蔣文婧 （中石油大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司機(jī)械修理廠，黑龍江 大慶 163000）

作為一種新的舉升方式，螺桿泵具有其他抽油設(shè)備不能替代的優(yōu)越性［1］。但螺桿泵配套工藝技術(shù)的完善程度與常規(guī)的機(jī)采方式相比還存在一定差距。隨著螺桿泵技術(shù)的發(fā)展及用量逐漸增多，也暴露出了一些問題。螺桿泵井由于偏磨導(dǎo)致桿斷、管漏，已成為直接或間接造成螺桿泵檢泵的主要原因。為延長螺桿泵井的檢泵周期，必須對偏磨現(xiàn)象進(jìn)行研究和系統(tǒng)分析，找到有效的防治措施。

1 螺桿泵井偏磨狀況

統(tǒng)計(jì)檢泵的78口井中，由于偏磨造成桿斷或管漏檢泵的井36口 （見表1），占檢泵井總數(shù)的46.2%，可見偏磨已成為直接或間接造成螺桿泵檢泵的主要原因之一。對發(fā)生偏磨的井從以下幾個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 桿管發(fā)生偏磨情況統(tǒng)計(jì)表

1.1 偏磨部位

從偏磨部位看，偏磨段多在中下部，且越往下偏磨越嚴(yán)重 （見表1）。

1.2 桿的結(jié)構(gòu)

從桿的結(jié)構(gòu)看，偏磨檢泵的36口井中24口為空心驅(qū)動(dòng)桿，占空心桿總數(shù)的20.87%，12口為實(shí)心驅(qū)動(dòng)桿，占實(shí)心桿總數(shù)的6.86%，空心桿偏磨幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)心桿。

1.3 扶正器的布置

從扶正器的布置看，各種扶正器布置的井均產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象，說明安裝扶正器并不能避免偏磨，但安裝扶正器的桿未磨或磨損較輕，未安裝的桿發(fā)生偏磨。嚴(yán)重偏磨的井，即使偏磨段有扶正器，桿箍和桿體同樣發(fā)生偏磨。

1.4 抽汲參數(shù)

從抽汲參數(shù)看，螺桿泵的平均轉(zhuǎn)速為112r／min，36口偏磨井平均轉(zhuǎn)速135r／min。

1.5 偏磨現(xiàn)象

從偏磨現(xiàn)象看，一是桿接觸管壁一側(cè)偏磨，將管體磨出裂縫；二是桿在管壁上呈圓周磨損；三是有的井桿接箍磨損，但桿體未磨損。

2 偏磨原因分析

要找到防治偏磨的有效對策，首先必須對偏磨的原因進(jìn)行研究，下面主要從桿柱和管柱2方面對偏磨原因進(jìn)行剖析。

2.1 桿柱偏磨因素

抽油桿柱是螺桿泵井下的主要轉(zhuǎn)動(dòng)件，其動(dòng)態(tài)狀況是螺桿泵抽油理論的基礎(chǔ)，因此必須從桿受力的角度分析桿柱偏磨的原因［2］。筆者主要分析拉 （壓）應(yīng)力和離心慣性力。

1）拉 （壓）應(yīng)力作用 按照現(xiàn)用的管柱結(jié)構(gòu)，桿柱所受的拉 （壓）應(yīng)力：

式中，F(xiàn)為在任意深度x處桿柱所受拉力，N；Fa為桿柱在下端點(diǎn)處轉(zhuǎn)子上端所受力方向向下的力，N；Ff為桿柱在下端點(diǎn)處所受力方向向上的力，N；m為單位長度抽油桿的質(zhì)量，kg／m；g為重力加速度，m／s2；L為下泵深度，m；x為某點(diǎn)距地面的高度，m；e為偏心距，mm；D為轉(zhuǎn)子橫截面直徑，mm；Ph為環(huán)空動(dòng)液面泵入口的液柱靜壓，MPa；d為抽油桿外徑，mm；ΔP為泵吸入口與排出端的壓差，MPa；P為任一截面的壓力，此處為螺桿泵的出口壓力，MPa。

