螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文 第7页
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第4章 螺杆泵井杆管偏磨受力分析
目前我国大庆、胜利、大港等东部主力油田已开始大量应用螺杆泵开采原油，并取得了较好的经济效益。截止到2005年底，大庆油田螺杆泵井数量已经超过1500口。胜利油田仅胜利采油厂就有131口螺杆泵井，其全年累计产油24.13万吨，占全厂产量的8.3%。但近年来，螺杆泵井杆管偏磨的现象日趋严重。据统计，大庆油田2005年因杆管偏磨而作业的井占总作业井的22.6%。因此，防治偏磨成为目前油田亟待解决的问题。
4.1抽油杆管偏磨产生原因
地面驱动螺杆泵井其工作原理是，地面高速运动的电机通过驱动头带动井下抽油杆柱作高速旋转运动，其运动方式区别于抽油机井的上下往复运动，因此其偏磨机理与抽油机井有所不同。据一组大庆油田的统计数字表明[9]，螺杆泵井的杆管偏磨位置多发生在400-900m井段。泵型多集中在大中排量螺杆泵，其中转速大于180r/min的井磨损率达到69.23%。
螺杆泵井产生偏磨的原因主要有四个方面：
（1） 井身结构不垂直引起的偏磨
由于井身结构不垂直，抽油机在井里做高速的旋转运动时，更容易与油管产生偏磨。影响抽油杆或油管磨损的井况因素有两种：井斜角、套管损坏和变形。这两种原因分别分析如下：
① 井斜角对偏磨的影响
对于常规直井来说，井斜角小于3°为合格[10]。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大约有7.5m的距离。所以直井并不能做到与地面绝对的垂直，存在井斜角。由于井筒不垂直，油管上部接在油管挂上，在油管重力的水平分力作用下，油管必须弯曲，这种弯曲叫做自然弯曲。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，因此下放管柱以后由于受油井井身轨迹的影响。油管柱这种细长杆必然与套管有多个点接触，抽油杆也是如此。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加严重，杆管偏磨也逐步加剧。
② 套管不同程度的损坏和变形
套管不同程度的损坏和变形[11]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和扭断等事故。套管内径小易使抽油杆在弯曲状态下运转，也容易造成磨损。
（2）油管受力弯曲引起的偏磨
由于螺杆泵抽油杆柱作高速旋转运动，为了防止抽油杆柱在运动中与油管发生碰撞，因此需要锚定地面抽油螺杆泵采油油管，油管锚在坐封时需要一定的坐封重力，而坐封重力将导致油管弯曲。坐封力越大，油管弯曲越严重。油管柱弯曲对抽油杆柱产生如下影响：
① 因抽油杆柱上配有扶正器，油管柱弯曲使抽油杆柱产生相同的弯曲。
② 抽油杆柱因弯曲而产生附加弯矩。
③ 抽油杆柱弯曲产生的附加应力。
（3）高含水对偏磨的影响
原油含水率低时，管与杆的摩擦面形成良好的润滑；而原油含水率高时，两个摩擦面处于水润滑状态，摩擦系数增大，大大增加了两个表面的摩擦阻力，从而加快了表面的磨损，加剧了油井的杆管偏磨。
（4）质量偏心引起的偏磨
螺杆泵抽油杆柱在较高转速下做旋转运动，抽油杆为均匀质量的细长杆柱，由于杆柱质量偏心和惯性力的作用使细长的抽油杆柱不可能保持竖直状态，而会产生侧向位移，如图4-1所示。
一方面，这些侧向位移在旋曲作用下将引起离心力，进一步加剧侧向位移的产生；另一方面，抽油杆柱的弹性作用下将产生恢复力，来减少侧向位移的产生。当离心力大于恢复力时，抽油杆柱的侧向位移将会逐步增大，导致抽油杆柱与油管壁产生接触，使得杆管发生偏磨。若没有油管柱约束，其抽油杆柱将丧失承载能力，这就是工程力学中的“旋曲”现象[12]。
图4-1 抽油杆旋曲示意图
4.2抽油杆管偏磨的防治
4.2.1 防治技术
（1）优化下泵参数
