黃 偉， 甘慶明， 張 磊， 辛 宏， 楊海濤

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710021)

螺桿泵因其采油效率高，占地面積小，使用維護方便，特別適合開采高黏度、高含砂和高含氣原油[1]，在長慶油田上逐步得到推廣。但是，桿管偏磨問題一直是制約螺桿泵發(fā)展的瓶頸，抽油桿斷脫事故頻繁發(fā)生嚴重制約了螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用[2]。師國臣等人[3-5]通過分析抽油桿的靜力學特征，認為抽油桿偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力和井眼彎曲是造成桿管偏磨的主要原因；劉巨保等人[6-11]通過分析抽油桿的振動力學特征，認為抽油桿因振動與油管發(fā)生碰撞摩擦是造成桿管偏磨的主要原因；董世民等人[12]通過仿真抽油桿在油管內(nèi)的運動，認為抽油桿在油管內(nèi)偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)，是造成桿管偏磨的主要原因。上述研究主要集中在螺桿泵桿管偏磨機理上，對選擇抽油桿、安裝扶正器等具有一定的指導作用。但現(xiàn)有防治方法不能從根本上解決其偏磨及斷裂的問題，因此，在實際生產(chǎn)中，希望能夠?qū)U管偏磨進行預(yù)判，而目前針對桿管偏磨的預(yù)判尚無有效方法。

目前，對螺桿泵的工作狀態(tài)監(jiān)測大多是通過電流取樣信號進行的，但在油井舉升系統(tǒng)中，螺桿泵機組運行的有功功率才能直接反映系統(tǒng)負荷的變化情況。從公式W=UIcosφ可以看出，電流僅為構(gòu)成有功功率的一個參數(shù)，所以僅依據(jù)電流分析來判斷螺桿泵的工作狀況不夠全面。有功功率不僅與電壓、電流有關(guān)，還與電壓和電流向量的夾角φ(即功率因數(shù)角)有關(guān)，因此只有通過有功功率、電流等綜合因素才能準確把握螺桿泵機組的運行狀況，對各種故障及時預(yù)判。為此，筆者利用同時監(jiān)測電流、有功功率等電參數(shù)的方法，預(yù)判抽油桿的偏磨狀況，從而提前采取措施調(diào)控螺桿泵井的含蠟量、沉沒度和轉(zhuǎn)速等生產(chǎn)參數(shù)，及時改善抽油桿的受力狀態(tài)，達到防止發(fā)生桿管偏磨的目的。

1 基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型

電參數(shù)診斷技術(shù)的基本原理是，采用可以連續(xù)測試電機輸入電參數(shù)瞬間有效值的測試儀器測試電參數(shù)，每秒測試多個點的電流、電壓和功率因數(shù)等電機工作參數(shù)，考慮電機的內(nèi)部損耗，準確計算出電機同期的輸出軸扭矩，進而計算出抽油桿扭矩。

因此，電參數(shù)變化能反映抽油桿力學特性的變化。以地面驅(qū)動螺桿泵為研究對象，從分析抽油桿扭矩及所受軸向力出發(fā)，進行抽油桿力學特性分析：一方面通過力學特性分析，尋求影響抽油桿桿管偏磨的因素；另一方面，建立抽油桿力學特性、電機功率和電參數(shù)三者之間的關(guān)系。將以上2方面結(jié)合起來，建立基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型。

1.1 抽油桿的扭矩分析

螺桿泵采油井中，抽油桿偏磨甚至斷裂是因其復(fù)雜受力所造成的。抽油桿工作時處于高速旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子偏心運動、有離心慣性力作用及油管彎曲等情況，抽油桿柱會與油管壁摩擦、碰撞，造成抽油桿桿體磨損，承載能力下降。當磨損后的抽油桿不能達到正常生產(chǎn)所需要的扭矩時，就會發(fā)生桿體斷裂事故。隨著抽油桿偏磨程度的加重，其扭矩、軸向力也在發(fā)生變化。扭矩是舉升液體的直接動力，是螺桿泵生產(chǎn)管理中的一個重要參數(shù)，它可以直接反映出螺桿泵采油井的工作狀況，油井生產(chǎn)發(fā)生異常變化直接導致扭矩發(fā)生異常變化。同樣，根據(jù)扭矩的異常變化可以及時發(fā)現(xiàn)異常井[13]。但是監(jiān)測螺桿泵系統(tǒng)運行時的各項參數(shù)，其中螺桿泵光桿的扭矩、軸向力等數(shù)據(jù)可以實施在線測試并遠傳，不過實現(xiàn)成本高昂，且受惡劣環(huán)境和人為因素的制約，在接收端獲取數(shù)據(jù)的準確性很難保證。因此，建立電參數(shù)與扭矩及軸向力之間的關(guān)系，通過分析電參數(shù)的變化了解螺桿泵的工況。

