螺桿泵井桿柱失效診斷及應對措施

楊曉影 高紅楓 蔡 勇 王 軒 熊 飛

1渤海鉆探井下作業分公司工程地質研究所2青海油田邊遠油田開發公司3青海油田英東采油廠4青海油田采油二廠

螺桿泵井桿柱失效診斷及應對措施

楊曉影1高紅楓2蔡 勇3王 軒4熊 飛4

1渤海鉆探井下作業分公司工程地質研究所2青海油田邊遠油田開發公司3青海油田英東采油廠4青海油田采油二廠

采油螺桿泵廣泛應用于我國各大油田，尤其在低產井和被列為無開采價值的油井上應用后，使其重新獲得了可觀的經濟效益。螺桿泵桿柱失效類型主要分為桿柱斷裂失效，螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效，桿柱、油管偏磨失效三種類型，失效類型產生的原因也各不相同。針對每個抽油井桿柱環境的特殊性，選取適宜的桿柱參數、安裝扶正器和防反轉設備，在井桿柱運行工作中對抽油桿柱安裝過載保護，采用插接式連接機構，改良桿柱連接狀況，提高桿柱的穩定性和持久性，不斷加強施工管理制度完善，可降低防斷脫事故的發生。

螺桿泵；桿柱失效；扶正器；過載保護；桿柱參數

20世紀80年代起，螺桿泵開始用于石油工業的人工舉升作業中，美國的Kois&Myers公司首先制造出用于采油的螺桿泵，并將其作為一種采油新技術在石油行業進行推廣[1]，其廣泛應用于大排量井、重油井、排水采氣和水驅采油生產中。一些技術規范、參數也隨著采油螺桿泵的發展和工程技術人員的研究逐漸豐富起來，使螺桿泵采油向著規模化、標準化方向發展。但是，由于螺桿泵采油技術出現的比較晚，螺桿泵斷脫失效機理研究還不夠完善，螺桿泵在采油工程中發揮其優勢的同時，也出現了一系列的問題，尤其是桿柱失效等故障頻發，威脅了現場作業工人的人身安全，影響了油田的經濟效益。因此，螺桿泵井桿柱失效診斷和預防意義重大。

1 桿柱失效診斷

采油螺桿泵廣泛應用于我國各大油田，尤其在低產井和已被列為無開采價值的油井上應用后，使其重新獲得了可觀的經濟效益。但是隨著我國大部分油田進入開發中后期，深井、斜井、定向井數量不斷增加，螺桿泵桿柱失效問題突出。根據采油螺桿泵的應用實例，桿柱失效類型大概分為三類[2]：①桿柱斷裂失效；②螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效；③桿柱、油管偏磨失效。

1.1 桿柱斷裂失效原因

桿柱斷裂是桿柱失效的常見形式，主要原因如下：

（1）桿柱外徑小，安全系數低。不同于往復泵抽油桿柱，螺桿泵桿柱不僅受到軸向應力作用，而且受到因桿柱扭轉帶來的剪應力作用。另外，高速旋轉的桿柱還可能因桿柱偏心、井斜等造成橫向不穩定運動，彎矩加大。桿柱受力形變復雜，而目前油田生產中應用的抽油桿柱設計方法僅考慮了靜載荷部分，忽略了動載荷，勢必影響安全系數。

（2）桿柱制造缺陷。桿柱在出廠時若存在制造缺陷而未檢出，會在施工現場投入使用時導致工作應力顯著非正常增長，造成桿柱疲勞。并且，井下腐蝕部分會在高速旋轉的桿柱上迅速擴大，使桿柱的承載能力下降，最終造成斷裂。

（3）桿柱異常過載。當螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產時，若在井下產生蠟堵、砂卡等異常，使桿柱旋轉受到抑制，會迅速造成桿柱扭矩過大，使桿柱過載。另外，這些堵塞如果限制了桿柱的軸向運動，還會造成桿柱不規則運動，軸向過載。這些異常情況發生時，桿柱過載保護系統如果不能及時有效的工作，也會導致桿柱斷裂。

1.2 螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效原因

傳統的往復式抽油泵的抽油桿柱結構直接嫁接到螺桿泵，但因為桿柱受力、變形情況都有差異，導致其不能完全適應螺桿泵的工況，螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效故障時有發生。主要原因如下：

（1）高速旋轉的桿柱因桿柱偏心、井斜等造成的橫向不穩定運動使桿柱震動，不穩定震動帶來的剪應力和軸向應力的忽大忽小使螺紋連接出現松弛現象，在預緊力變小時就可能發生螺紋脫扣。

（2）螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產時，若在井下產生蠟堵、砂卡等異常情況，將造成桿柱旋轉抑制、扭矩過大等動作，在部分井段形成反扭矩，當反扭矩大于螺紋預緊力時，就會發生螺紋脫扣。

（3）地面電機停機時抽油桿柱失去動力，會在井下反作用力和桿柱正常工作時儲存的扭轉能量作用下進行反轉運動，高速反轉運動的慣性作用導致反扭矩，當其在某個瞬間超過螺紋連接預緊力時，發生脫扣。

