螺桿泵井偏磨原因分析及治理措施

蔣文婧 （中石油大慶油田有限責任公司鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江 大慶 163000）

作為一種新的舉升方式，螺桿泵具有其他抽油設備不能替代的優越性［1］。但螺桿泵配套工藝技術的完善程度與常規的機采方式相比還存在一定差距。隨著螺桿泵技術的發展及用量逐漸增多，也暴露出了一些問題。螺桿泵井由于偏磨導致桿斷、管漏，已成為直接或間接造成螺桿泵檢泵的主要原因。為延長螺桿泵井的檢泵周期，必須對偏磨現象進行研究和系統分析，找到有效的防治措施。

1 螺桿泵井偏磨狀況

統計檢泵的78口井中，由于偏磨造成桿斷或管漏檢泵的井36口 （見表1），占檢泵井總數的46.2%，可見偏磨已成為直接或間接造成螺桿泵檢泵的主要原因之一。對發生偏磨的井從以下幾個方面進行統計分析。

表1 桿管發生偏磨情況統計表

1.1 偏磨部位

從偏磨部位看，偏磨段多在中下部，且越往下偏磨越嚴重 （見表1）。

1.2 桿的結構

從桿的結構看，偏磨檢泵的36口井中24口為空心驅動桿，占空心桿總數的20.87%，12口為實心驅動桿，占實心桿總數的6.86%，空心桿偏磨幾率遠遠大于實心桿。

1.3 扶正器的布置

從扶正器的布置看，各種扶正器布置的井均產生偏磨現象，說明安裝扶正器并不能避免偏磨，但安裝扶正器的桿未磨或磨損較輕，未安裝的桿發生偏磨。嚴重偏磨的井，即使偏磨段有扶正器，桿箍和桿體同樣發生偏磨。

1.4 抽汲參數

從抽汲參數看，螺桿泵的平均轉速為112r／min，36口偏磨井平均轉速135r／min。

1.5 偏磨現象

從偏磨現象看，一是桿接觸管壁一側偏磨，將管體磨出裂縫；二是桿在管壁上呈圓周磨損；三是有的井桿接箍磨損，但桿體未磨損。

2 偏磨原因分析

要找到防治偏磨的有效對策，首先必須對偏磨的原因進行研究，下面主要從桿柱和管柱2方面對偏磨原因進行剖析。

2.1 桿柱偏磨因素

抽油桿柱是螺桿泵井下的主要轉動件，其動態狀況是螺桿泵抽油理論的基礎，因此必須從桿受力的角度分析桿柱偏磨的原因［2］。筆者主要分析拉 （壓）應力和離心慣性力。

1）拉 （壓）應力作用 按照現用的管柱結構，桿柱所受的拉 （壓）應力：

式中，F為在任意深度x處桿柱所受拉力，N；Fa為桿柱在下端點處轉子上端所受力方向向下的力，N；Ff為桿柱在下端點處所受力方向向上的力，N；m為單位長度抽油桿的質量，kg／m；g為重力加速度，m／s2；L為下泵深度，m；x為某點距地面的高度，m；e為偏心距，mm；D為轉子橫截面直徑，mm；Ph為環空動液面泵入口的液柱靜壓，MPa；d為抽油桿外徑，mm；ΔP為泵吸入口與排出端的壓差，MPa；P為任一截面的壓力，此處為螺桿泵的出口壓力，MPa。

桿柱所受的拉應力存在一種中性點，即F＝0。F＞0，桿柱受拉，F＜0，桿柱受壓。當油井的流壓和套壓較高時，泵的舉升壓力ΔP小，Ff將變大，桿柱所在的位置越深，桿柱所受的F越小。對于空心桿外徑大于實心桿，會增大泵的出口壓力，增大泵自身對扶正器和桿柱的舉升力，由式 （1）計算F值也就小于實心桿。把桿柱看成一端固定，一端自由的壓桿，其臨界力Pcr為：

式中，E為壓桿材料的彈性模量；I為壓桿橫截面對中性軸的慣性矩，N·m；L為壓桿的長度，m。

當F＜0且∣F∣＞Pcr時，桿柱就會失穩，產生彎曲。因此偏磨段常常在中下部，出現空心桿比實心桿偏磨幾率高的現象。某井為GLB500型螺桿泵，使用?25實心桿，套壓0.3MPa，油壓0.6MPa，偏心距9.46mm，轉子直徑34.6mm，其失穩臨界點在784m，桿柱將在784m以下彎曲。

2）離心慣性力作用 由于桿柱質量中心偏離井筒幾何中心，在旋轉過程中，質量偏心所產生的離心慣性力使桿柱發生彎曲，當彎曲撓度達到管桿徑向間隙時，將發生摩擦［3］。

圖1為桿彎曲與油管摩擦示意圖。桿柱軸向力隨井深減小，在橫向力作用下桿柱彎曲，同時桿柱會產生彈性恢復力，兩者平衡的情況下，桿柱彎曲中心線以穩定的弓形面繞井筒軸線公轉，桿柱橫截面以穩定的轉速自轉，即可認為桿柱中心線的弓形面將以地面轉速繞井筒中心線旋轉（圖1）。此時檢泵發現桿在管壁上呈圓周磨損的痕跡。

