螺杆泵杆管偏磨原因分析

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摘要：从螺杆泵管柱的结构、抽油杆的运动状态、扶正器合理安放位置等方面分析螺杆泵井中偏磨原因，并从中找出相应的防治对策，可延长了螺杆泵井检泵周期。

关键词：离心力；扶正器；偏磨

中图分类号： TU74 文献标识码： A

螺杆泵采油与常规机械采油相比，具有初始投资少、地面装置结构简单、节能、管理费用低等优点，螺杆泵采油技术已经成为适应油田发展低成本战略的一种实用有效的采油方式。但螺杆泵井的检泵周期并不长，检泵率高。某队2009年以来螺杆泵井检泵井开始发现偏磨井，此后螺杆泵井井数增加，管杆偏磨井数逐渐增多。其中杆磨断井10井次，管磨漏井8井次，共18井次。每年都有因杆管偏磨问题而检泵的井。初步开展了水驱螺杆泵井杆扭距受力状态的理论分析，以求找出问题的症结，并采取有效的技术措施，达到解决问题的目的。

1螺杆泵杆偏磨机理

1.1管柱结构

这种常规管柱油管在坐封时，整个管柱受压，反扭距直接由支撑卡瓦承受，作用在套管上，实现了防止反转的目的，作用力除了油管的自重外，在顶部还需要施加一个附加力，管柱在油管自重和附加力的作用下，管柱失稳后产生弯曲。抽油杆在油管内的受力状况不好，抽油杆很容易和油管接触产生摩擦，当然这种情况取决于油、套管的几何尺寸以及油管的失稳程度。套管内径与油管接箍外径比值越大，失稳程度就越严重，也就是说油管越容易弯曲，抽油杆摩擦油管越严重。由表1可以对比出弯曲变化的幅度（以套管内径是φ124mm为例）：

表1失稳程度对比表

由表1可知，在这种常规管柱很容易使油管产生露点，使抽油杆在传动扭距时与露点直接摩擦，严重时，造成抽油杆磨断或油管磨漏。在L718、L171井中分别是第106根、第92根管偏磨漏造成检泵作业，见图1、图2，磨漏位置是单侧磨损，说明了这种磨损是管柱的结构直接造成的。

图1L718井管偏磨图 图2L171井管偏磨图

1.2转子偏心振动是导致杆管偏磨的直接原因

螺杆泵需要转子在定子衬套中旋转运动来实现泵的传送介质的功能。由于螺杆泵本身的特殊结构，使转子和定子之间存在一个结构的距离，我们称为偏心距，导致转子的运动是一个行星运动，该运动是转子绕自身的回转中心的自转和转子绕衬套中心的公转的合成运动。从转子的几何形状和运动方式看，螺杆泵能把动能转成为介质的压能，随着转速的升高，流量增大，压头也随着增高，转子的运动状态具有离心泵的特性。在螺杆泵采油技术中，转子需要抽油杆来传送扭矩，来实现螺杆泵的正常工作。所以抽油杆运动与转子运动有相似性。螺杆泵结构偏心距直接造成抽杆柱存在一个质量偏心距，使得抽油杆柱在重心以下的抽油杆偏离竖直井筒的几何中心，杆柱的弯曲中心线将以不稳定的弓形面围绕井筒轴线做公转，杆柱的横截面将以稳定的转速围绕抽油杆柱弯曲中心线做自转。在自转的同时还做同步水平的反复摆动，产生了一个简谐的位移激励，底部抽油杆的运动规律与转子相同。旋转的抽油杆工作时，杆柱主要承受轴向力（自重）和扭矩的作用，由于抽油杆柱质量偏心的存在，使得抽油杆柱偏离了竖直井筒的几何中心线，抽油杆柱的高速旋转，势必由于质量偏心的主要原因产生一个纵向的离心惯性力，在这种惯性离心力作用下，使抽油杆柱本身的弹性使得杆柱产生相反的弹性恢复力，。其中、分别用下面表达式表示：

=()

