王亞娟

(西安城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，陜西 西安 710114)

螺桿泵井桿管偏磨預(yù)防研究*

王亞娟

(西安城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，陜西 西安 710114)

隨著地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵在油田逐步推廣存在桿管偏磨現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵的發(fā)展。對(duì)抽油桿工作時(shí)的受力進(jìn)行了分析，考慮井液阻尼作用，采用Ansys中的Damped法對(duì)抽油桿進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，桿管偏磨主要發(fā)生在抽油桿中下部，在抽油桿中部最嚴(yán)重，依此提出了上疏下密扶正器安裝法。提出通過(guò)控制轉(zhuǎn)速、沉沒(méi)度、井液密度和含蠟量，采用固體潤(rùn)滑劑減磨扶正器等措施來(lái)預(yù)防桿管偏磨。

螺桿泵；桿管；偏磨；仿真；預(yù)防

Abstract: As the surfac-driven screw pumps are gradually applied in oil fields, the phenomenon of rod-tubing partial abrasion has seriously restricted the development of surface-driven screw pumps. Aimed at rod-tubing partial abrasion, considering the fluid damping effect, the working stress of the sucker rod is analyzed, the Ansys damped method is used to analyze the modal of the sucker rod, it is found that the partial abrasion mainly occurs in the middle and bottom of the sucker rod, the partial abrasion in the middle of the sucker rod is the most serious by simulation, the method of sparse-up and dense-down installing centralizers is presented. Aimed at the factors affecting rod-tubing partial abrasion, the measures that are used to prevent the rod-tubing partial abrasion by controlling spin velocity, controlling submergence depth, controlling the well fluid density and wax content and using solid lubricant antifriction centralizers is presented.

Key words: screw pump; rod-tubing; partial abrasion; simulation; prevention

0 引 言

螺桿泵具有低能耗，效率高，占地面積小，使用維護(hù)方便，適合開(kāi)采高粘度，高含沙和高含氣原油等優(yōu)點(diǎn)[1]，在油田上越來(lái)越廣泛應(yīng)用。桿管偏磨，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。桿管偏磨是檢泵的主要原因，嚴(yán)重制約著螺桿泵的發(fā)展，所以對(duì)螺桿泵井進(jìn)行桿管偏磨預(yù)防研究顯得尤為重要。

1 桿管偏磨原因分析

抽油桿工作時(shí)受力十分復(fù)雜，主要受周向扭矩和豎直方向的軸向力作用，二力作用導(dǎo)致桿管偏磨的發(fā)生。以下主要對(duì)抽油桿所受扭矩和軸向力進(jìn)行分析。

1.1 抽油桿負(fù)載扭矩分析

螺桿泵采油中，抽油桿所受扭矩主要有5種，可表示為[2]：

M=M1+M2+M3+M4+M5

(1)

(2)

M2=91.3σ0-n0.45+47+K0σfnR

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：M為抽油桿負(fù)載扭矩，N·m；M1為螺桿的有功扭矩，N·m；M2為襯套與螺桿泵間的摩擦扭矩，N·m；M3為抽油桿與井液的摩擦扭矩，N·m；M4為抽油桿與油管的摩擦扭矩，N·m；M5為抽油桿的慣性扭矩，N·m；qr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的理論排量，m3/r；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；μ為井液粘度，N·m；r1為抽油桿半徑，m；r2為油管內(nèi)半徑，m；d1為抽油桿直徑，mm；L為抽油桿長(zhǎng)度，m；Dr為抽油桿接箍直徑，m；ρr為抽油桿的密度，kg/m3；Dp為螺桿泵截面直徑，mm；α為井斜角，°；f為摩擦系數(shù)；m為單位長(zhǎng)度抽油桿的質(zhì)量，kg/m；t為啟泵或停泵時(shí)間，s；K0為襯套橡膠的彈性模量，Pa；σ為襯套橡膠在井下因熱膨脹而增加的過(guò)盈量，mm；fn為襯套與螺桿間的摩擦系數(shù)；R為轉(zhuǎn)子截面半徑，mm；ΔP為螺桿泵工作壓力，Pa。

對(duì)式(1)～(6)分析得：M1、M4與ΔP為正相關(guān)，而ΔP的大小與沉沒(méi)度成正相關(guān)，與油管半徑成負(fù)相關(guān)，因此沉沒(méi)度增加時(shí)或油管半徑變小(即油管結(jié)蠟)時(shí)，M1、M4會(huì)變大；決定M2的因素一般由初始值決定，在采油過(guò)程中變化值相對(duì)較?。籑3與流體平均粘度、轉(zhuǎn)速成正相關(guān)，當(dāng)油管結(jié)蠟時(shí)，流體平均粘度會(huì)變大，油管內(nèi)徑會(huì)變小，M3會(huì)變大；M5與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，抽油桿承受的慣性矩越大。

