第1章 绪论
石油作为世界的主要能源和重要战略物资，在各国经济、政治、军事生活中占据重要的地位[1]。自20世纪下半叶以来，随着世界经济的快速发展，人类对石油资源的需求呈现井喷式增长，石油工业的发展备受各国重视。我国作为发展中大国，高速发展的经济体系对石油资源的需求日益增大，大量原油被开采，常规原油资源逐渐减少，油田开采中的高含砂井、稠油井、含气井逐渐增多，开发难度加大[2]。为了提高能源利用效率，缓解常规原油短缺的现状，我国的油气资源勘探开发工作已经由内陆逐渐转向沙漠、深海，由浅层常规原油资源向深地层稠油资源推进。
1.1 研究背景
我国的稠油资源丰富且分布广泛，海上油田稠油储量占总地质储量的69%以上，主要分布在我国的渤海湾、东海、南海西部和南海东部等地区[3，4]。其中，渤海地区储量相对较多，已探明原油地质储量约为45亿m3，稠油占比为62% [5]。稠油资源是21世纪的重要能源，因此，合理、经济、有效地开采海洋稠油资源，不但能够缓解我国常规原油短缺的现状，还具有重要的现实和战略意义[6]。
如图1-1所示，现阶段稠油开采*有效的方法是热力采油，其原理是通过加热降低稠油黏度，改善稠油流动性，提高稠油波及系数[7]。常用的稠油热采方法有蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油、火烧油层、注热水采油、电加热等技术[8]。然而，由于受到环境条件、作业空间、操作成本等因素的影响，陆地油田常规热采开发方式和工艺技术在海上稠油的开采应用中受到极大限制，致使其开采难度远远高于陆上[9]。如何低成本并高效地开发这些稠油资源已成为我国石油工业当前面临的严峻挑战[10]。
图1-1 稠油热采示意图
油田开采所使用的机械采油方式主要是杆式泵和电潜离心泵，但随着斜井、水平井及定向井等新技术的应用，稠油井及高含砂、含气井增多，使得现在所使用的杆式泵和电潜离心泵面临诸多问题，如杆式泵的光杆、下行困难和砂卡等现象，电潜离心泵在含气比高的稠油开采中，出现叶片汽蚀现象严重等问题[11]。这些问题的出现使杆式泵和电潜离心泵使用寿命缩短，开采效率降低，开发成本增高，不能满足行业的发展要求。
螺杆泵(progressive cavity pump，PCP)作为一种机械采油设备，具有其他抽油设备所不能替代的优越性[11，12]。螺杆泵工作时仅靠自身定子衬套和转子形成的螺旋密封腔室的体积连续变化来实现液体的抽吸[13]。因其具有能耗低、初始投资小的技术优势以及自吸性能好、流量平稳等离心泵和容积泵的优点，在一般原油井的生产和高黏度、高含砂的稠油井的生产中得到了广泛应用，并且取得了明显的经济效益 [14，15]。
目前，广泛应用于国内外各大油田的螺杆泵采油系统主要有两种：一种是地面驱动螺杆泵采油系统，如图1-2所示；另一种是电动潜油螺杆泵(electrical submersible-motor-driven progressive cavity pump，ESPCP，后文简称螺杆泵)采油系统，如图1-3所示。地面驱动螺杆泵主要采用地面机械驱动方式，通过抽油杆作为挠性轴把动力传递到井下驱动单螺杆泵工作[16]。这种工作方式的缺陷是，抽油杆在不断地扭转下容易出现丝扣损坏、接箍松脱，甚至断杆等故障，特别是在下泵较深、负荷较大的井中更为严重。另外，在斜井、水平井、定向井的开采中，抽油杆损坏和抽油杆与油管偏磨会造成漏失问题。
图1-2 地面驱动螺杆泵采油示意图 图1-3 电动潜油螺杆泵采油示意图
螺杆泵采油系统与地面驱动螺杆泵采油系统属于同一个家族，二者的区别在于螺杆泵的动力系统从地面移至井下，同时省去了抽油杆及其配套装置，所以整个系统的组成结构较地面驱动型螺杆泵更加简单，能够彻底解决因存在抽油杆而带来的脱扣、断杆及偏磨等问题，同时减少了抽油杆传递的功率损耗。螺杆泵采油系统可以分成动力系统、传动系统、执行系统、控制系统、配套工具以及井下管柱6个部分[17]。井下机组部分是整个系统的主要机组，由螺杆泵、保护器、减速器和潜油电机组成。螺杆泵动力系统通过地面控制端经潜油电缆将原动力传送至潜油电机，潜油电机旋转驱动螺杆泵工作，原油随着螺杆腔室的运动不断从井下深处输运到地面，从而实现举升功能。由于螺杆泵结合了螺杆泵和电潜离心泵的优点和长处，因此能有效解决存在于斜井、水平井、定向井和深井中的原油举升难题，而且比杆式泵和电潜离心泵更为经济和高效，更适用于海上油田生产[18，19]。
尽管螺杆泵的优点很多，但在采油的可靠性、稳定性及配套工艺技术的完善程度方面还存在许多不足。现场数据的统计分析表明，在实际使用过程中，橡胶衬套的先期损坏(图1 4)是影响螺杆泵使用寿命和工作性能的主要原因之一。目前，在稠油热采中使用螺杆泵存在的主要问题如下：
