收稿日期:2008201228
基金项目：西安石油大学博士科研启动基金(YS290300427) 作者简介：屈文涛(19702)，男，山东临邑人，副教授，博士,2006年博士毕业于西北工业大学，主要研究方向为螺杆水力机
械优化设计及数字仿真,E 2mail :hx991030@163 。
文章编号:100123482(2008)0920021204
屈文涛1，高晓刚1，刘劲松2，徐建宁1，张 彬1
(1.西安石油大学机械工程学院，西安710065;2.陕西西禹高速公路有限公司，西安710016)
摘要：针对螺杆泵使用过程中地面驱动电机功率选择偏高或偏低的问题，对启动过程中螺杆泵的运动特点和受力情况进行分析，提出全面计算抽油杆柱负载扭矩及考虑全压启动加速扭矩系数来选 用电机的方法。以此建立的电机功率计算模型法与根据泵型经验法或仅考虑抽油杆柱的有功扭矩选取电机方法相比较，得到的电机功率平均降低了21.3%，更符合生产实际要求，发挥了螺杆泵采油系统节能降耗的技术经济优势。
关键词：螺杆泵；电机功率；计算模型；负载扭矩中图分类号:TE933.303 文献标识码:A
C alculation of Motor Pow er for Progressive C avity Pump Driven on
Surface and Its Selection
QU Wen 2tao 1,GAO Xiao 2gang 1,L IU Jin 2song 2,XU Jian 2ning 1,ZHAN G Bin 1
(1.S chool of Mechanical Engineering ,X i ’an S hi you University ,X i ’an ,710065;
2.S haanx i X i y u Hi ghw ay Co.,L t d.,X i ’an ,710016)
Abstract :When surface driven progressive cavity p ump (PC p ump )is used ,selection of t he elec 2t ric motor wit h too high or too low power often happens.Performance and stress condition were analyzed in t he process of PC p ump well start up and a met hod for t he selection t he power of t he e 2lect ric motor is int roduced.Loaded torque of rod string is generally calculated and t he accelerate
d coefficient is f ully taken into account in t he met hods.The calculated models of motor power is re 2duced 21.3percent t han t he empirical met hod and more suitable to practical working condition or t he usable torque met hod ,t herefore t he model met hod is of great importance to improve t he tech 2no 2economy benefit s of screw p ump system on saving energy and reducing consumption.K ey w ords :screw p ump ;motor power ;calculation met hod ;load torque
在螺杆泵采油工艺中，合理选择其地面驱动电机功率是提高系统效率、降低采油成本的重要因素之一[1]。在现场应用中，人们普遍按照螺杆泵的泵型来选取电动机，往往造成地面驱动装置配置电机功率偏高，出现“大马拉小车”问题；另有学者[2]仅
考虑抽油杆柱有功扭矩来选取电机，启动短时间就
被烧坏。本文根据螺杆泵抽油杆柱运行情况，通过计算抽油杆和螺杆泵转子的各种负载扭矩及考虑启动加速系数等确定电机功率，能够很好地发挥螺杆泵采油的技术经济优势。
铆压机 2008年第37卷 石油矿场机械 第9期第21页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2008,37(9):21～24
1 启动工况及抽油杆柱运动状态分析
1.1 系统组成及工作原理
地面驱动螺杆泵采油系统由地面驱动部分、井
下泵部分、电控部分、配套工具及其他井下管柱等5部分组成，地面动力带动抽油杆柱旋转，使螺杆泵转子随之一起转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流动。1.2 螺杆泵井启动特点