圖1 桿彎曲與油管摩擦示意圖

由離心慣性力所引起的彎矩為：

式中，Mw1為由慣性力引起的彎矩，N·m；n為轉速，r／min；ΔL為相鄰2扶正器間的一段抽油桿的長度，m；a為與撓曲線變形方程有關的系數。

從式（3）看出，螺桿泵工作時，離心慣性力所引起的彎矩與轉速n和2扶正器的間距ΔL的平方成正比。以某井為例，計算不同轉速，扶正器間距的彎矩值，如表2所示。可以看出，轉速和扶正器間距對彎矩影響大。當轉速較高，不安裝扶正器或扶正器布置較少時，離心慣性力引起的彎矩也就隨之增加，導致桿柱彎曲，增加偏磨幾率。

表2 不同轉速、扶正器間距的彎矩

2.2 管柱偏磨因素

常用的管柱底部螺桿泵定子下端的錨定工具是支撐卡瓦，當油管座封時，整個管柱受壓，扭力由支撐卡瓦承受，作用在套管上［4］。油管承受的拉 （壓）力除油管自重外，在頂部還附加了壓力Fj，管柱在重力Fg和Fj的壓力下，使管柱發生彎曲。

將油管簡化為一端固定，另一端自由的細長桿建立數學模型計算油管管柱彎曲變形。當管柱在重力Fg和Ff的作用下，所受壓力超過失穩臨界力Pcr時，油管柱失穩發生彎曲。抽油桿摩擦油管的情況取決于油管的幾何尺寸和失穩程度，油管失穩后，彎曲比直井嚴重，抽油桿磨損油管也越嚴重。

3 螺桿泵井偏磨的治理

3.1 完善抽油桿扶正器

1）扶正器的布置 由于40%以上的井都發生偏磨，安裝扶正器的部位偏磨情況有所減輕，但在未安裝扶正器的部位仍然偏磨。鑒于這種情況，對發現偏磨的井全井下扶正器。

2）扶正器的改進 在偏磨發生段，安裝扶正器的桿接箍未磨或磨損輕微，未安裝的桿接箍發生偏磨，另外由于桿柱與扶正器間的旋轉作用，每根桿的上接箍處都有不同程度的磨損。為防止桿管之間的偏磨以及桿和扶正器之間因來回旋轉而產生的磨損，在眾多種類的扶正器中，可防串限位式扶正器結構較為合理，目前正在應用的扭卡式快裝扶正器過流通道較大，但不能防止串動，有效保護接箍。因此，必須對扶正器進行限位。對實心錐螺紋桿限位是采用扭卡式防串扶正器，或安裝扶正短接，對空心桿，采用摩擦焊接墩出限位箍防止其串動，在限位段直接安裝扭卡式扶正器，既有效地保護了接箍，又有效地防止了桿接箍的磨損。

3.2 合理的抽汲參數

對泵實行降級使用，借檢泵時機換大一級泵，降低轉速，使螺桿泵在中、低速運行，在滿足供排需求的前提下，使轉速降到最低，有效減輕和防止桿管偏磨，減少桿管斷脫、偏磨幾率。表3給出了各種泵型螺桿泵井合理的轉速范圍及所對應的實際排量。統計借檢泵換大泵25口井，平均轉速由143r／min下降到122r／min，通過換大泵，調整參數更好的抑制了桿管的偏磨現象。

表3 泵型合理的轉速范圍對應的實際排量

3.3 不壓井油管錨現場試驗

為解決支撐卡瓦坐封時壓油管頭后油管彎曲的問題，在部分井進行了液壓坐封式油管錨和翻板式防轉錨試驗。液壓坐封式油管錨采用打壓坐封，卡瓦成功釋放后，管柱處于拉伸狀態，解決了壓油管頭后油管彎曲產生偏磨的問題。翻板式油管錨生產時管柱處于自由下垂懸掛狀態，油管的工作狀態得到改善。

3.4 加強管體檢測

檢泵時，對發現偏磨的井，必須投球打壓、驗油管、管體檢測，最大限度的避免不合格的油管下井。

3.5 確保資料準確

下泵時，泵型的選擇都是根據井的正常產量、液面情況，即地層的供液能力確定的，如這些數據不夠準確，泵型選擇偏小，不但影響產量，調高轉速后，勢必加重偏磨。為使液面檢測準確，井口必須具備定壓放氣功能，做到定壓放氣，將套壓控制在0.8MPa以內。冬季必須安裝防凍壓力表。

4 結論與認識

1）離心慣性力引起的彎矩與轉速的平方成正比，低轉速可有效減輕偏磨。

2）對全井扶正雖然可較好的防止偏磨，但會增大摩擦阻力和扭矩，扶正器的布置還需要作進一步的研究。通過扶正器的限位，對防止桿箍的偏磨具有一定的效果。

3）不壓井油管錨解決了油管受壓彎曲的問題，但有缺陷，有待進一步試驗。

4）要徹底解決螺桿泵井的偏磨問題，應實現無油桿采油，嘗試使用電潛式螺桿泵。

［1］韓修廷，王秀玲，焦振強 .螺桿泵采油原理及應用 ［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998.

［2］北京科技大學，東北大學 .工程力學 （運動學和動力學）（1997年修訂版）［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［3］祝慶遠 ，王民軒 .螺桿泵采油油管柱彎曲對抽油桿柱的影響 ［J］.石油機械，2000（10）：38－39.

［4］張勝利，崔金榜 .地面驅動螺桿泵錨定裝置及受力分析 ［J］.石油機械，1998（5）：22－25.