桿柱所受的拉應(yīng)力存在一種中性點(diǎn)，即F＝0。F＞0，桿柱受拉，F(xiàn)＜0，桿柱受壓。當(dāng)油井的流壓和套壓較高時(shí)，泵的舉升壓力ΔP小，F(xiàn)f將變大，桿柱所在的位置越深，桿柱所受的F越小。對于空心桿外徑大于實(shí)心桿，會(huì)增大泵的出口壓力，增大泵自身對扶正器和桿柱的舉升力，由式 （1）計(jì)算F值也就小于實(shí)心桿。把桿柱看成一端固定，一端自由的壓桿，其臨界力Pcr為：

式中，E為壓桿材料的彈性模量；I為壓桿橫截面對中性軸的慣性矩，N·m；L為壓桿的長度，m。

當(dāng)F＜0且∣F∣＞Pcr時(shí)，桿柱就會(huì)失穩(wěn)，產(chǎn)生彎曲。因此偏磨段常常在中下部，出現(xiàn)空心桿比實(shí)心桿偏磨幾率高的現(xiàn)象。某井為GLB500型螺桿泵，使用?25實(shí)心桿，套壓0.3MPa，油壓0.6MPa，偏心距9.46mm，轉(zhuǎn)子直徑34.6mm，其失穩(wěn)臨界點(diǎn)在784m，桿柱將在784m以下彎曲。

2）離心慣性力作用 由于桿柱質(zhì)量中心偏離井筒幾何中心，在旋轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)量偏心所產(chǎn)生的離心慣性力使桿柱發(fā)生彎曲，當(dāng)彎曲撓度達(dá)到管桿徑向間隙時(shí)，將發(fā)生摩擦［3］。

圖1為桿彎曲與油管摩擦示意圖。桿柱軸向力隨井深減小，在橫向力作用下桿柱彎曲，同時(shí)桿柱會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，兩者平衡的情況下，桿柱彎曲中心線以穩(wěn)定的弓形面繞井筒軸線公轉(zhuǎn)，桿柱橫截面以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，即可認(rèn)為桿柱中心線的弓形面將以地面轉(zhuǎn)速繞井筒中心線旋轉(zhuǎn)（圖1）。此時(shí)檢泵發(fā)現(xiàn)桿在管壁上呈圓周磨損的痕跡。

圖1 桿彎曲與油管摩擦示意圖

由離心慣性力所引起的彎矩為：

式中，Mw1為由慣性力引起的彎矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r／min；ΔL為相鄰2扶正器間的一段抽油桿的長度，m；a為與撓曲線變形方程有關(guān)的系數(shù)。

從式（3）看出，螺桿泵工作時(shí)，離心慣性力所引起的彎矩與轉(zhuǎn)速n和2扶正器的間距ΔL的平方成正比。以某井為例，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速，扶正器間距的彎矩值，如表2所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速和扶正器間距對彎矩影響大。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，不安裝扶正器或扶正器布置較少時(shí)，離心慣性力引起的彎矩也就隨之增加，導(dǎo)致桿柱彎曲，增加偏磨幾率。

表2 不同轉(zhuǎn)速、扶正器間距的彎矩

2.2 管柱偏磨因素

常用的管柱底部螺桿泵定子下端的錨定工具是支撐卡瓦，當(dāng)油管座封時(shí)，整個(gè)管柱受壓，扭力由支撐卡瓦承受，作用在套管上［4］。油管承受的拉 （壓）力除油管自重外，在頂部還附加了壓力Fj，管柱在重力Fg和Fj的壓力下，使管柱發(fā)生彎曲。

將油管簡化為一端固定，另一端自由的細(xì)長桿建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算油管管柱彎曲變形。當(dāng)管柱在重力Fg和Ff的作用下，所受壓力超過失穩(wěn)臨界力Pcr時(shí)，油管柱失穩(wěn)發(fā)生彎曲。抽油桿摩擦油管的情況取決于油管的幾何尺寸和失穩(wěn)程度，油管失穩(wěn)后，彎曲比直井嚴(yán)重，抽油桿磨損油管也越嚴(yán)重。

3 螺桿泵井偏磨的治理

3.1 完善抽油桿扶正器

1）扶正器的布置 由于40%以上的井都發(fā)生偏磨，安裝扶正器的部位偏磨情況有所減輕，但在未安裝扶正器的部位仍然偏磨。鑒于這種情況，對發(fā)現(xiàn)偏磨的井全井下扶正器。