地面驱动螺杆泵井正常工作时非常平稳，扭矩较小。但是启动扭矩却很大，特别是长时间静止的螺杆泵启动力矩，有时为空载运转力矩的20～30倍，为满载荷工作力矩的2～3倍[3]。启动力矩与螺杆泵密封线长度、转子和定子之间的过盈值、橡胶硬度、工作压力、静止时间以及摩擦面粗糙度有关，过大的启动扭矩可能导致电机启动不了，或造成抽油杆扭断。泵启动瞬间光杆扭矩曲线如图1所示[4]，由图1可看出，启动过程抽油杆存在加速度惯性载荷，泵的定子和转子之间存在静摩擦力，所以抽油杆扭矩大于正常运转的扭矩；当螺杆泵启动后，扭矩下降到正常值
。
图1 泵启动瞬间光杆扭矩曲线
1.3 运动状态分析
根据螺杆泵的工作状态，将运动状态分析划分为3个阶段
js防水涂膜[5]
，如图2所示，第1阶段为加速阶段,
井底的阻力和阻力矩按照平均速度增加；第2阶段为螺杆泵启动阶段，模拟电机启动后，由零转速达到额定转速，随后以匀速旋转，此时，井底螺杆泵所受到的阻力和阻力矩为零；第3阶段为开始工作阶段，模拟抽油杆柱在电机匀速旋转下正常工作，而螺杆泵举升液体的扭矩和轴向力不变。
2 电机功率计算模型的建立
2.1 电机功率模型
驱动抽油杆和螺杆泵旋转的动力来源是地面的电机，因而电机的负载扭矩应该是抽油杆与螺杆泵各种载荷扭矩的代数和，所以，得到电机的负载功
率为
P =
P l
η
=
M max n
9555
η(1)
式中,P l 为光杆的输出功率,kW ;η为电机输出轴至驱动头之间的传动效率，一般其机械效率为80%～92%[2];n 为光杆转速,r/min
。
图2 抽油杆柱运动状态分析曲线
2.2 螺杆泵用异步电机工频启动扭矩校验
异步电机启动沉重的机械设备时，需要进行启
动扭矩校验，如果交流电动机采用工频启动时，则要按下式[6]进行校验
M max ≥kM g
(2)
式中,k 为全压加速启动扭矩系数，一般取115～119;M g 为电机计算负载扭矩,N ·m ;M max 为电机启动时的最大扭矩,N ·m 。2.3 抽油杆柱总负载扭矩
螺杆泵在工作时，抽油杆及转子承受的主要载荷有4种:①泵进出口压差作用在转子上所产生的扭矩(有功扭矩);②抽油杆与井液的摩擦扭矩;③抽油杆柱扶正器和油管的摩擦扭矩;④泵内产生的摩
擦阻力矩。因此可得电机负载扭矩M g 为
M g =M 1+M 2+M 3+M 4
(3)
式中,M 1为泵举升井液所需的扭矩,N ·m ;M 2为克服抽油杆柱与井液摩阻的扭矩,N ·m ;M 3为克服抽油杆柱与油管和扶正器摩擦力所需的扭矩,N ·m ;M 4为克服螺杆泵内转子和定子间的摩擦阻
力距,N ·m 。
3 负载扭矩的计算
3.1 泵举升液的有功扭矩
根据能量相等即机械能等于液体能，可得[7]
M 1=9155
P
n
式中,P 为泵输出功率,P =
100024×36
Q Δ
p ,W ，其中,Q
为理论日产量,m 3/d ;Δp 为泵进出口压差,M Pa 。
那么M 1又可为
·22·石油矿场机械 2008年9月
M 1=11015
Q Δp
n
η(4)
3.2 克服抽油杆柱与井液摩阻的扭矩
利用粘性流体理论，对井筒内液体的物理状态作了一些必要假设后，得出单位长度抽油杆柱在井筒液体中以匀速或匀加速旋转时所受的摩擦力矩计算公式。在计算此扭矩时，以每一根抽油杆柱作为1个计算单元，在此长度的井筒内，井液的粘度取其平均值，然后进行累加，得
M 2=∑n联络柜
i =1πμi ωd 2D 2l i
D 2-d 2=πμωd 2D 2L D 2-d
2
(5)式中,μi 为第i 根抽油杆所在位置油管柱内井液的平均粘度,Pa ·s ;μ为油管内井液的平均粘度,Pa ·s ;D 为油管内径,m ;l i 为抽油杆长度,m ;d 为
抽油杆直径,m ;L 为抽油杆泵挂深度,m ;ω为抽油杆角速度,rad/s ;
3.3 克服抽油杆柱与油管和扶正器摩擦力的扭矩
取每10m 抽油杆作为1个计算单元，将单元顶部以下的抽油杆重加上液柱载荷，取有代表性的井斜角
求出摩擦正压力，再乘以摩擦系数及抽油杆接箍直径或抽油杆在扶正器处的直径，得到克服抽油杆和油管及扶正器之间井斜摩阻的扭矩为
M 3=0.25D 1f ∑k 1
i =1[GL 1i +0177H D b ]sin αi +
01005d f ∑k 1
i =1
[GL 1i l i +0.77H D b l i ]sin αi
(6)
式中,D 1为抽油杆接箍直径,m ;f 为摩擦因数,f =0.1～0.2;G 为抽油杆柱在液体中的重力,N/m ;L 1i
为泵挂深度或抽油杆柱长度,m ;l i 为扶正器长度,
m ;H 为液面高度,m ;D b 为螺杆泵转子直径,m ;αi
为单元内代表性的井斜角,(°
);k 1为斜井段单元个数;k 2为扶正器个数。
3.4 克服螺杆泵转子和定子之间的摩擦阻力矩
螺杆泵在工作时，转子旋转过程中需克服的反扭矩主要包括：转子和定子之间的初始过盈配合所产生的反扭矩；泵定子橡胶在井下高温、高压下膨胀和溶胀所产生的反扭矩。结合二者通过大量试验测试值，经数据回归，给出的经验计算公式[8]为
M 4=9113δ0-n
0.45