1.2 抽油桿的軸向力分析

抽油桿軸向力主要包括轉(zhuǎn)子所受的軸向力和抽油桿在井液中的重力兩部分，軸向力公式[3]為：

F=Ft+Fg

(7)

(8)

Fg= (πd′2/4)(ρ-ρ液)Lg+(d1-d′2)Lgρ液-

(D套-d1-d2)hgρ液

(9)

式中:e為偏心距，mm；D轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子截面圓直徑，mm；D套為套管內(nèi)徑，m；d為抽油桿直徑，mm；d′為抽油桿直徑，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；L為抽油桿長(zhǎng)度，m；ρ為抽油桿密度，kg/m3；ρ液為液體密度，kg/m3；h為沉沒(méi)度，m；d1為油管直徑，m；d2為轉(zhuǎn)子直徑，m；F為抽油桿的軸向力，N；Ft為轉(zhuǎn)子所受軸向力，N；Fg為抽油桿在液體中的重力，N；ΔP為螺桿泵工作壓力，MPa。

對(duì)式(6)～(9)分析得：F與Ft、Fg成正相關(guān)，F(xiàn)與沉沒(méi)度、井液密度成負(fù)相關(guān)，與油管直徑成正相關(guān)，F(xiàn)t與ΔP成正相關(guān)，ΔP與沉沒(méi)度、井液密度成正相關(guān)，與油管直徑成負(fù)相關(guān)，由于沉沒(méi)度和油管直徑對(duì)抽油桿的軸向力作用遠(yuǎn)大于對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向力，因此沉沒(méi)度、井液密度增加時(shí)或油管半徑變小(即油管結(jié)蠟)時(shí)，抽油桿所受軸向力F變小。

由以上分析可得：當(dāng)抽油桿所受扭矩和軸向力發(fā)生變化時(shí)，必然引起抽油桿的彎曲變形，從而導(dǎo)致桿管偏磨的發(fā)生。當(dāng)抽油桿扭矩增大時(shí)，抽油桿橫向變形的趨勢(shì)將隨之變大。當(dāng)抽油桿軸向力減小時(shí)，抽油桿在井筒中不能保持豎直狀態(tài)，當(dāng)變形量超出桿管橫向位移時(shí)，將發(fā)生桿管偏磨。當(dāng)井液含蠟量升高，密度增大，沉沒(méi)度增加，抽油桿的剪切變形作用越大，抽油桿軸向彎曲變形變大。在扭矩和軸向力的共同作用下，抽油桿發(fā)生彎曲變形，當(dāng)彎曲變形量超過(guò)桿管橫向位移時(shí)，導(dǎo)致桿管偏磨。

2 桿管偏磨預(yù)測(cè)

針對(duì)螺桿泵偏磨問(wèn)題，用Ansys對(duì)螺桿泵直井桿管偏磨進(jìn)行仿真分析，假設(shè)整個(gè)抽油桿為同一材料等直徑的桿柱組成且桿柱總長(zhǎng)為1 000 m，通過(guò)建立桿管運(yùn)動(dòng)仿真模型，再對(duì)抽油桿井口和轉(zhuǎn)子附近施加約束，考慮井液的阻尼作用，采用Damped模態(tài)分析方法對(duì)抽油桿進(jìn)行模態(tài)分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖1。由仿真結(jié)果可看出，彎曲部位主要發(fā)生在抽油桿中下部，而且在抽油桿中部彎曲程度最大，抽油桿中上部彎曲變形程度較小。當(dāng)抽油桿橫向變形量大于桿管間隙時(shí)，桿管將發(fā)生偏磨，并且在抽油桿中下部發(fā)生偏磨的幾率很大，尤其在抽油桿中部桿管偏磨程度最大，抽油中上部桿管偏磨幾率較小，桿管偏磨程度也較輕。

圖1 抽油桿運(yùn)動(dòng)仿真圖

3 桿管偏磨預(yù)防措施

3.1 控制轉(zhuǎn)速

當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高，抽油桿扭矩增大，同時(shí)增大抽油桿離心力，當(dāng)離心慣性力大于恢復(fù)力時(shí)，抽油桿產(chǎn)生的側(cè)向偏移超過(guò)桿管間隙時(shí)就會(huì)發(fā)生桿管偏磨，但轉(zhuǎn)速偏低會(huì)使其他生產(chǎn)參數(shù)偏高，導(dǎo)致螺桿泵不能正常工作，轉(zhuǎn)速偏高偏低都會(huì)對(duì)螺桿泵的正常工作產(chǎn)生影響，因此需將轉(zhuǎn)速控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，將沉沒(méi)度控制在80～90 r/min較合適。

