作条件下，需满足在最大压差为6.2MPa时，所需流量为8.3 m3/h的技术要求，进行了试验数据分析。设定螺杆泵电机不同输出频率（20HZ-50HZ）条件下，对螺杆泵的流量、压差、功率、噪音以及振动进行了相关监测。

5.1不同输出频率条件下，流量及压差实验数据结果

当电机不同输出频率（50HZ）条件下，流量、压差、功率及电流变化试验结果如下：

图5 输出频率为50HZ时，压差、流量、功率及电流变化

试验表明：流量与压差成反比，最大输出流为10.4m3/h；流量与输出频率、功率及电流成正比；当输出频率为50HZ，压差为6.2MPa时，输出流量为8.5m3/h，能够满足动力泵使用需求。

5.2不同压差时，噪音和振动的实验数据结果

针对不同压差条件下，对电机、轴承座以及泵的吸入口的振动情况进行试验：

图6 输出频率为50HZ时，不同压差时，振动的变化

5.3压差6.2MPa时，噪音和振动的实验数据结果

当压差为6.2MPa时，不同频率条件下，对振动、噪音进行的检测：

图7 压差为6.2MPa时，不同频率条件下，振动的变化

图8 压差为6.2MPa时，不同频率条件下，噪音的变化

试验表明：压差与振动成正比；噪音与频率成正比，最大噪音为87dB；但当频率为40HZ时，出现共振现象，振动最大为3.2mm/s。根据国际标准ISO 2372-1974《评价机器振动的基础》中对此判定为正常工作状态。见下表：

A，B，C，D为振动质量级，A表示良好工作状态，B表示正常工作状态，C表示容忍工作状态，D表示不容许工作状态。而设备分类I类表示小型机器，Ⅱ类表示中型机器，Ⅲ类表示大型机器，Ⅳ类表示透平机器，Ⅴ类表示特大型机器。

6. 结论

本文针对海上稠油热采中，射流泵注采一体化工艺流程中地面动力液增压泵采用柱塞泵存在缺陷的情况，为进一步提升动力液增压设备对海上热采井的适用性，保障射流泵高效采出，提出使用高压小排量单螺杆泵代替柱塞泵的方案。

根据现场实际空间安装尺寸以及动力液泵使用技术要求，进行了螺杆泵结构设计，并对新结构螺杆泵进行工况模拟实验。实验表明：输出流量与压差成反比，最大输出流为10.4m3/h；当频率为40HZ时，出现最大振动为3.2mm/s。根据国际标准ISO 2372-1974《评价机器振动的基础》中对此判定为正常工作状态；当输出频率为50HZ，压差为6.2MPa时，输出流量为8.5m3/h，能够满足动力泵使用技术需求。

通过模拟实验，新型结构的高压小排量单螺杆泵能够动力液增加泵的使用技术要求，且本身具有噪音小；振动低，基本无脉动；占地面积小；对输送介质不敏感等优点。能够提升动力液增压设备对海上热采井的适用性，为射流泵高效采出提供可靠保障。

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