我国稠油资源丰富,海洋油田已探明的稠油储量占总地质储量的69%,具有良好的开发前景。然而海洋油气藏环境复杂,常规热采方式及工艺技术应用受限,而螺杆泵在稠油开采中显示出了其独特的优势,倍受国内外各大油田关注。电潜螺杆泵结合螺杆泵和电潜离心泵二者的优点,是目前海洋稠油开采中比较理想的井筒举升技术。然而海洋油气藏环境复杂,井下高温高压以及产液中含砂等因素会导致螺杆泵定子衬套温升过快及磨损加剧,容易引起橡胶磨损断裂、脱胶、腐蚀以及过热,导致螺杆泵过早失效。因此,有必要进行稠油开采工况下电潜螺杆泵定子衬套失效机理研究工作。针对上述问题,本文以双头单螺杆泵为研究对象,综合利用热力学、材料力学、摩擦学、制造工艺学、材料学等领域的相关知识和最新成果,采用试验研究、理论研究与数值模拟分析研究相结合的分析方法,完成了稠油开采工况下电潜螺杆泵定子衬套的失效机理研究工作。主要完成的研究内容如下:(1)基于采油螺杆泵的工作特性,设计出高温稠油环境中螺杆泵定子橡胶(丁腈橡胶)与转子的摩擦磨损试验。利用采油螺杆泵运动学的分析方法和计算公式确定实验环境下螺杆泵的转速和施加载荷范围,研究转速、砂粒浓度以及载荷对橡胶摩擦系数及磨损量的影响规律。利用电子显微镜(SEM)观察摩擦磨损试验后橡胶的表面形貌,分析橡胶的摩擦磨损行为,进而得出高温含砂稠油工况下橡胶的摩擦磨损失效机理。(2)采用单轴拉伸试验仪器,完成螺杆泵定子橡胶—丁腈橡胶的拉伸试验工作。对测得的试验数据进行处理,将工程应力应变转化为真实的应力应变,然后进行应变能函数拟合,完成所选用橡胶本构模型—两参数Mooney-Rivlin模型的系数以及橡胶弹性模量的确定工作。(3)以采油双头单螺杆泵为研究对象,依据采油螺杆泵定转子几何物理特性,建立螺杆泵定子衬套工作时的物理模型,基于采油螺杆泵定子橡胶滞后生热机理,建立螺杆泵定子热力耦合数学模型,利用ANSYS15.0有限元分析软件,研究工作参数、结构参数、材料参数等因素对两种类型的衬套橡胶因滞后生热造成的温升影响规律,进而总结出螺杆泵定子衬套的热失效机理。(4)以G25—1型采油螺杆泵为试验对象,采用红外热像仪仪器,在实验室环境中,观察工作中的采油螺杆泵定子橡胶衬套的生热过程以及热集聚效应,并研究转速对生热过程及热集聚效应的影响规律,进一步完善采油螺杆泵定子衬套的热失效机理。研究发现:橡胶摩擦系数随着转速的增大先增大后减小,随着载荷的增大而减小,随着含砂量的增大先增大后减小;橡胶的磨损量随着转速、载荷和含砂量的增大而增大;橡胶的磨损失效表现为磨粒磨损、疲劳磨损和侵蚀磨损。橡胶衬套的温升随着过盈量和工作压差的增大而呈非线性增大,随着转速的增大呈线性增大,随着摩擦系数、橡胶硬度和泊松比的增大而呈非线性减小,等壁厚定子衬套的耐热性高于常规定子衬套。橡胶衬套的热失效表现形式为:烧心、烧泵和脱胶失效。其中,过盈量、转速、衬套类型对橡胶衬套温升影响较大,是造成橡胶衬套热失效的主要因素,在螺杆泵设计以及选型上要多做关注。橡胶衬套的温升随着转子转速的增大而呈线性增大,橡胶衬套温升最快的区域在橡胶衬套较厚部位的中心附近,试验结果与仿真分析结果相符合。本文采用理论、试验和数值模拟分析相结合的方法,深入研究了稠油开采工况下电潜螺杆泵的摩擦磨损失效机理和热失效机理,为电潜螺杆泵的设计、工作参数的选取以及选型提供一定的参考准则和实际依据,有助于我国海洋稠油的开发工作。