2）扶正器的改進(jìn) 在偏磨發(fā)生段，安裝扶正器的桿接箍未磨或磨損輕微，未安裝的桿接箍發(fā)生偏磨，另外由于桿柱與扶正器間的旋轉(zhuǎn)作用，每根桿的上接箍處都有不同程度的磨損。為防止桿管之間的偏磨以及桿和扶正器之間因來回旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磨損，在眾多種類的扶正器中，可防串限位式扶正器結(jié)構(gòu)較為合理，目前正在應(yīng)用的扭卡式快裝扶正器過流通道較大，但不能防止串動(dòng)，有效保護(hù)接箍。因此，必須對扶正器進(jìn)行限位。對實(shí)心錐螺紋桿限位是采用扭卡式防串扶正器，或安裝扶正短接，對空心桿，采用摩擦焊接墩出限位箍防止其串動(dòng)，在限位段直接安裝扭卡式扶正器，既有效地保護(hù)了接箍，又有效地防止了桿接箍的磨損。

3.2 合理的抽汲參數(shù)

對泵實(shí)行降級使用，借檢泵時(shí)機(jī)換大一級泵，降低轉(zhuǎn)速，使螺桿泵在中、低速運(yùn)行，在滿足供排需求的前提下，使轉(zhuǎn)速降到最低，有效減輕和防止桿管偏磨，減少桿管斷脫、偏磨幾率。表3給出了各種泵型螺桿泵井合理的轉(zhuǎn)速范圍及所對應(yīng)的實(shí)際排量。統(tǒng)計(jì)借檢泵換大泵25口井，平均轉(zhuǎn)速由143r／min下降到122r／min，通過換大泵，調(diào)整參數(shù)更好的抑制了桿管的偏磨現(xiàn)象。

表3 泵型合理的轉(zhuǎn)速范圍對應(yīng)的實(shí)際排量

3.3 不壓井油管錨現(xiàn)場試驗(yàn)

為解決支撐卡瓦坐封時(shí)壓油管頭后油管彎曲的問題，在部分井進(jìn)行了液壓坐封式油管錨和翻板式防轉(zhuǎn)錨試驗(yàn)。液壓坐封式油管錨采用打壓坐封，卡瓦成功釋放后，管柱處于拉伸狀態(tài)，解決了壓油管頭后油管彎曲產(chǎn)生偏磨的問題。翻板式油管錨生產(chǎn)時(shí)管柱處于自由下垂懸掛狀態(tài)，油管的工作狀態(tài)得到改善。

3.4 加強(qiáng)管體檢測

檢泵時(shí)，對發(fā)現(xiàn)偏磨的井，必須投球打壓、驗(yàn)油管、管體檢測，最大限度的避免不合格的油管下井。

3.5 確保資料準(zhǔn)確

下泵時(shí)，泵型的選擇都是根據(jù)井的正常產(chǎn)量、液面情況，即地層的供液能力確定的，如這些數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，泵型選擇偏小，不但影響產(chǎn)量，調(diào)高轉(zhuǎn)速后，勢必加重偏磨。為使液面檢測準(zhǔn)確，井口必須具備定壓放氣功能，做到定壓放氣，將套壓控制在0.8MPa以內(nèi)。冬季必須安裝防凍壓力表。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）離心慣性力引起的彎矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，低轉(zhuǎn)速可有效減輕偏磨。

2）對全井扶正雖然可較好的防止偏磨，但會(huì)增大摩擦阻力和扭矩，扶正器的布置還需要作進(jìn)一步的研究。通過扶正器的限位，對防止桿箍的偏磨具有一定的效果。

3）不壓井油管錨解決了油管受壓彎曲的問題，但有缺陷，有待進(jìn)一步試驗(yàn)。

4）要徹底解決螺桿泵井的偏磨問題，應(yīng)實(shí)現(xiàn)無油桿采油，嘗試使用電潛式螺桿泵。

［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］北京科技大學(xué)，東北大學(xué) .工程力學(xué) （運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)）（1997年修訂版）［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［3］祝慶遠(yuǎn) ，王民軒 .螺桿泵采油油管柱彎曲對抽油桿柱的影響 ［J］.石油機(jī)械，2000（10）：38－39.

［4］張勝利，崔金榜 .地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵錨定裝置及受力分析 ［J］.石油機(jī)械，1998（5）：22－25.