螺杆泵井杆管柱力学研究
第1章 概 述
1.1研究目的及意义
螺杆泵采油系统从驱动方式划分可分为地面驱动和井下驱动两种方式，其中地面驱动发展较早、也比较成熟，随着地面驱动螺杆泵工艺技术的不断完善，越来越多的油田采用了地面驱动螺杆泵这种机械采油方式。
地面驱动螺杆泵采油系统主要由地面设备和井下设备组成。井下设备有螺杆泵和锚定工具，地面设备主要有驱动头、动力设备及井口。动力源将动力传递给驱动头，再通过驱动头减速后，由方卡子将动力传递给光杆，再经与光杆连接的抽油杆柱将动力直接传至井下螺杆泵。螺杆泵举升的原油沿抽油杆与油管的环形空间上升到井口，进入输油管线。
随着油田开发的不断深入，螺杆泵独特的性能优势在油田生产中的作用越来越明显，已成为油田的主要举升方式之一。尤其是开采常规稠油油田，在开发到达中后期，随着油田含水的不断增加，采用注聚合物提高采收率，油井见效后，常规的抽油机采油面临严重的偏磨问题，油田上尝试采用大排量的螺杆泵进行生产，其特点是转速高，传递扭矩大，使得抽油杆的振动剧烈，在一定的频率下抽油杆的振动引起抽油杆和油管的共振，高转速、大扭矩和振动等问题使得驱动杆柱失效问题和杆管偏磨问题日益突出，造成地面驱动螺杆泵检泵周期太短，使得对地面驱动螺杆泵井采油系统杆柱受力进行研究，提高杆柱工作可靠性成为目前亟待解决的问题。
1.2 国内外研究现状
近些年来，螺杆泵采油技术在世界石油发展中起到了重要作用。螺杆泵采油技术的发展[1]以及人们观念的更新，使螺杆泵不断在重油和含砂井中应用，而且在稀油井、大排量井、排水采气和后期水驱油田采油中得到应用。螺杆泵正朝着规范化、系列化方向发展。目前最大下泵深度已经达到3000m（160m3/d），最大排量已经达到1000m3/d（800m）。螺杆泵采油具有其它抽油设备所不能代替的优越性，而且国内在制造、应用等方面都取得了长足的进步。
近年来，大庆油田在螺杆泵举升配套工艺技术方面，以降低机械采油成本为目标，开展了螺杆泵采油工艺技术研究。现场应用试验证明，螺杆泵具有良好的经济性，与相同举升能力的抽油机相比，使用螺杆泵的一次性投入和耗电都大幅度降低。而且，我国油田螺杆泵的使用寿命最长已超过1600d，有些井的免修期已经超过了1000d。在螺杆泵配套技术攻关的过程中，针对制约大中排量螺杆泵发展的杆柱问题，进行了插接式防脱杆和钻杆螺纹抗扭杆为主的螺杆泵专用抽油杆的攻关试验，与常规抽油杆相比降低了9.98个百分点；此外，对井口密封形式、电机基础及电机底座进行了改进，改善了井口密封效果，提高了地面设备的运行稳定性。在大庆油田应用的大排量螺杆泵，目前运转时间最长已达到645d。
多次现场试验证明，螺杆泵展现了良好的经济效益，主要表现在以下几个方面：
   （1）重油井的应用
辽河油田间歇式棘爪防反转装置的研制与应用，有效地防止了螺杆泵停机后的抽油杆高速反转及杆柱断脱现象的发生；变频器在螺杆泵井上的应用，实现了螺杆泵的软启动、软停机；油井液量的合理调整等技术配套措施，使螺杆泵在稠油开采方面取得了良好的应用效果。
在俄罗斯的某些油矿，螺杆泵采油井最长的检泵周期为二年零九个月。中、小排量螺杆泵的泵效达到70％。在粘度为1400mPa•s的油井条件下，油井的最长检泵周期达340d。在委内瑞拉，应用螺杆泵与抽油机举升相比，超稠油井的产量增加了35％，作业量减少了83％，电耗减少了70％，泵效提高了53％。
   （2）稀油井的应用
在印尼的Melibur油田（原油粘度8.3mPa•s），采用螺杆泵代替电潜泵采油，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70％，维护费减少了35％，缓解了油田电力供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，原油为35oAPI，泵挂深度1200m，应用大排量螺杆泵80口，日产量160000桶（25600m3/d）。
   （3）中后期水驱油田采油的应用
目前，我国许多大油田陆续步入高含水期甚至特高含水期，这种状况导致许多高含水油井的开采形成高投资低收益的局面，有些井几乎失去开采价值。事实上，一个油田相当一部分储量要在高含水期采出，对于那些接近高含水极限的油井，我们也不能放弃。在当前强调各种控水稳油措施的同时，还应该再寻找更为合理的机械举升方案。由于螺杆泵采油装置具有节能高效的特点，用于开采中后期水驱油藏高含水油井时，它的性能明显优于常规游梁式抽油机及电潜泵。
   （4）复杂工况井的应用
在加拿大井下螺杆泵被应用于含水90％，水中含盐180000mg/L、含二氧化碳12％和含硫7％的油井。