==（k＝p2・m）

式中：m－单位长度杆柱质量；y－ 弯曲挠度；s－抽油杆柱工作前的初始质量偏心距；p－抽油杆本身固有的频率。

让、相等，我们可以得：ky=m(y+s)y=，可以看出，当ω逐渐增大，与p相近时，分母无限小，这时横向弯曲挠度会无限变大，而油管和抽油杆柱之间的间隙是有限度的，当弯曲挠度超过这个间隙极限时，抽油杆和油管内壁发生间歇性和连续性摩擦。同时我们也可以得到＝时，抽油杆柱得临界转速，这个临界转速可近似用n大= 表示。我们可以令＞，得出：>mpky(y+s)>pky，如果ω增大，不等式右侧p2・k是定值，而左侧y+s始终大于y，这样我们就可以得出提高转速n，离心力会增大，离心力大于恢复力是可能的。所以提高转子n超过抽油杆柱得最大临界转速时，这时候离心力增大，开始大于恢复力，抽油杆柱得弯曲挠度会逐步增大，超过油管和抽油杆之间得最大挠度时，抽油杆与油管产生碰撞接触，导致抽油杆柱和油管内壁连续性摩擦。而在上述L718 和L171井中，起出的抽油杆有磨损现象，说明抽油杆磨损的另外一个主要原因是转速过大造成的。在L171井中，最下部有25根抽油杆偏磨严重、抽油杆本体有明显磨细，该井转速过大是造成抽油杆偏磨的原因。（L171转速122转）

2井身结构是杆管偏磨的重要因素

在钻井的过程中，随钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差。一般井超过600-800m以后，出现扭曲井斜的现象。为研究井身结构对偏磨的影响，结合作业检泵时机，对L170井实施了方位井斜测井。该井转螺后8次因光杆断或偏磨而检泵，对该井进行油管轨迹测试，多处全角变化率超过1.4°，在293m-443m有连续3点全角变化率超过1.4°，最大全角变化率在868.65m，为3.59°，见图3和图4。分析认为该井经常杆断与油管轨迹全角变化率大、增大了驱动杆的摩擦扭矩有直接关系。因此井身结构是影响杆管偏磨的重要因素之一，可以从这口井历次施工作业中偏磨点来推断井身轨迹变化点，作为今后扶正器优化布置的依据。统计表明，某井3年检泵7次有6次是偏磨造成的，每次作业也对扶正器进行调整，没有什么效果，建议跟换φ76mm油管φ25抽油杆，加强抽油杆强度。这样能减少杆管的摩擦。

图3 L170井井眼水平位移图4 L170井井眼俯视

3扶正器安放位置对偏磨的影响

在抽油杆运动状态分析中，我们知道抽油杆在传送扭距的同时，还会发生侧向位移，与油管内壁发生不可避免的间歇性和连续性摩擦。为了防止抽油杆与油管内壁偏磨，要求对抽油杆柱进行扶正，下入扶正器，这样扶正器的安放位置直接影响管杆之间的偏磨。例如：L1801井，该井2011年3月22日施工发现90根抽油杆中部偏磨断，下部有φ28mm专用抽油杆50根、31-50根杆偏磨抽油杆中部磨细。该井上次施工抽油杆柱安装了快装式扶正器64个扶正器（下入位置：转子以上20根杆每根杆带1个扶正器，其余每2根杆带1个扶正器），还导致了上部下部30根抽油杆中部磨细，可见抽油杆柱上的扶正器必须有合理的安装位置。分析表明，转速过大容易造成抽油杆磨细和油管偏磨，（转速100转）。扶正器安放位置不合理，容易造成中部杆体偏磨。当然产生偏磨并不是单一的一个方面造成的，而是多种原因结合一起产生的。

4结论

（1）合理安装扶正器，根据井下检查情况，对偏磨段加大扶正器的安装密度。

（2）合理控制螺杆泵转速，防止转速调的过大，会增大惯性离心力，加剧抽油杆和油管内壁的偏磨。对于沉没度过高的井建议增大泵径，而不能采用提高转速方法来达到增产目的。

（3）电流录取准确、及时。我们只有通过每天录取的电流，才能正确地判断出螺杆泵井是否正常运转。根据电流的变化，采取相应的措施（洗井、落实动液面）。但如果电流表灵敏度低，就很难判断出螺杆泵井的运转状况。所以一旦发现电流表灵敏度有问题，要及时汇报、及时更换。

（4）根据电流变化合理制定热洗周期，减少结蜡造成螺杆泵井扭矩增大、偏磨，从而延长检泵周期。

参考文献：

[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，2001.