1) 以電參數(shù)為量度來分析抽油桿的扭矩，忽略光桿和抽油桿的扭矩傳遞損失，建立扭矩與功率之間的關(guān)系：

(1)

其中，P2=P1-ΔP0-

(2)

P1=UAIAcosφA+UBIBcosφB+UCICcosφC(3)

式中：Tc為抽油桿扭矩，N·m；P2為電機輸出軸功率，kW；ηb為減速箱效率；ng為抽油桿轉(zhuǎn)速，r/min；P1為輸入功率(有功功率)，kW；ΔP0為不變損耗；I1為電機負載電流，A；I0為電機空載電流，A；ηN為電機額定效率；PN為電機額定功率，kW；UA,UB和UC為在線監(jiān)測的各相線電壓，V；IA，IB和IC為各相線電流，A；cosφA，cosφB和cosφC為各相線的功率因數(shù)。

2) 從力學方面來分析抽油桿的扭矩。螺桿泵采油中，抽油桿所受扭矩主要有5種，可表示為[14]：

Tc=M1+M2+M3+M4+M5

(4)

式中：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為抽油桿與井內(nèi)液體的摩擦扭矩，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。

1.2 抽油桿的軸向力分析

螺桿泵采油中，可假設(shè)抽油桿為剛性，且在抽油桿上截取的微單元線密度及截面積相同，則抽油桿所受軸向力可表示為：

F=F1+F2-F3+F4-F5

(5)

式中：F1為抽油桿自重，N；F2為泵進出口壓差作用在轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的軸向力，N；F3為抽油桿浮力，N；F4為液體對抽油桿的軸向摩擦力，N；F5為溫度效應(yīng)產(chǎn)生的軸向力，N。

由于工況變化影響F2的可變參數(shù)為Δp，而Δp的大小與沉沒度正相關(guān)，與油管半徑負相關(guān)，因此沉沒度增大或油管半徑變小(即結(jié)蠟產(chǎn)生)時，F(xiàn)2會變大；由于工況變化影響F4的參數(shù)為流體的平均黏度，且為正相關(guān)，當管柱結(jié)蠟時平均黏度會上升，因此F4會變大；工況變化不會對F5產(chǎn)生影響或影響甚微。上述工況的變化都會通過抽油桿扭矩和軸向力的變化反映出來，當扭矩、軸向力發(fā)生變化時，抽油桿的偏磨程度就會發(fā)生變化。

2 應(yīng)用分析

為了進一步驗證基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型的可靠性，對現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)變化情況與實際工況進行了分析對比。進行對比分析時，采用了現(xiàn)場20口螺桿泵井(其中故障井6口，正常井14口)的監(jiān)測參數(shù)。經(jīng)與現(xiàn)場實際情況對比驗證，診斷結(jié)果符合率100%。下面僅以其中4口故障井的診斷資料為例進行分析說明。

2.1 抽油桿磨斷分析

當桿管發(fā)生偏磨時，抽油桿與油管之間的摩擦力增大，桿管摩擦扭矩變大，電機有功功率會突然增大，電流、電壓等電參數(shù)也會急劇升高。由于抽油桿持續(xù)旋轉(zhuǎn)，桿管偏磨加劇，最后導致抽油桿斷脫。抽油桿斷脫瞬間，摩擦扭矩突然降低，電機有功功率急劇下降，電機的電流、電壓等電參數(shù)也迅速降低。圖1和圖2分別為 X1-1 井發(fā)生桿管偏磨至最終被磨斷時的電流、有功功率監(jiān)測結(jié)果。

圖1 X11 井抽油桿磨斷前后的電流Fig.1 Current in Well X11 before and after the sucker rod worn off

圖2 X1-1井抽油桿磨斷前后的有功功率Fig.2 Active power in Well X1-1 before and after the sucker rod worn off

由圖1和圖2可知：電流由正常時的6.0 A變?yōu)樽畹蜁r的4.6 A，減少了23.3%；而有功功率由正常時的2.2 kW變?yōu)樽畹蜁r的0.3 kW，減少了86.3%。這說明有功功率對工況變化的敏感性強，尤其對中小驅(qū)動裝置或電機輕載情況，比電流具有更強的反映工況變化的能力。

