CN112412778A - 潜油直驱专用螺杆泵 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及井下油液举升技术领域，具体涉及一种潜油直驱专用螺杆泵，其包括动力单元、定子和转子，其中：定子包括筒体和模压在筒体内壁、由高弹性合成橡胶制成的伸缩体，伸缩体内设置有挤压腔，筒体和伸缩体上对应设置有第一进油孔和第二进油孔；在动力单元的驱动下转子可转动地安装于挤压腔内，转子的外部设有螺旋结构的作用部，作用部与挤压腔的初始过盈量为‑1.5mm‑0.5mm；转子的转速为50rpm‑500rpm。本发明实施例的有益效果为：即减小初始过盈值或提高间隙量，大幅降低启动扭矩，解决潜油直驱螺杆泵启不动的问题，同时提高转速弥补漏失量大容积效率低的现象；同时降低了伸缩体的变形量，避免其变形过大影响其使用寿命。

Description

潜油直驱专用螺杆泵

技术领域

本发明涉及井下油液举升技术领域，具体涉及一种潜油直驱专用螺杆泵。

背景技术

井下螺杆泵由转子和定子组成，转子是螺杆泵中唯一的运动部件，它是由高强度钢经精加工及表面镀铬而成；定子是在钢管的内模(内壁)压高弹性合成橡胶而成，根据不同的应用场合有多种橡胶类型。由于转子与定子配合时形成一系列相互隔开的密闭腔，当转子转动时，密闭腔沿轴向由吸入端向排出端运移，在排出端消失，同时吸入端形成新的密闭腔，其中腔内所盛满的液体也就随着封闭腔的运移由吸入端推挤到排出端。这种封闭腔的不断形成、运移、消失，起到了泵送液体的作用。

潜油直驱螺杆泵技术对螺杆泵提出了新的要求，目前的井下螺杆泵难以满足其要求，运行时间短，主要出现的问题是因潜油永磁电机等驱动部分在井下，空间受限，潜油永磁电机所能提供的扭矩受限，螺杆泵的启动扭矩必须降低在(潜油永磁电机的)启动扭矩以下，并留有一定的富余量，而目前所有的井下螺杆泵设计额定转速较低(50-150rpm)，为保证容积效率减小漏失量，定子与转子为过盈配合(由于启动转速低，为了保证流量要求，过盈量较大，高弹性合成橡胶变形量大，影响了其使用寿命)，且启动扭矩都较大，在潜油直驱螺杆泵举升工艺下难以启动，定子橡胶浸没在油井中还会发生一定的溶胀，致使启动更加困难。

为了匹配应用潜油直驱螺杆泵技术，必须研发和设计一种潜油直驱专用螺杆泵，解决以上问题。

发明内容

为了解决上述问题，即为了解决井下空间受限、潜油永磁电机所能提供的扭矩受限、由高弹性合成橡胶制成的伸缩体变形量大使用寿命短的问题，本发明实施例提供了一种潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，包括动力单元、定子和转子，其中：

所述定子包括筒体和模压在所述筒体内壁、由高弹性合成橡胶制成的伸缩体，所述伸缩体内设置有供所述转子穿过、双螺旋结构的挤压腔122；

在所述动力单元的驱动下所述转子在所述定子的横截面内可转动地安装于所述挤压腔内，所述转子的外部设有螺旋结构的作用部，所述作用部与所述挤压腔的初始过盈量为-1.5mm-0.5mm；

所述转子的转速为50rpm-500rpm。

进一步的，所述筒体由金属制成。

进一步的，所述作用于与所述伸缩体之间的摩擦力矩为M_fr为：

M_fr＝f_rK(δ+δ₀) (1)

式(1)中：M_fr——定、转子间的摩擦扭矩，单位为N·m；f_r——定、转子间的摩擦系数；K——定子橡胶的刚度，单位为N/m；δ——定子橡胶在井下条件的膨胀容量，单位为m；δ₀——定子橡胶和转子的初始过盈量，单位为m；

在所述挤压腔的任一横截面内，油液占有的面积为

4e×2R＝8eR＝4eD (2)

所述转子每转动一周所述潜油直驱专用单螺杆泵的排量q为：

q＝4eDT×10^-9 (3)

所述潜油直驱专用单螺杆泵的理论排量为

Q₁＝1440×4eDT×10^-7 (4)