（4）當螺紋牙齒強度不足，在桿柱承受過大扭矩或軸向應力時，就會在螺紋連接處使螺紋牙齒出現剪切或彎曲損壞，導致螺紋擼扣。若所受應力為擠壓應力，螺紋牙齒出現強度破壞，會就造成螺紋粘扣。螺紋的應力集中也可造成螺紋斷裂。

1.3 桿柱、油管偏磨失效原因

當高速旋轉的桿柱在斜井、定向井等油管柱中發生偏心時，桿柱會和油管柱發生碰撞摩擦，長期作業后會導致桿柱變形，原始設計應力改變，同時油管柱也會在長期摩擦作用下漏失，造成桿柱和油管偏磨失效。

2 防斷脫措施

由于螺桿泵應用歷史較短及相應技術不夠完善，出現了上述諸多桿柱失效的情況，特別是桿柱斷脫問題，已經成為施工現場螺桿泵故障中的主要問題[3]。因此，研究螺桿泵桿柱防斷脫措施有重要的現實意義。

（1）選配適宜強度的桿柱。依據施工實際，分析螺桿泵和采油井的工況，計算核對桿柱所能承受的最大載荷，選配符合施工強度的桿柱。在保證油井供液能力情況下，泵的轉速越高，其排量越大，泵效越高。但轉速過高容易造成工作狀態不穩定和扭矩過大等，因此要選配合理的螺桿泵轉速。根據國內油田現場實際，轉速一般限制在60～150 r/min左右。對于轉速低于60 r/min而沉沒度小于150 m的井，應用變頻調速，將螺桿泵轉速調節到40 r/min左右，將桿柱斷脫概率降到最低。

（2）適當安裝扶正器。當螺桿泵桿柱傳遞扭矩時會發生偏心和側移，導致桿柱和油管壁異常摩擦。下入適當數量和型號的扶正器，將桿柱扶正，避免因桿柱與油管柱摩擦導致的應力改變和漏失，防止桿柱失效。

（3）安裝防反轉設備。地面驅動設備異常停機造成桿柱反轉是桿柱脫扣的重要原因。在地面驅動設備傳動機構上加裝防反轉設備，當驅動設備停機時，使桿柱可以得到迅速的固定，防止高速反轉，抑制螺紋連接脫扣。部分油田已將所有螺桿泵地面設備加裝防反轉設備，有效地減少了桿柱脫扣現象，收效良好。

（4）采用插接式連接機構。傳統的抽油桿柱采用螺紋連接，存在脫扣、擼扣、粘扣等隱患。采用插接式連接機構，改良桿柱連接狀況。采用插接式連接機構，在桿柱連接處運用插接防脫機構，使用接箍固定連接，使桿柱連接機構只承受拉壓應力，不承受扭應力，扭矩通過防脫機構實現。改良的抽油桿柱不僅避免了傳統桿柱天生的脫扣、擼扣隱患，而且大大提高了螺桿泵采油作業的穩定性、可靠性。

（5）安裝過載保護。當螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產時，蠟堵、砂卡等原因使桿柱扭矩過大，桿柱過載，導致桿柱斷裂。過載保護裝置可及時有效地檢測和處理過載行為，降低安全隱患。目前過載保護裝置主要分為基于電流、功率監測控制的配電箱過載保護裝置和基于機械式過扭矩保護裝置。

（6）加強施工管理。油田施工作業是一項人機高度配合的復雜作業，加強對作業人員的管理和對機械設備的監控是安全高效完成生產任務的前提。加強施工管理，一方面要從原材料的質量認證上入手，保障進入施工現場的所有設備裝置均達到生產要求，杜絕問題產品入場；另一方面，要實時監控設備運行情況，保障及時發現異常情況和異常情況下快速有效處理的能力。

3 結語

螺桿泵采油技術在全國各個油田廣泛應用，較傳統抽油泵優勢明顯，但存在安全性、穩定性等問題。螺桿泵桿柱由于受到擠壓，所受應力改變導致斷裂、螺紋脫扣、擼扣、粘扣、偏磨的工況事故時有發生，基于此進行井桿柱失效診斷研究。針對每個抽油井桿柱環境的特殊性，選取適宜的桿柱參數、安裝扶正器和防反轉設備，在井桿柱運行工作中對抽油桿柱安裝過載保護，能夠提高桿柱的穩定性和持久性，可降低防斷脫事故的發生。實踐證明，通過采取選配適宜強度的桿柱，適當安裝扶正器，采用插接式連接機構等措施能有效地解決螺桿泵桿柱斷脫問題，減少了生產故障率，提高了油田的生產效率。

[1]張佳民．螺桿泵抽油桿柱設計方法及其應用[M]．北京：石油工業出版社，2002．

[2]張連山．螺桿泵采油系統技術發展現狀與動向研究[J]．石油機械，1994，22（1）：16-50．

[3]張寶剛，林偉．螺桿泵井桿柱斷脫的治理對策[J]．油氣田地面工程，2007，26（6）：55-57．

（欄目主持焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.025