2.2 含蠟量偏高對偏磨的影響

圖3和圖4所示為 X1-2 井含蠟量偏高時電流和有功功率隨時間的變化曲線。由圖3和圖4可知：該井含蠟量偏高時，電流和有功功率均有逐漸升高的趨勢；油井含蠟量偏高時，抽油桿所受油井內(nèi)液體的浮力增大，導致抽油桿在井筒中呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，桿管發(fā)生偏磨；同時，當油管結(jié)蠟時，油管橫截面面積減小，油管內(nèi)徑也減小，油井內(nèi)液體的黏性阻力增大，抽油桿受到的摩擦扭矩會逐漸變大，最終導致電機的電流和有功功率逐漸升高。

圖3 X12 井含蠟量偏高時的電流曲線Fig.3 Current corresponding to higher wax content in Well X12

圖4 X12 井含蠟量偏高時的有功功率曲線Fig.4 Active power corresponding to higher wax content in Well X1-2

圖5所示為 X1-3 井發(fā)生抽油桿偏磨前的電流和日產(chǎn)液量隨時間的變化情況。由圖5可知，該井投產(chǎn)后正常電流14.8～22.5 A，電流升至27.5 A時沒有洗井，待電流升至34.0 A時第一次熱洗，洗井周期為45 d，該井在電流高位運轉(zhuǎn)30 d，此后縮短了熱洗周期，當運轉(zhuǎn)140 d時檢泵發(fā)現(xiàn)該井在第50根抽油桿位置偏磨扭斷。

圖5 X13井監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of Well X1-3

由于含蠟量偏高會引起電流升高，因此含蠟量達到一定程度時需進行洗井作業(yè)，通常是根據(jù)經(jīng)驗確定熱洗周期。在監(jiān)測到電流、有功功率后，可在經(jīng)驗基礎(chǔ)上根據(jù)螺桿泵熱洗前及熱洗后的數(shù)據(jù)對比分析，確定需洗井時的電流和有功功率變化幅度，確定螺桿泵井合理的熱洗周期。

2.3 沉沒度偏高對偏磨的影響

當螺桿泵轉(zhuǎn)速偏低且其排空能力低于油井生產(chǎn)能力時，油井動液面上升，沉沒度變大，減小了油管和油套環(huán)空之間的壓力差，同時抽油桿所受軸向力減小。圖6和圖7為X1-4井沉沒度偏大時的電流和有功功率。由圖6和圖7可知，由于螺桿泵工作參數(shù)偏低，油井排量小，電機負載低，電流變化不大，有功功率明顯低于正常值，此時為防止偏磨，應(yīng)該適當提高轉(zhuǎn)速，將沉沒度降至合理水平。

圖6 X14 井沉沒度偏高時的電流曲線Fig.6 Current corresponding to higher submergence in Well X14

圖7 X14 井沉沒度偏高時的有功功率曲線Fig.7 Active power corresponding to higher submergence in Well X14

針對這一狀況，可應(yīng)用自動調(diào)速功能，控制沉沒度波動范圍，當運行電流超出這個范圍時，控制系統(tǒng)自動調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，改變液面深度，進而改變抽油桿的彈性位移，當彎矩位置桿管的金屬表面沒有產(chǎn)生破壞時迅速產(chǎn)生漂移，使桿管磨損程度大幅度降低。

由應(yīng)用分析可知，除了井自身結(jié)構(gòu)等對抽油桿偏磨影響外，螺桿泵工作過程中結(jié)蠟及轉(zhuǎn)速和沉沒度偏大等工況也會影響到抽油桿的偏磨，這與上部分(本文第一部分)抽油桿偏磨分析模型的分析結(jié)果一致，即影響抽油桿軸向力及扭矩的因素有油管結(jié)蠟、進出口壓差(與沉沒度正相關(guān))等。當抽油桿偏磨至斷裂時，電流變化較大，有功功率會發(fā)生突變，因此利用電參數(shù)法來預(yù)判抽油桿的偏磨是可行的，并能保證預(yù)判的準確度。

3 結(jié) 論

1) 有功功率對工況變化的敏感性強，比電流具有更強的反映工況變化的能力。當桿管偏磨達到一定程度時，電流會降低，而有功功率發(fā)生明顯的突變，根據(jù)這一變化對螺桿泵采油系統(tǒng)進行預(yù)判，發(fā)出桿管偏磨預(yù)警，可避免由桿管偏磨造成的故障。

2) 含蠟量偏高、轉(zhuǎn)速偏高、沉沒度偏大所引起的桿管偏磨監(jiān)測曲線，其趨勢與基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型的分析結(jié)果一致，說明基于電參數(shù)判斷桿管偏磨可行，并能保證預(yù)判的準確度。

3) 提出用自動調(diào)速功能控制沉沒度波動范圍；針對含蠟量偏高所引起的桿管偏磨，提出用自動連續(xù)監(jiān)測方法確定螺桿泵井的合理熱洗周期，從而預(yù)防偏磨的發(fā)生。

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