在阿根廷，应用于最高井温达127℃的井中。
在利比亚，应用于芳烃含量11％（65℃）的油井。
在加拿大应用于含砂高达20％（体积比）的油井，使用寿命达到6个月。在加拿大，螺杆泵还用于水平井排砂。
由此可见，螺杆泵作为一种机械采油设备，具有其它抽油设备不可替代的优越性。
地面驱动单螺杆泵井的抽油杆柱是将动力从地面传递到泵的设备，在螺杆泵工作过程中，同时承受着拉伸载荷和扭转载荷，其设计的好坏直接影响对动力的传递和使用寿命。许多学者对这一问题开展过研究，并取得了许多研究成果。
1995年陈宪侃，叶利平提出应用弹性理论分析细长杆传递扭矩的受力特点，考虑到细长杆受力扭矩后由于弹性变形产生的蓄能现象，一旦抽油杆下部断脱使杆柱承受扭矩增加的影响，提出了一种传递扭矩的杆柱设计方法。
1997年石油勘探局开发科学研究院高圣平提出在井下单螺杆抽油泵系统中，抽油杆柱既传递扭矩又承受轴向载荷，其受力状态与常规抽油系统中的抽油杆柱大不相同。对井下单螺杆泵抽油杆进行了受力分析，提出了井下单螺杆泵抽油泵杆柱设计的原则和在二向应力状态下等强度组合杆柱设计和计算方法。
1998年王旱祥，张彦廷等进行了地面驱动单螺杆泵杆柱的组合设计，提出了根据地面驱动单螺杆泵的工作特点把杆柱设计成两级杆柱的等强度组合方法。
在分析总结了以上研究成果的基础上，本文分析了螺杆泵抽油杆柱受力问题，并且从杆管受力角度分析了螺杆泵井偏磨现象产生的原因，提出了解决螺杆泵井偏磨现象的具体技术，以便更好对螺杆泵进行应用。
1.3 螺杆泵采油系统的发展趋势
井下采油单螺杆泵主要朝增大泵的下井深度、加大泵的排量、延长泵的使用寿命和拓宽泵的使用范围等方向发展。为此，在以下几个方面进行了大量的研究工作：
   （1）开发不同工况下的定子衬套材料，使其在恶劣条件下具有良好的机械性能。
   （2）研制抗磨抗腐蚀的转子材料，降低设备使用成本。
   （3）优选更合理的结构参数。
   （4）完善配套工具，主要包括：
①防止泵抽空的液面控制装置。
②抽油杆导向器或抽油杆扶正器，以减少抽油杆与油管之间的磨损。
③可调速驱动系统。
④防止油管倒扣装置或固定锚，以保证油管联接处于正常工作状态。
⑤液压速度限制器，以释放停泵时抽油杆储藏的能量。
   （5）为适应深井、斜井和水平井采油作业的要求，近年来，国外非常重视电动潜油螺杆泵的开发，并取得了较好的应用效果。
据美国权威人士预言，以后的地面螺杆泵将在中浅井、深井和低产油田普遍采用，代替常规的抽油机，成为主要的机械采油设备。高粘油占我国地质总储量的1/6以上，目前除了热采外，还没有更理想的机械采油设备。近年来，一些油田相继使用螺杆泵开采高粘度原油，取得了较好的经济效果。部分低产油田和少数过去认为没有开采价值的油田应用地面驱动螺杆泵开发，也见到了明显的效果。地面驱动螺杆泵在我国18个油田均有一定限度的使用和局部推广。我国现有油水井很多，但使用螺杆泵的还很少。随着制造质量的提高，配备技术的完善和使用经验的不断丰富，螺杆泵的应用范围将会进一步扩展。电动潜油螺杆泵也是无杆泵采油的另一发展趋势，这一技术已经引起了我国石油界的重视，一些人正着手该技术的研究准备工作，预计在有关领导的关注和有关部门的密切协作下，该技术会得到迅速发展和推广。
随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也越来越高，为了适应螺杆泵发展的要求，研究领域也表现的比较活跃。近几年来出现了许多新式结构，使用了许多新材料，出现了许多新的构思方案，使螺杆泵的使用性能和使用寿命大大提高，使用数量增加，应用前景更加广阔。
1.4本文研究的主要内容
螺杆泵采油系统目前存在的问题有：
（1）随着地面驱动螺杆泵采油技术在我国的推广和使用以及随着油田的不断开发，油井深度不断增加，螺杆泵的排量不断增大，抽油杆柱承受拉力、扭矩和弯矩等，受力复杂，强度和疲劳等问题越来越突出。
（2）随着大排量螺杆泵在油田的使用，以及螺杆泵用于高含水油井，地面驱动螺杆泵井的杆管柱偏磨问题日趋严重。
（3）螺杆泵井的诊断检测技术和分析诊断技术不完善。
本文主要的研究内容为：
（1）建立杆柱受力计算理论和方法。
（2）针对地面抽油螺杆泵油井偏磨现象，从受力角度分析偏磨机理以及影响因素。对地面驱动螺杆泵井油管柱弯曲情况进行分析研究，对杆柱扶正器的安放位置进行理论计算。
（3）实例分析、编制程序进行了计算。

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