螺杆泵抽油杆柱受力分析及断脱研究
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摘要：文章统计了辽河油田螺杆泵使用中存在的主要问题并进行了分析，对螺杆泵工作时抽油杆柱所受反扭矩：泵转子与定子间初始过盈配合所产生的反扭矩；定子橡胶溶胀所产生的反扭矩；抽油杆柱在粘性井液中转动所受摩擦力矩；泵进出口压差作用在转子上所产生的反扭矩及所受作用力进行了分析，得出抽油杆及其螺纹强度的校核公式，以一口螺杆泵生产井为例进行了计算判断，并结合现场经验，得出了螺杆泵抽油杆柱断脱的预防方法，以指导实际生产。
中图分类号：TE933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)28-0023-04
地面驱动单螺杆泵是国外20世纪70年展起来的机械采油设备，因其具有体积小、重量轻、耗能少、效率高、维修方便和能举升由油、气、水和砂组成的多相液体，在国外发展较快。俄、美、加拿大等国在应用螺杆泵开采重质粘油、含砂油和高气油比原油方面取得了显著的成效。我国于80年代初开始应用螺杆泵采油。
辽河油田从1996年开始大面积应用螺杆泵采油，但由于在设计杆柱时没有完整的理论依据，采油时出现杆脱、断、撸扣现象非常普遍。本文运用力学理论分析计算杆柱系统受力，研究杆柱断脱原因及预防方法。
一、螺杆泵的工作原理
螺杆泵是由地面驱动部分和井下泵组成。对于1：2结构螺杆泵而言，井下泵是由单螺纹转子和两倍于转子螺距长的双螺纹橡胶定子所组成。地面驱动部分带动抽油杆旋转，泵体定子随油管下入井内，偏心转子接在抽油杆上。工作时随着转子在定子内做行星运动，一系列相距180°的封闭腔室逐渐由泵的吸入端向排出端运移，形成恒定的无脉动流动，不断地将液体举升到地面。
二、辽河油田螺杆泵使用情况与问题分析
根据辽河油田兴隆台采油厂2007～2009年螺杆泵井作业情况统计，螺杆泵在使用中存在的主要问题是断杆、脱扣、撸扣。 (一)抽油杆断杆问题分析 螺杆泵抽油杆在运转的过程中断开，其原因之一是杆柱的尺寸过小或级别较低无法承受螺杆泵驱动头的扭矩和拉力，在遇到砂卡(由于产液量较低液体不能将砂子带出地面而在井内沉积阻止抽油杆转动)或停机后砂沉积，阻力突然增大时，杆的应力超过强度极限而断裂。原因之二是抽油杆转动不是绕抽油杆轴心转动，而是局部有摆动而使抽油杆局部产生疲劳而断杆。
(二)抽油杆脱扣问题分析
当螺杆泵停机时，抽油杆处于匀速转动中突然失去动力，杆柱由于惯性还要继续转动，抽油杆在液体摩擦力和其它阻力作用下慢慢停下来。由于杆柱各部位阻力的差异和惯性力的不同，在某一薄弱环节的抽油杆扣脱开一定扣数，而后在下部杆柱重力的作用下脱扣。脱扣的原因之一是丝扣的预紧力不够。在重力的作用下抽油杆接箍与接箍台阶面的压力不够，两面问的摩擦力不能克服因惯性而产生的反扭矩使抽油杆柱产生脱扣事故。脱扣的原因之二是丝扣长期反复使用使丝扣磨损，中径变小和牙形变形使丝扣问的配合间隙较大，相互问的磨擦力变小而无法克服因惯性力产生的反扭矩。脱扣的其它原因包括产品质量优劣和启动是否频繁等。 (三)撸扣的原因分析 螺杆泵在运转过程中，动力要通过抽油杆柱传递给井下的螺杆泵，因此抽油杆丝扣要附加一个传递动力的扭矩，这个扭矩通过丝扣转变成轴向力作用在抽油杆丝扣台阶处，这样丝扣要承受台肩对丝扣的反作用力、抽油杆的重力和提升液体所用的拉力。当丝扣处的应力超过材料的塑性强度时，丝扣产生塑性变形