从套管弯曲角度认识电泵机组失效原因及预防措施

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【摘要】本文针对套管弯曲对电泵生产造成的影响进行了分析，结合作业生产现场实例，分别从以下两个方面阐述了电泵机组失效原因和预防措施。弯曲套管造成电泵机组失效机理分析；弯曲套管造成电泵机组失效的两种基本类型。

【关键词】套管弯曲 电泵机组 失效机理 预防措施

目前，胜三区电泵井基本为直井。即使是斜井使用电泵生产，电泵都在造斜点以上的直井段生产，直井段套管斜度小，一般不会对机组产生大的影响，但是，部分套管虽然斜度小，弯曲却很严重。电泵调查中，我们发现有许多电泵井，在供液充足、含砂、含气较低、粘度低、矿化度不高、材质优良、管理严格的情况下，平均生产周期短。还有一部分电泵井生产周期长，作业更改泵挂后，生产周期大幅缩短。根据以上情况，我们针对套管对电泵生产造成的影响进行了分析。

1 弯曲套管造成电泵机组失效机理分析

胜三区电泵生产井都在直井段。斜度小，但由于地层、钻井技术或修井等原因，许多套管存在着弯曲变形，给电泵生产带来了很多问题。

1.1 电泵机组在弯曲状态下的受力及变形

电泵机组在油井弯曲套管内的受力如图1所示。由图可知，当机组受到来自于套管的三个方向的力F1、F2和F3的作用，将产生弯曲变形，致使机组各部分承受弯曲、拉伸或挤压等负荷。图1？电泵机组在弯曲套管内的受力示意图1―油井套管；2―电泵机组

（1）机组连接螺钉的受力情况。当电泵机组在套管内受力产生弯曲时，机组上端的螺钉受到一个极大的拉伸应力的作用。若螺钉强度不够，该应力与螺钉在机组下井前已承受的预紧力共同作用，有可能使螺钉在机组长时间的工作后局部塑性变形而断裂或直接剪断。

（2）机组联接法兰的受力情况。常规电泵机组各部件联接底座的法兰结构如图2所示。由材料力学得知，在弯曲载荷作用下图中R处的应力最大。因此在斜井条件下I-I截面为联接法兰最危险截面，易发生塑性变形或断裂。事实上，电泵机组在直井段中此处也发生过断裂，造成机组落井。

（3）机组壳体的受力情况。机组壳体为薄壁圆筒，组装时受较大预紧力作用，若叠加的弯曲应力过大，在机组长时间的工作后极易发生塑性变形而断裂。

（4）导轮整体的受力情况。

从上图可以看出，在径向力F3作用下泵内的导轮在不同的位置产生了应力，组装时，导轮之间存在一定的预紧力。这样，叠加较大的弯曲应力，会造成导轮径向部分应力分布不均匀。当导轮受到井液巨大冲击力时更容易损坏，而失去重复利用的机会，更严重的情况是刺穿泵体后，液量下降。

1.2 造成电缆损坏及失效

电缆分动力电缆（大扁电缆）和引接电缆（小扁电缆）两种。

大电缆紧贴于油管外壁。小电缆紧贴于泵外壁。小扁电缆的保护主要采用电缆护罩和电缆卡子。电泵机组在弯曲段生产时由于套管弯曲和机组挤压作用，小电缆护罩易被压扁，造成电缆损坏和失效。

大扁电缆易受到油管挤压失效。机理如下：

电泵在弯曲井段运行时泵轴发生弹性变形，产生离心力，造成机组振动。弯曲越大，变形越大，离心力越强，振动越严重。高频振动的能量以机械波的形式沿着油管传递。油管紧贴于带有斜度套管的内侧。通过挤压电缆或摩擦套管转化为热能。由于油管紧贴于套管，机械能不会传递太远。但却会造成被挤压电缆局部温度升高，达到更高的温度平衡，缩短了电缆寿命。

1.3 电机问题

当机组在油井的弯曲段时，如果电机某一部分紧靠套管内壁。机组工作时，紧靠套管内壁的地方得不到过流液体的冷却，会产生局部过热，达到较高的温度平衡状态，电机贴在套管壁上的部分越长，平衡的温度越高，电机使用寿命越短。如果弯曲过大就会出现“扫堂”现象。

2 弯曲套管造成电泵机组失效的两种基本类型

2.1 斜度小，水平投影弯曲套管造成的机组失效

特征：油井套管斜度小，但水平投影图上弯曲严重。这样，机组的某一段或全部产生弯曲变形，表现在生产周期明显缩短，改变到合适的井段后，生产周期恢复正常。

典型井例：35488电泵井躺井原因分析

该井作业前后井液性质相似；液量保持在经济运行区内；油压不高；泵挂位置都在油层顶界以上。但是生产周期相差很远。我们发现可以从机组所处位置的套管变形情况来解释这个现象。首先，根据35488井斜数据表和水平投影图模拟井下套管形状。

发现泵深1464.65和1458.47处套管弯曲度大，容易造成机组失效。平均免修期仅121天。泵深1445.58和1317.82处套管几乎呈直线，有利于机组工作。目前，平均免修期751天。

2.2 斜度大，水平投影不弯曲的套管造成的机组失效

特征：当油井套管不弯曲，但斜度大时，机组电机靠在套管壁上，电机局部热量集中，锭子线圈寿命缩短，贴于套管壁上的电机越长电机寿命越短。

从套管造成的机组失效两种基本类型反应出，机组的最佳生产状况为垂直悬挂，但受套管的影响，机组在井下处于不同的状态，当水平投影弯曲过大和井斜角过大都会使机组过早失效。同时，电缆击穿也会损坏套管。因此，在设计中机组应当尽量选择在垂直套管段生产。

3 预防措施

（1）充分利用井斜数据和井身轨迹水平示意图资料模拟套管形状，使机组有可能避开弯曲套管段和斜度较大套管段。

（2）机组尽量避开井身水平投影复杂井段。

（3）95年以前投产的生产井无详细的井斜数据。但根据近几年井斜数据资料分析，越靠近井口，井斜越小，套管弯曲变形几率越小。所以，电泵井在地质、井筒等条件允许的情况下，尽量上提泵挂。

（4）在油井套管不弯曲，但斜度大的井段，为减少电机紧靠套管带来的破坏，可在电机上下加弹性扶正装置。

（5）设计时，应当查阅井史资料，泵挂位置尽量参考生产周期较长时机组所在套管井段。

（6）建议发展套管检测技术，建立套管生产状况档案，既可以为小排量电泵的推广创造更好的条件，又可以为套管保护工作打基础。

4 结论

（1）电泵机组由于自身的结构和举升方式，对套管有很大的依赖性。这样，我们必须尽量掌握油井套管的形状。

（2）95年以前投产的井缺乏井斜数据资料。95年以后的井虽然有数据，但一般每25米一个点，模拟套管形状比较粗略。因此，需要结合电泵生产井史进一步确认套管情况。

（3）设计中，要根据目前资料尽量提供适宜下机组的套管位置。