(1)井底高温环境、定转子之间的大摩擦扭矩等导致定子橡胶温升过快或散热不均，容易引起脱胶、橡胶断裂、橡胶溶胀卡泵和烧泵等事故[20]；
(2)产液中含砂量高、粒径大容易引起螺杆泵定子、转子的磨损；
(3)螺杆泵转子做偏心行星运动，会引起一定的震动，井下机组结构复杂、工作环境恶劣，使得整个机组综合故障率较高[21]。
图1-4 定子橡胶衬套损坏实物图
因此，深入探究稠油热采中螺杆泵的损伤机理，提高其使用寿命，从而研制出具有国际竞争力的长寿命、耐高温、高效率的螺杆泵，对于推动我国油气资源的开发具有重大的工程意义。
1.2 螺杆泵的结构特点及工作原理
1.2.1 内部结构
螺杆泵作为一种单螺杆式水利机械，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用[22]。螺杆泵的实物如图1-5所示。其主要工作部件是螺杆(转子)和定子衬套，螺杆和定子衬套是两个互相啮合的螺旋体，转子在定子衬套内部做行星运动。定子多是由丁腈橡胶硫化黏结在钢套内壁上形成的，螺杆转子多用合金钢材料制成，并且在精加工后的表面进行抛光和镀铬处理以提高螺杆强度和表面的光滑度[23]。
图1-5 螺杆泵实物图
图1-6给出了螺杆的结构示意图。由图可知，螺杆的任意断面都是半径为R的圆，所有断面的中心O1均位于螺旋线上且与螺杆本身的轴线O2-Z相距一个偏心距e，整个螺杆的形状可以看作由端部的一个半径为R、圆心距轴线为e的极薄圆盘绕轴线O2-Z做螺距为t的螺旋运动而形成的。
图1-6 螺杆结构示意图
定子衬套的断面内轮廓是由长度为4e的两个直线段和半径为R(等于螺杆断面直径)的两个半圆组成的，如图1-7所示。衬套的内表面是由上述断面绕衬套本身的轴线(也称作螺杆泵轴线)O-Z做导程T=2t的螺旋运动所形成的空间双线螺旋面。
图1-7 定子衬套结构示意图
1.2.2 工作原理
单螺杆泵属于转子式容积泵，螺杆是其主要的运动件。当螺杆泵输运油液时，螺杆相当于螺旋输送机的螺旋桨(图1-8)，密封腔室中的油液受到螺杆棱线转动时产生的推挤作用，将会沿着衬套轴线方向前移。
图1-8 单螺杆泵的作用原理
为了便于理解，本书分别从静态和动态两个方面对螺杆泵的工作原理进行表达。图1-9上部展示了某一时刻，一个定子导程T内衬套-螺杆副所形成的密封腔沿衬套轴线方向的变化图。螺杆转子在衬套内部做行星运动时，同一时刻沿着衬套轴线L方向转子在衬套内部处于不同的位置，它们的接触点也是不同的。当且仅当螺杆断面位于定子衬套长圆形断面的两端(即L为0、t和2t)时，二者的接触部分为半圆弧线，而在其他位置时，螺杆和衬套的接触部分仅有a、b两点。螺杆泵工作时，由于螺杆转子运动的连续性，在螺杆外表面和衬套内螺旋面的接触部位形成的接触点就构成了空间密封线，沿着螺杆泵轴线，二者间连续地啮合形成多个密封腔室。这些密封腔容积不变地做匀速轴向运动，被输运的油液从吸入端经衬套-螺杆副输送到压出端，流过密封腔室的油液在输运过程中不会受到搅动和破坏[23，24]。
图1-9 衬套-螺杆转子副的密封腔室变化过程
图1-9下部描述了螺杆旋转一周时，靠近吸入端的密封腔横截面内轮廓变化过程。螺杆转动角度Φ从0°到180°时，第一个腔室的容积逐渐增加，形成负压，在它和吸入端的压差作用下，油液被吸入第一个腔室，此时第一个腔室容积达到*大。随着螺杆的继续转动，即Φ从180°到360°时，这个充满油液的腔室开始封闭，并沿着衬套轴线方向将油液推压至排出端，与此同时，下部的密封腔室开始产生负压，吸入油液。随着螺杆在衬套中的持续转动，上下两个密封腔室交替循环地吸入和排出油液，并在螺杆泵轴线方向形成了稳定的环空螺旋流动，实现了机械能和液体能的相互转化，从而实现举升[25]。
1.2.3 螺杆泵的特点
从上述工作原理可以看出，螺杆泵有以下特点：
(1)压力和流量范围宽；
(2)运送液体的种类和黏度范围宽广；
(3)泵内的回转部件惯性力较低，可使用较高的转速；
(4)吸入性能好，具有自吸能力；
(5)流量均匀连续，振动小、噪声低；
(6)对流入的气体和污染物敏感性较低，对液体黏度变化敏感性较高；
(7)结构坚实，安装维护容易；
(8)螺杆加工和装配要求较高。
1.3 螺杆泵的分类
螺杆泵按螺杆数量分为3种类型：
(1)单螺杆泵，即单根螺杆在泵体的内螺纹槽中啮合转动的泵；
(2)双螺杆泵，即由两根螺杆相互啮合输送液体的泵；
(3)三螺杆泵，即由三根螺杆相互啮合输送液体的泵。
表1-1从螺杆泵的结构、特点、性能参数、应用场合4个方面详细分析了单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵之间的区别，以及各自的优缺点、应用场合。
表1-1 3种类型螺杆泵性能特点对比
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