+46.5(7)式中,δ0为泵定子和转子之间的初始过盈值，一般在014～017mm 。
总之，根据以上分析，地面驱动螺杆泵电机抽油杆柱带动抽油杆柱在井筒中转动所需要的总扭矩为以上4个反扭矩之和。
4 现场应用实例
长庆采三柳87227井采用地面螺杆泵采油技
术，日产量419m 3/d ，造斜点965121m ，最大井斜角33°，泵挂深度1750m ，转速60r/min ，沉没度200m ，采用H Y 级<2514mm 抗扭抽油杆和<62mm 油管柱，举升介质的平均粘度为10mPa ·s ，选
G LB75250型泵，理论排量Q =1617m 3/d ,k =118,
η=0185。
其他井况略，计算结果如表1。
表1 各种计算得到的电机功率对比
井 号泵挂深度
/m 选用泵型
产液量
/(m 3·d -1)
经验估算功率/kW 有用功计算功率/kW 综合计算功率
/
kW 柳872271750G LB75250 4.918.510.213.9柳772311650G LB752479.822109.215.6柳742451400G LB10024516.3221011.318.1柳352501250G LB12023612.718.510.514.2柳29249
1150
G LB100245
10.8
18.5
11.2
13.8
综上所述,3种不同方法计算得出的电机功率
相互相差一个等级。现场应用发现，考虑综合因素计算的功率才是最合理的。5口试验井根据综合计算功率选用电动机，安装200d 以来运转状况良好，完全满足生产实际要求，选用的电机更符合地面驱动螺杆泵采油系统节能降耗的技术经济效率。
5 结论与建议
1) 本文通过计算杆柱总载荷扭矩来选取电机
功率，考虑了螺杆泵采油系统启动扭矩大的特点，留有加速启动扭矩系数。
2) 通过现场5口井的应用，虽有功扭矩在总
·
知识竞赛系统32· 第37卷 第9期 屈文涛，等：螺杆泵采油系统地面驱动电机功率的计算与选择
载荷扭矩中所占的比例最大，但同时需考虑其他3个载荷扭矩，避免了现场运行短时间电机被烧坏问题，为提高螺杆泵采油系统效率提供了理论基础。
3) 本文采用综合计算功率法选电机，相对于经验法选电机降低了一个等级，更符合螺杆泵采油系统节能降耗的技术经济效率。
4) 建议油田采用具有软启、软停功能的螺杆泵变频控制系统，延长启动时间可降低启动扭矩峰值，有效地解决螺杆泵井启动瞬间扭矩过大可能造成电机启动不了或抽油杆扭断的问题，以降低螺杆泵井生产成本。
花生采摘机
参考文献:
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收稿日期:2008203229
基金项目：中国石油集团公司重点科技项目“辽河滩海海工工程技术研究”
(05B70104)作者简介：王浚璞(19832)，男，四川南充人，硕士研究生，主要从事海洋钢结构的研究,E 2mail :wangjiswpi @126 。
文章编号:100123482(2008)0920024204
基于SACS 的海洋平台疲劳可靠性分析
王浚璞1，艾志久1，李旭志2，姜 巍2
(1.西南石油大学，成都610500;2.中油辽河工程公司，辽宁盘锦124010)
摘要：采用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论对导管架式海洋平台在波浪荷载作用下的疲劳可靠性进行研究。波浪载荷使用Morison 方程计算，并以Sto kes 波浪理论计算水质点速度。平台结构疲劳可靠性分析采用频域分析，假设作用于结构的应力范围服从Rayleigh 分布，用结构应力传递函数和P 2M 波浪谱得到结构的均方根应力值，然后根据Miner 线性累积损伤准则推导出结构疲劳损伤的概率分布函数，从而求得结构在随机波浪作用下导管架的疲劳损伤和使用寿命。分析考虑了波浪对结构疲劳强度影响的随机性。根据此理论使用SACS 软件对辽东湾海域某导管架平台进行了计算，说明了该方法的实用性和简便性。关键词：海洋平台；波浪谱；疲劳分析；可靠性;SACS 中图分类号:TE951 文献标识码:A
F atigue R eliability Analysis of Off shore E ngineering B ased on SACS
WAN G J un 2p u 1,A I Zhi 2jiu 1,L I Xu 2zhi 2,J IAN G Wei 2
(1.S outhwest Pet roleum Universit y ,Cheng du 610500,China;
地锚机2.L iaohe Pet roleum Engineeri ng Co.,L t d.,Panj in 124010,China )
2008年第37卷 石油矿场机械 第9期第24页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2008,37(9):24～27
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