①泵型、转速的优化。因为随着螺杆泵井的转速增高，杆管偏磨的程度会加重，所以为了有效地减轻偏磨，防止杆断脱，必须降低扭矩、弯矩，减少共振。也就是必须让螺杆泵在中、低转速下运行。为此，在下泵设计时，根据油井产能，在满足供排要求的前提下，以最低转速为目标，选择泵型。同时，重新计算了各种泵型中低转速时对应的实际排量，并以此为依据确定泵型和转速，优选大泵，均以最低转速投产。
②杆泵匹配的优化。由于空心杆的外径大于实心杆，增大了泵的出口压力，增加泵对扶正器和杆柱的举升力ΔP，出现空心杆比实心杆偏磨几率高的现象。因此综合考虑过流面积、抗扭能力、系统安全和成本投入等因素，在1200型及1400型螺杆泵用Φ28mm实心锥扣SHY级工艺杆，取代原Φ38mm及Φ42mm空心D级杆。同时，Φ28mmSHY级工艺杆在总直径不变的情况下，将原HY级杆外壁加厚，由3.0mm增加到3.5mm，大大增加了杆的抗扭强度。
（2）研究配套工艺
①筛选防转锚。螺杆泵常用的锚定工具是支撑卡瓦，由于座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，改用了翻板式防转锚。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。
②应用扶正器限位技术。根据杆的不同结构，研究采取了不同的限位方法。对于实心杆，采取在两杆之间安装哑铃型扶正短节，扭卡式扶正器安装在短节上的方法，可以起到防窜和保护杆接箍的作用。对于Φ38mm、Φ42mm的空心杆，要求厂家在距杆上接头0.4m处，利用摩擦焊接堆出或直接墩出一道高度为8mm的限位箍，将扶正器安装在杆接头与限位箍之间，也可以起到防窜和保护杆接箍的作用。这两种限位方式既保护了接箍，又不节流，有效地防止了杆接箍的磨损。同时，在扶正器的安装上也应有所区别。对于转速高于120r/min的井，采取全井安装扶正器；对于转速低于120r/min的井，采取偏磨段每根杆安装一个扶正器，未偏磨段每两根杆安装一个扶正器的做法。
③调整防冲距。为避免转子顶限位销，改变杆管所受的应力，改进了提防冲距的方法。结合架子上的指重表正确操作，当杆柱下到下死点后，缓慢上提杆柱，观察指重表的变化情况。当负荷不再增加时，在杆柱上做一记号，随后缓慢下放杆柱，重复数次。最后确定转子尾部提离限位销时准确位置，以此为基础上提0.5m，作为工作时杆柱的弹性伸长量，同时要求作业时上提防冲距由原来的1.0-1.2m增加到1.3-1.4m。
4.2.2 防治方法
基于以上因素，在解决偏磨问题应多方面多角度来处理。其中涉及到钻井、完井、采油等多个方面。
（1）控制井斜角
在钻井中，井斜角对抽油杆柱、油管偏磨影响较大，因此要尽量控制井斜角不能过大，以防改变杆管柱的受力状态增加偏磨。
（2）坐封控制
需要封层的油井应用低坐封载荷封隔器（坐封载荷为20-40KN），同时配套应用坐封吨位控制器，使泵上油管处于受拉状态，这样可防止泵上油管因受压而弯曲，从而减轻管杆偏磨。也可以采用一些新型锚定装置，不用坐封直接锚定油管，从而从根本上避免油管弯曲。如旋转锚，其工作剖面图见图4-2，其原理是通过下放管柱旋转顶出3个支撑卡瓦，从而使油管锚定。
图4-2 旋转锚工作部位剖面图
（3）使用扶正器
由于强烈的横向振动可以使抽油杆与接箍的螺纹预紧力下降甚至全部消失，导致螺纹连接松动，长时间作用将造成抽油杆柱脱扣。并且在长时间反复的接触摩擦作用下，抽油杆柱很容易被磨断。可见抽油杆柱碰撞接触和振动是造成杆管偏磨和杆柱脱扣的主要原因，为消除或减弱杆柱振动的影响以及避免抽油杆柱直接与油管发生接触，避免杆管偏磨降低杆柱断脱事故的发生，采取在杆柱振动及变形较严重的部位加放扶正器的措施。
扶正器的数量应当合理，位置适当。扶正器数量过多会增加油的流动阻力，增加抽油杆柱的拉力和扭矩；扶正器的数量偏少则起不到应有的作用。扶正器的布置应遵从如下原则：
①全井布置应使扶正器使用时限相同，避免出现由于一个或几个扶正器失效引起的杆管偏磨而导致其余扶正器失效。
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