3.2 控制沉沒(méi)度

當(dāng)井液的沉沒(méi)度增加時(shí)，油套環(huán)空中的井液對(duì)抽油桿的上浮力增加，抽油桿在井液中的重力減小，抽油桿所承受的軸向力減小，易導(dǎo)致抽油桿彎曲，從而導(dǎo)致桿管偏磨的發(fā)生，但是沉沒(méi)度也不能太低，沉沒(méi)度太低易引起螺桿泵空抽燒泵，從而影響油井的正常生產(chǎn)。因此需要嚴(yán)格控制井液的沉沒(méi)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，沉沒(méi)度控制在400 m左右較理想。

3.3 控制井液密度和含蠟量

井液密度的增大主要受含蠟量影響，而且成正相關(guān)，含蠟量增大，井液密度也增大，因此需要對(duì)油井定期進(jìn)行清蠟處理，可采用定期熱洗，也可采用定期加清防蠟劑對(duì)油桿清蠟。

3.4 合理選用和安裝扶正器

采取上疏下密的方法安裝扶正器，對(duì)抽油桿中下部采取每一根抽油桿安裝一個(gè)扶正器，上部每隔2～4根安裝一個(gè)扶正器。目前油田大多采用扭卡式扶正器較多，扶正器內(nèi)部的扶正塊由銅制成，并在扶正塊內(nèi)孔固化金屬滑動(dòng)軸承，軸承接觸面鑲嵌多組固潤(rùn)滑劑，起到自潤(rùn)滑減磨作用，同時(shí)扶正體周向開(kāi)設(shè)臨界斜向?qū)Я鞑?，在扶正塊旋轉(zhuǎn)任意角度時(shí)，能確保桿管之間的等距離接觸，并且能有效降低螺桿泵桿柱的扭矩和軸向力，對(duì)桿管偏磨有很好的預(yù)防效果。

4 結(jié) 論

(1) 桿管偏磨主要由抽油桿扭矩和軸向力共同變化引起，影響抽油桿扭矩和軸向力變化的主要因素為轉(zhuǎn)速、沉沒(méi)度、密度、平均粘度、螺桿泵工作壓力等，對(duì)桿管偏磨進(jìn)行預(yù)防時(shí)需將這些因素綜合考慮。

(2) 通過(guò)抽油桿運(yùn)動(dòng)仿真分析，桿管偏磨的主要位置發(fā)生在抽油桿中下部，并且抽油桿中部偏磨最嚴(yán)重，提出采用上疏下密的方法安裝扶正器，并采用固體潤(rùn)滑劑減磨扶正器。

(3) 抽油桿轉(zhuǎn)速偏高會(huì)增大抽油桿扭矩，加劇抽油桿彎曲，導(dǎo)致桿管偏磨，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏低時(shí)將使其他工作參數(shù)偏高，導(dǎo)致螺桿泵不能正常工作。因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)需將轉(zhuǎn)速控制在80～90 r/min。

(4) 沉沒(méi)度過(guò)高，容易導(dǎo)致桿管偏磨，沉沒(méi)度過(guò)低，易導(dǎo)致泵空抽燒泵，影響螺桿泵正常工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，將沉沒(méi)度控制在400 m左右，防偏磨效果較好。

(5) 對(duì)于含蠟量升高引起井液密度升高，增大了抽油桿的摩擦扭矩，減小抽油桿軸向力，從而引起桿管偏磨，提出采用定期熱洗，采用定期加清防蠟劑對(duì)抽油桿清蠟，從而預(yù)防桿管偏磨的發(fā)生。

[1] 韓修廷，王秀玲，焦振強(qiáng)．螺桿泵采油原理及應(yīng)用[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998．

[2] 徐建寧，屈文濤．螺桿泵采輸技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2006．

[3] 于孝合.螺桿泵井桿管偏磨分析與治理[J]．石油石化節(jié)能，2011,1(8)：48-50．

Research on the Prevention of Partial Abrasion for Screw Pump Well Rod-tubing

WANG Ya-juan

(Xi′AnUrbanArchitecturalCollege,Xi′anShaanxi710065,China)

2014-07-01

王亞娟(1983-)，女，陜西渭南人，助教，主要從事教學(xué)研究方面的工作。

TE933.3

A

1007-4414(2014)04-0040-02