式(2)、式(3)和式(4)中，Q₁—泵的理论排量，m³/d(100rpm)；q—螺杆泵(转子)每转一周的理论排量，m³；e—泵的偏心距，现有结构的单螺杆泵偏心距；D—螺杆泵转子直径，D＝2R，(R为螺杆泵转子半径)，mm；T—定子导程，T＝2t，(t为螺距)，mm；n—螺杆泵转子转速，r/min。计算泵的额定理论排量时，转速通常取100r/min；

所述潜油直驱专用单螺杆泵的实际排量为：

Q＝Q₁·η＝4eDTnη/60 (5)

式(5)中，η—单螺杆泵的容积效率，％。

优选的，所述转子的转速为50rpm。

优选的，所述转子的转速为500rpm。

优选的，所述转子的转速为275rpm。

优选的，所述挤压腔的初始过盈量为-1.5mm。

优选的，所述挤压腔的初始过盈量为0.5mm。

优选的，所述挤压腔的初始过盈量为-0.5mm。

本发明实施例的有益效果为：

在同等规格螺杆泵和同等排量需求下，可以降低定转子初始过盈量或提高定转子间隙量使容积效率降低，同时提高转速(转速50-500rpm)实现相同的排量效果。因此本发明的核心理念即减小初始过盈值或提高间隙量，大幅降低启动扭矩，解决潜油直驱螺杆泵启不动的问题，同时提高转速弥补漏失量大容积效率低的现象。

附图说明

图1为潜油直驱专用单螺杆泵一实施例的剖视结构示意图。

图中：

11、筒体；111、进液口；112、出液口；12、伸缩体；121、挤压腔；

2、转子；21、作用部；

3、动力单元。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

参见图1，本发明实施例涉及的螺杆泵为渐进式容积泵，按螺杆的头数可分为单头和多头，电潜螺杆泵在油气田常用单头螺杆泵，即转子为单螺旋，定子为双螺旋(空间啮合理论决定)。

本发明螺杆泵优化了定转子初始过盈量，减小了摩擦扭矩，公认的螺杆泵摩擦扭矩M_fr的计算式为

M_fr＝f_rK(δ+δ₀) (1)

式中：

M_fr——定、转子间的摩擦扭矩，N·m

f_r——定、转子间的摩擦系数，

K——定子橡胶的刚度，N/m

δ——定子橡胶在井下条件的膨胀容量，m

δ₀——定子橡胶和转子的初始过盈量，m

从公式(1)上可以看出，降低定转子的初始过盈量可以显著的降低摩擦扭矩，使潜油直驱螺杆泵系统更容易启动。

但降低过盈也有一定限度，需要和转速匹配，保证要求的举升排量和扬程。当螺杆泵旋转一周(2π)时，封闭腔中的油液将沿Z轴(螺杆泵几何中心线)移动的距离为T＝2t，(t为螺距)。在任意横截面内，油液占有的面积为衬套截面积与螺杆截面积之差，即：

4e×2R＝8eR＝4eD (2)

因此螺杆每转一周，泵的排量q为

q＝4eDT×10^-9 (3)

泵的理论排量即：

Q₁＝1440×4eDT×10^-7 (4)

式(2)、式(3)和式(4)中Q₁—泵的理论排量，m³/d(100rpm)；

q—螺杆泵(转子)每转一周的理论排量，m³；

e—泵的偏心距，现有结构的单螺杆泵偏心距；

D—螺杆泵转子直径，D＝2R，(R为螺杆泵转子半径)，mm；

T—定子导程，T＝2t，(t为螺距)，mm；

n—螺杆泵转子转速，r/min。计算泵的额定理论排量时，转速通常取100r/min。

单螺杆泵的实际排量为：

Q＝Q₁·η＝4eDTnη/60 (5)

式(5)中，η—单螺杆泵的容积效率，％。因设计时定转子的过盈值或间隙值不同影响容积效率。

从公式(5)上可以看出，在同等规格螺杆泵和同等排量需求下，可以降低定转子初始过盈量或提高定转子间隙量使容积效率降低，同时提高转速(转速50-500rpm)实现相同的排量效果。因此本发明的核心理念即减小初始过盈值或提高间隙量，大幅降低启动扭矩，解决潜油直驱螺杆泵启不动的问题，同时提高转速弥补漏失量大容积效率低的现象。

具体地，其包括动力单元3、定子1和转子2，其中：

所述定子包括筒体11和模压在所述筒体内壁、由高弹性合成橡胶制成的伸缩体12，所述伸缩体内设置有供所述转子穿过、双螺旋结构的挤压腔122泵的吸入口为进液口111，进液口的相反端为排液口112；

