螺杆泵井杆断原因分析及预防

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[摘 要]螺杆泵抽油杆柱由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成。在螺杆泵采油系统中，抽油杆柱承受拉、压及扭力等循环载荷的作用，抽油杆的故障形式为疲劳断裂或脱扣。抽油杆的断脱事故会严重影响整个抽油系统的运转周期及原油产量，增加维护费用，提高采油成本。

[关键词]螺杆泵 杆断 参数匹配

中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0272-01

引言

通过对螺杆泵抽油杆的加工工艺、泵型、转数与杆径匹配等方面做了综合分析，从中寻找出导致杆断的主要原因，并提出预防措施。

1 螺杆泵杆断的因素分析

螺杆泵是由定子和转子组成的，它是一种容积式泵，其采油原理为由地面驱动装置带动抽油杆柱旋转，近而使转子随之一起转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流动的一个过程。由于抽油杆始终处于旋转状态同时承受拉、压及扭力等循环载荷的作用，容易出现断裂或脱扣，下面是我矿从2011年到2015年螺杆泵杆断井数统计对比柱状图，可以看出杆断井次呈逐年上升的趋势。

2011-2015年采油矿螺杆泵杆断井次

从年初到9月末我矿螺杆泵维护性作业21井次，其中杆断脱12井次，占作业井数的57%，是螺杆泵杆断井数最多的一年。

综合分析导致螺杆泵杆断的因素，将其大致分两方面一是加工工艺，二是使用过程中的管理因素：

1.1 加工工艺

在抽油杆头部锻造时由于加工工艺的不足会产生缺陷如折叠、裂纹、皱折和缺肉，其中以折叠和裂纹对抽油杆的疲劳性能危害最大，由于折叠和裂纹的存在，减少了有效截面，降低了承载能力，特别是折叠和裂纹末端的应力集中，大大缩短了疲劳裂纹的萌生期，从而降低了抽油杆的使用寿命。另外，抽油杆在热处理中质量沿轴向均匀性不好、变形较大，会引起头部或杆体弯曲，增大了附加扭矩，使抽油杆发生早期疲劳断裂。

1.2 生产管理因素

螺杆泵的日常管理中由于操作不当、维护保养不及时、参数匹配不合理都易造成杆断， 具体有以下几方面：

1.2.1 频繁起停机

螺杆泵井因测试或维护临时停机时，如果动液面较深，管柱内液体压力将驱动井下泵转子反转，转子将带动杆柱高速反转，随着液体倒流，泵进出口压差逐渐减少，转子逐渐停止转动，而由于惯性作用，上部抽油杆仍在高速反转，反转产生的惯性扭矩一旦超过杆柱某处所能承受的扭矩时，就造成了杆柱断裂。另外，螺杆泵井停机后重新启动，杆柱要承受定转子之间的静吸附力作用，会对抽油杆造成冲击载荷，这种瞬间冲击载荷作用将缩短抽油杆的裂纹萌生期，加速抽油杆的疲劳破坏。

1.2.2 斜井

抽油杆应用于斜井，在弯曲部位，抽油杆将受到附加弯曲应力作用，这极易造成杆柱断裂。而且随着杆体直径增大，弯曲应力也随之变大。因此，在斜井中，空心抽油杆更容易发生断裂事故。其次，由于离心力的存在，在斜井中抽油杆与油管内壁的磨损力远大于直井这就造成杆体磨损较直井严重，承载能力下降，当磨损的抽油杆承载能力无法满足正常生产所需要的扭矩时，就发生了杆体断裂事故。

1.2.3 热洗

如果螺杆泵长期不洗井，抽油杆与管之间就会结蜡，造成杆旋转时的扭矩增大，如果结蜡严重将导致泵卡，转子不能顺利转动，杆体承受的扭矩远大于正常生产时的扭矩，如果该扭应用超过抽油杆能承载极限，就会发生断裂。

1.2.4 参数匹配

螺杆泵抽油杆始终在旋转，它同时承受轴向力和径向力，与轴向力有直接有关系的是转排量，该参数取决于泵型；与径向力有直接有关系的是转动角速度，该参数取决于转数。如果杆径、泵型、转数三者匹配的不合理，超过抽油杆所能承受的极限，就会造成疲劳断裂。

2 螺杆泵杆断的预防

根据我们分析的杆断因素可知在预防螺杆泵杆断时，一方面要选择质量合格的抽油杆，保证其力学性能；另一方面加强螺杆泵井的生产管理，避免频繁起停机、斜井应用实心杆、制定合理的热洗周期、合理的匹配参数。如何在保证正常生产的前提下，把杆径、泵型、转数这三项生产参数最合理的匹配？是预防螺杆泵杆断的重点问题，也是本论文的要论证的中心。

首先分析杆的强度与受力情况：

螺杆泵井工作时，杆柱的载荷主要来自两个方面：轴向力和扭矩。

1、螺杆泵抽油杆柱在任一截面上所受的轴向力P为：

抽油杆柱自重：

泵出口压差产生的轴向力：

杆柱在井液中的浮力：

从公式中可以看出，沿重力方向的力有两方面，杆自重与泵出口压差产生的轴向力，对于大泵而言，E值大，则P2 值大，为了减小轴向载荷，应选择质量轻的空心杆，相反，小排量泵选择小直径实心抽油杆。

目前应用的螺杆泵抽油杆有两种类型D级杆与H级，直径分为25mm实心杆和38mm空心杆两种，从螺杆泵抽油杆的强度等级表中可知，CYG38D抽油杆的屈服扭矩为2869 N・m，，所以超扭矩运转是导致该井杆断的主要原因，所以本次将该井换大泵同时下调转数生产，目前生产情况正常。利用同样的方法地，把我矿2014年螺杆泵井杆断前的实际扭矩一一计算，发现12口井中有9口井是超扭矩旋转，相反，以屈服扭矩为定值，抽油杆长度以我矿各区块螺杆井平均泵深计算，根据不同区块原油粘度不同和杆径不同，得出适合各区块转数范围。

3 结论

通过对我矿螺杆泵井杆断原因分析，我们认为预防杆断，延长泵的使用寿命及检泵周期，认为以下几项措施非常重要：

（1）要选择加工质量合格的抽油杆，保证其力学性能。

（2）加强螺杆泵井的生产管理，避免频繁起停机、斜井应用实心杆、制定合理的热洗周期、合理的匹配参数。

（3）大排量泵要选择空心抽油杆，小排量泵选择小直径实心抽油杆。

（4）细化技术管理，不同区块螺杆泵选择适用的转数范围，高台子区块螺杆泵转数不宜超过180转/分，东部过渡带油稠、泵相对较深，所以转数不应超过120转/分，其它各区块螺杆泵井都可以调到其额定转数运转。

参考文献

[1]陈国定 机械设计基础（第6版） 机械工业出版社 2006.5-10

[2]吴贻珍 中国传动带技术现状及未来发展 2002.2-19

作者简介：

李强（1976.10.14―），男，籍贯吉林省扶余县，毕业于东北石油大学，现从事油藏开发研究工作。