螺桿泵桿管的磨損原因分析及防治探討

【摘要】在螺桿泵的工作過(guò)程中總存在不同程度的桿管磨損問(wèn)題，這就需要對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，探討合理的解決方案。本文主要是從螺桿泵的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，分析磨損產(chǎn)生的原因：機(jī)械磨損和腐蝕磨損，并分析其機(jī)理，以此來(lái)探索解決磨損的途徑和方法，實(shí)現(xiàn)螺桿泵的高效工作。

【關(guān)鍵詞】螺桿泵；磨損；腐蝕

在油田開(kāi)發(fā)中，螺桿泵因其體積小、安裝方便、無(wú)污染、能耗低、維修方便等特點(diǎn)而廣泛使用，尤其是對(duì)聚合物驅(qū)油、三元復(fù)合驅(qū)油的采出井。在相同工況條件下，其成本比其他機(jī)采設(shè)備低20%～30%。其缺點(diǎn)是揚(yáng)程有限，桿管磨損現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。有效地防治磨損已經(jīng)成為目前油田亟待解決的問(wèn)題。

一、螺桿泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

螺桿泵按不同驅(qū)動(dòng)方式可分為地面驅(qū)動(dòng)和井下驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)。目前，油田常用的是地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵主要由電控部分、地面驅(qū)動(dòng)部分、井下螺桿泵、配套工具等四部分組成。其中井下螺桿泵主要是由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子就是泵筒，是由一種堅(jiān)固、耐油、抗腐蝕的合成橡膠精磨成型，然后被粘接在鋼殼體內(nèi)而成。轉(zhuǎn)子是通過(guò)精細(xì)加工、表面經(jīng)過(guò)處理的高強(qiáng)度螺桿。其工作原理：螺桿泵是靠空腔排油，即轉(zhuǎn)子和定子之間形成一個(gè)個(gè)互不連通的密閉腔室。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運(yùn)移，封閉腔在排出端消失。空腔內(nèi)的原油也就隨之由吸入端均勻地?cái)D向排出端，同時(shí)又在吸入端形成新的低壓空腔將原油吸入。這樣，封閉空腔不斷地形成、運(yùn)移和消失，原油不斷地充滿、擠壓和排出，從而把井下的原油不斷地吸入，通過(guò)油管舉升到井口。

二、螺桿泵井磨損原因分析

地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵井是由地面高速運(yùn)動(dòng)的電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)頭帶動(dòng)井下抽油桿柱作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)方式區(qū)別于抽油機(jī)井的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，它的磨損機(jī)理與抽油機(jī)井有所不同。螺桿泵桿管產(chǎn)生磨損的原因主要有機(jī)械磨損和腐蝕磨損兩類(lèi)。

1、機(jī)械磨損

機(jī)械磨損是使桿管失效的主要原因。偏磨所產(chǎn)生的危害是使桿管因?yàn)槟p而失效，甚至斷裂，這主要是由機(jī)械作用而產(chǎn)生的。導(dǎo)致磨損的因素包括井身結(jié)構(gòu)、油管彎曲、質(zhì)量偏心以及含水率。

由于井身結(jié)構(gòu)不垂直，導(dǎo)致油管在井筒內(nèi)發(fā)生偏移，而油管內(nèi)的抽油桿在重力作用下趨于垂直，致使管桿接觸磨損。影響抽油桿或油管磨損的井況因素有井斜角、套管損壞和變形。在鉆井過(guò)程中，存在井斜角造成了桿管之間的偏磨。隨著井斜角增大，油管與抽油桿彎曲會(huì)更嚴(yán)重，桿管偏磨也逐步加劇。套管損壞和變形使井下旋轉(zhuǎn)抽油桿在工作中隨時(shí)都可能造成抽油桿磨斷或扭斷等事故。

隨著坐封力的增大，封隔器上端油管的下段就會(huì)因?yàn)橛凸苌隙说膲毫Ξa(chǎn)生失穩(wěn)彎曲，從而導(dǎo)致抽油桿在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與油管相互摩擦，造成抽油桿與彎曲油管的磨損。并且坐封力越大，油管彎曲程度越大，桿管偏磨也就越嚴(yán)重。