在所述动力单元的驱动下所述转子在所述定子的横截面内可转动地安装于所述挤压腔内，所述转子的外部设有螺旋结构的作用部21，所述作用部与所述挤压腔的初始过盈量为-1.5mm-0.5mm；

所述转子的转速为50rpm-500rpm。

在螺杆泵提高转子偏心运行转速的情况下，会造成快速的磨损和较大振动，降低使用寿命，因此本发明进一步采用长导程低偏心的设计。螺旋型线与现有螺杆泵相比，导程加长至1.2～2倍，偏心距减小至2～6mm，使单个定转子导程形成的密封腔体体积不变，即泵的标称型号不变，具体尺寸与实际设计泵型有关，其偏心减小，大幅度降低震动。

常规设计泵型如某知名品牌ST4.0泵型，转子直径φ29mm，定子直径φ28.9mm，过盈0.1mm，导程91mm，偏心3mm，本发明设计方案的4.0泵型，转子直径φ20.7mm，定子直径φ20.85mm，间隙0.15mm，偏心2.1mm，导程180mm。

本发明涉及的螺杆泵其举升油液的原理与普通螺杆泵相同，但泵系统的突出特点是减小定、转子初始过盈量，在高速运转条件下，泵容积效率和单级承压不受影响，摩擦扭矩降低易启动，摩檫磨损小寿命长，从而提高了泵的系统工作可靠性，尤其是在电潜直驱螺杆泵系统功率受限、启动扭矩较低的条件下，优势更加突出。

综上，在不改变螺杆泵组成和原理的情况下，通过设计脱离常规尺寸要求的定转子，解决了潜油直驱螺杆泵应用中出现的问题，实现了一种适用于潜油直驱螺杆泵举升系统专用的高转速、易启动、振动小的螺杆泵。

伸缩体2由模具注胶(高弹性合成橡胶)硫化制成，然后与金属材料制成的筒体21通过铆钉和粘接固定，然后与相配套的转子1配合，转子在定子内做行星运动可以完成介质的吸入与排出。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，包括动力单元、定子和转子，其中：

所述定子包括筒体和模压在所述筒体内壁、由高弹性合成橡胶制成的伸缩体，所述伸缩体内设置有供所述转子穿过、双螺旋结构的挤压腔；

在所述动力单元的驱动下所述转子在所述定子的横截面内可转动地安装于所述挤压腔内，所述转子的外部设有螺旋结构的作用部，所述作用部与所述挤压腔的初始过盈量为-1.5mm-0.5mm；

所述转子的转速为50rpm-500rpm。

2.根据权利要求1所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，所述筒体由金属制成。

3.根据权利要求2所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，所述作用于与所述伸缩体之间的摩擦力矩为M_fr为：

M_fr＝f_rK(δ+δ₀) (1)

式(1)中：M_fr——定、转子间的摩擦扭矩，单位为N·m；f_r——定、转子间的摩擦系数；K——定子橡胶的刚度，单位为N/m；δ——定子橡胶在井下条件的膨胀容量，单位为m；δ₀——定子橡胶和转子的初始过盈量，单位为m；

在所述挤压腔的任一横截面内，油液占有的面积为

4e×2R＝8eR＝4eD (2)

所述转子每转动一周所述潜油直驱专用单螺杆泵的排量q为：

q＝4eDT×10^-9 (3)

所述潜油直驱专用单螺杆泵的理论排量为

Q₁＝1440×4eDT×10^-7 (4)

式(2)、式(3)和式(4)中，Q₁—泵的理论排量，m³/d(100rpm)；q—螺杆泵(转子)每转一周的理论排量，m³；e—泵的偏心距，现有结构的单螺杆泵偏心距；D—螺杆泵转子直径，D＝2R，(R为螺杆泵转子半径)，mm；T—定子导程，T＝2t，(t为螺距)，mm；n—螺杆泵转子转速，r/min。计算泵的额定理论排量时，转速通常取100r/min；

所述潜油直驱专用单螺杆泵的实际排量为：

Q＝Q₁·η＝4eDTnη/60 (5)

式(5)中，η—单螺杆泵的容积效率，％。

4.根据权利要求1所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，所述转子的转速为50rpm。

5.根据权利要求1所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，所述转子的转速为500rpm。

6.根据权利要求1所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，所述转子的转速为275rpm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，其特征在于，所述挤压腔的初始过盈量为-1.5mm。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，其特征在于，所述挤压腔的初始过盈量为0.5mm。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的潜油直驱专用单螺杆泵，其特征在于，其特征在于，所述挤压腔的初始过盈量为-0.5mm。

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