螺杆泵井防偏磨技术探究

螺杆泵井防偏磨技术探究

田军

田军（江汉油田采油厂采油14队湖北·潜江433124）

摘要针对螺杆泵井在推广应用中出现杆管偏磨日趋严重化的现象，系统的分析了引起杆管偏磨的原因，并且提出了相应的防治措施：控制井斜度，筛选防转锚代替坐封，合理使用扶正器，把驱动头转速控制在一定范围，引进高抗扭矩抽油杆等。

关键词螺杆泵井抽油杆管偏磨油管柱弯曲防治措施

随着我国油田开发力度的加大，油井深度也在不断增加，各种斜井、定向井不断涌现，由于螺杆泵井抽油杆偏磨及断脱越来越严重，极大的限制了仅靠抽油杆的旋转来传递动力的地面驱动的应用。抽油杆与油管偏磨现象不仅损坏装置，而且增加了修井作业次数，降低了油井生产效率和产油量，提高了采油成本。因此，如何解决抽油杆和油管偏磨成了摆在油田工作者面前一个亟待解决的问题。

一、偏磨原因分析

（一）含水率高。原油含水率低时，管与杆的摩擦面形成良好的油润滑；而含水率高时，含水率上升会使抽油机悬点载荷增大,杆管偏磨增加；当油井含水继续升高时，粘度逐渐降低，杆、管间的油、蜡润滑作用大为减小，杆管磨损加剧，此时磨损产生新的创面，因井筒内含O2及其它腐蚀气体而加剧了腐蚀。此外,油田进入高含水期后,因原油含水率升高,而密度增大,浮力增加,下冲程抽油杆下部受压的力增大,加剧了杆的弯曲,偏磨加剧。例如某井,若均按22mm的杆粗略计算，杆下部受压力增大。这个力虽然不大，但对于长径比很大的抽油杆来说，无疑会增加杆的弯曲并加剧杆、管的偏磨,是不可忽视的。在聚驱条件下,采出液含聚合物较高时，低剪切速率下可呈现假塑性流体，高剪切速率时可呈现一定的粘弹性特征[1],由于聚合物可能在抽油杆的接箍等狭窄处缠饶，流速较快时呈现一定的粘弹性，进而使摩擦阻力增大,杆弯曲，导致偏磨加剧。

（二）井身结构不垂直。1.井斜角。对于常规直井来说,井斜角小于3°为合格。在钻井过程中,虽经过多次纠偏,但井底的实际位置仍和靶心有一定距离。例如:当井深为1500m时,其实际井底位置距靶心的距离大约有7.5m。所以,直井并不能做到与地面绝对垂直,存在井斜角。同时,在钻井过程中由于有方位角的存在,以及受地层压力不均衡的影响,使得井眼轨迹产生变形。下放管柱后由于受油井井眼轨迹的影响,油管柱这种细长杆必然与套管有多个点接触,抽油杆也如此。因此,造成了杆管之间的偏磨。随着井斜角增大,油管与抽油杆弯曲会更严重,杆管偏磨也逐步加剧。【2】2.套管损坏和变形。套管不同程度地损坏和变形,更使井下旋转抽油杆处在恶劣环境内,在工作中随时都可能造成抽油杆磨断或扭断等事故。套管内径小,易使驱动杆在弯曲状态下运转,也容易造成磨损。

（三）质量偏心。螺杆泵的结构特征及转子的偏心运动特征，决定了转子以及与转子相连接的底部抽油杆做偏心旋转运动。转子的偏心在3-10mm。由于油管与抽油杆间的环空有限，如不采取相应的措施，必然会导致底部抽油杆与油管之间的磨损。其次，杆泵抽油杆柱在高速旋转时,由于杆柱的质量中心偏离竖直井筒的几何中心线，质量偏心所产生的离心惯性力将使杆柱发生弯曲，当杆柱的弯曲挠度达到油管和杆柱的径向间隙时，杆柱将与油管发生摩擦。旋转杆柱的轴向力是随着井深减少的。在横向力的作用下，杆柱发生弯曲，同时杆柱因弯曲刚度和拉压刚度将产生弹性恢复力，两者平衡时，杆柱弯曲中心线将以稳定的弓形面绕井筒轴线做公转，杆柱横截面将以稳定的转速杆柱弯曲中心线自转。当井较深，杆柱的长度相当大，杆柱弯曲和拉压刚度相对较小，公转和自转的差别可不区分。即可认为杆柱中心线的弓形面将以地面转速绕井筒中心线旋转。此时在检泵时就会发现杆在管壁上呈圆周磨损的痕迹。其次，螺杆泵的结构特征及转子的偏心运动特征，决定了转子以及与转子相连接的底部抽油杆做偏心旋转运动。转子的偏心在3-10mm。由于油管与抽油杆间的环空有限，如不采取相应的措施，必然会导致底部抽油杆与油管之间的磨损【3】。

（四）油管柱弯曲原因及计算方法。1.油管柱弯曲原因。管柱偏磨主要由管柱底部螺杆泵定子下端的锚定工具(支撑卡瓦)造成的。这种下压式支撑卡瓦坐封时，管柱处于下顶、上压状态,近1000m的油管下入井内，全部重量压在卡瓦牙上,管柱本身在重力作用下弯曲，又要承受拉(压)力，使管柱加重弯曲，当管柱承受的力大于失稳临界力时，产生偏磨【4】。2.油管柱弯曲变形计算。油管柱属细长杆，油管在轴向压力作用下失稳而发生弯曲。计算时作如下假设:(1)油管锚牢牢卡住套管内壁,无相对位移；(2)油管柱不考虑接箍的影响；(3)忽略失稳弯曲段油管质量。

建立相应数学模型计算油管柱弯曲变形时,将油管柱简化为一端固定,另一端自由的细长杆模型，其失稳临界力P为

P=π2EI/(4L2)（1）

式中：E为油管的弹性模量，E=201Gpa；I为油管截面惯性距,I=π(D24-D14)/64，m4；L为油管锚以上油管长度，m；，D2为油管外径,，D1为油管内径，m。

在失稳临界力P作用下，油管柱失稳而发生弯曲,并靠在套管内壁上。以油管柱与套管接触点为固定点,依次计算下一个失稳弯曲段。各弯曲段长度的计算式为：

Ln=0.5π（2）

式中：m为每米油管质量,kg/m；g为重力加速度，m/s2。

二、偏磨防治措施

（一）控制井斜角。在钻井中，井斜角对抽油杆、油管偏磨影响较大。因此，要尽量控制井斜角，不能超过三度并使其尽可能的小，以防改变杆管的受力状态，增加偏磨。

（二）筛选防转锚。螺杆泵常用的锚定工具是支撑卡瓦,由于坐封时压油管头使油管发生弯曲,导致杆管偏磨。为了解决这一问题,通过筛选、试验,改用翻板式防转锚。该防转锚设计有6片卡块,承受扭矩3000N·m以上。当螺杆泵工作时,卡块在板簧的弹力作用下,卡在套管内壁上,锚定螺杆泵定子,同时管柱处于拉伸状态。该防转锚具有扶正减震机构,改善了螺杆泵的工作状态,可以使牙块有效贴紧套管内壁。

（三）使用扶正器。抽油杆在传送扭矩的同时，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。为了减少驱动杆柱与油管内壁的磨损、振动，提高驱动杆柱的寿命，必须对抽油杆柱进行扶正，下置扶正器。但是扶正器的安放位置直接影响到管杆之间的偏磨。目前计算扶正器安放位置的方法很多，最直接方法是根据抽油杆旋曲来确定扶正器位置。为了避免抽油杆柱不与油管柱发生碰撞接触，应该采取不同位置安放扶正器，使恢复力大于离心力。

假设扶正器之间的抽油杆柱以扶正器的中心线为轴做旋转运动，那么对于一个微小的侧向位移y，将产生离心力：

Fc=myω2（3）

式中:Fc为抽油杆柱产生的离心力,N；m为扶正器间抽油杆柱的质量,kg；y为弯曲绕度,m；ω为抽油杆柱的旋转角速度,r/s。

同时杆柱自身产生恢复力：

Fr=ky=myp2（4）

式中:Fr为相邻扶正器间产生的弹性恢复力,N；p为抽油杆固有的频率；k为相邻扶正器间抽油杆柱在轴向力作用下的恢复力系数,N/m。

根据抽油杆柱发生旋曲的临界状态，可令两式相等，得出抽油杆的临界转速为:

n=π-1（5）

这样就知道了该井的抽油杆的转速，进而可以确定扶正器的最大安放位置。【5】

（四）调整驱动头转速。螺杆泵井工作转速高，其抽油杆承受扭矩大，杆柱在离心力作用下产生的偏心距也大。而且转速高使得抽油杆柱振动加剧，容易使抽油杆与油管内壁发生碰撞。不但杆管发生偏磨,而且极易造成抽油杆柱出现疲劳断裂[6],或发生脱扣现象。确定合理的工作转速,既可以提高抽油杆的安全性能，又可以防止杆管偏磨。根据现场调研，转速在95～135r/minr时可取得较好的效果。

（五）引进高抗扭矩抽油杆。针对螺杆泵井普通抽油杆在工作状态下因拉力及扭矩过大等原因造成杆柱断脱率较高而开展了螺杆泵井杆柱断脱现状调查,分析了螺杆泵油井杆柱断脱机理和影响抽油杆失效的主要因素,研制了高抗扭矩驱动抽油杆。【7】高抗扭矩驱动抽油杆与实心抽油杆及相同外径的空心抽油杆相比具有如下优点：①能产生较大的预紧力,防止下井时脱扣；②抗扭强度提高近2倍，避免螺纹滑扣；③使用寿命提高3倍以上。

三、结论

1.严格控制井斜角，使其尽可能的小，确保钻井质量。

2.采用翻板式防转锚，可以有效的减轻杆、管运转中产生的偏磨。

3.使用扶正器防治螺杆泵井偏磨是理想的方法，因为扶正器的下放位置直接影响到杆管之间的偏磨，因此，必须选择合理的位置进行安放已达到减轻偏磨的最佳效果。

4.螺杆泵井的转速过高,杆管受压应力作用产生弯曲,是螺杆泵井发生杆管偏磨的主要原因。根据实际情况，把转速控制在一定合理范围内减轻杆管磨损。

5.螺杆泵井防偏磨技术是目前螺杆泵应用推广工作的重点,它直接影响螺杆泵井的检泵周期,关系到今后螺杆泵生产应用前景。杆管偏磨的因素较为复杂,还需要进一步细致深入研究,找出彻底解决偏磨的有效方法。

参考文献：

【1】陈实，王海文，赵伟，于建梅.螺杆泵井偏磨机理研究【J】.断块油气田，2007（01）.

【2】孙志前.大排量螺杆泵采油技术存在的问题及对策【J】.今日科苑，2008（02）.

【3】孙洁，朱晶，焦创宇.螺杆泵井防偏磨新措施【J】.油气田地面工程，2006（07）.

【4】牟刚,罗文波.螺杆泵井防偏磨方法探讨[J].油气田地面工程,2005,24(12).

【5】张霞，任志臣，陈洪维，张金红，黄冬菊.螺杆泵采油工艺技术现状【J】.油气田地面工程，2007（09）.