螺桿泵桿柱在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，抽油桿為均質(zhì)量的細(xì)長(zhǎng)桿柱。由于桿柱質(zhì)量偏心和慣性力的作用，使細(xì)長(zhǎng)的桿柱不可能保持豎直狀態(tài)，而會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移。離心力進(jìn)一步加劇側(cè)向位移的產(chǎn)生，桿柱在彈性作用下將產(chǎn)生恢復(fù)力，減少側(cè)向位移的產(chǎn)生。當(dāng)離心力大于恢復(fù)力時(shí)，抽油桿柱的側(cè)向位移將會(huì)逐步增大，導(dǎo)致桿柱與油管壁接觸，使得桿管發(fā)生偏磨。

原油含水率低時(shí)，桿與管的摩擦面能夠形成良好的油潤(rùn)滑；而含水率高時(shí)，兩個(gè)摩擦面處于水潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)增大，增加了兩個(gè)表面的摩擦阻力，從而加快表面磨損，加劇油井的桿管偏磨。

2、腐蝕磨損

2.1腐蝕磨損的內(nèi)容

腐蝕磨損失效是指在摩擦過(guò)程中，桿管與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生了化學(xué)或電化學(xué)作用，這種作用加劇了材料的磨損。其特征是化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損同時(shí)存在并互相促進(jìn)。機(jī)械磨損可以除去桿管表面的可緩腐蝕產(chǎn)物，把新的金屬暴露在介質(zhì)中，從而促進(jìn)了磨損面的腐蝕。

2.2腐蝕磨損的原因

隨著含水的不斷增加，油井產(chǎn)出液的化學(xué)性質(zhì)也在發(fā)生變化。由油包水轉(zhuǎn)換為水包油，摩擦的潤(rùn)滑劑由原油變?yōu)楫a(chǎn)出水，產(chǎn)出水直接接觸金屬，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。產(chǎn)出液中Cl-1、H2S等化學(xué)物質(zhì)的大量增加，導(dǎo)致了化學(xué)腐蝕的速度大大增加。腐蝕和偏磨可以互相促進(jìn)，當(dāng)桿管磨損以后，就加快了腐蝕的速度，而桿管被腐蝕后，其強(qiáng)度降低，磨損的速度也會(huì)加快。產(chǎn)出液含水較高及產(chǎn)出液的強(qiáng)腐蝕性，使桿管螺紋聯(lián)接處產(chǎn)生縫隙腐蝕；另外，由于產(chǎn)出液對(duì)油管公螺紋外緣的沖刷作用，再加上產(chǎn)出液的強(qiáng)腐。蝕性，發(fā)生沖蝕，易使油管公螺紋老化。油管螺紋聯(lián)接處處在偏磨腐蝕、縫隙腐蝕和沖蝕的綜合作用下，易使該處產(chǎn)生油管斷脫、刺漏。

由于油井的產(chǎn)出液具有強(qiáng)腐蝕性，而所用的油管耐腐蝕性能達(dá)不到要求，油管表層涂料的強(qiáng)度和耐腐蝕性較差，再加上已經(jīng)存在的偏磨，因此，油管腐蝕、磨損嚴(yán)重，甚至穿孔和磨蝕成裂縫。腐蝕疲勞的特點(diǎn)：在介質(zhì)作用下，材料疲勞強(qiáng)度顯著降低。

2.3腐蝕磨損的形式

腐蝕磨損主要形式包括間隙腐蝕、點(diǎn)蝕、細(xì)菌腐蝕等。抽油桿與油管之間的有縫隙的地方都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕是由于縫隙內(nèi)外的宏觀電池造成的?？p隙腐蝕產(chǎn)生的蝕坑會(huì)造成密封不良，便將導(dǎo)致疲勞壽命下降。點(diǎn)蝕的主要起源是鋼材表面的缺陷如位錯(cuò)、晶界、疏松、夾雜物等。按環(huán)境分，桿管腐蝕可分為硫化氫腐蝕、二氧化碳腐蝕、溶解氧腐蝕等。硫酸鹽還原菌是厭氧微生物，它不是直接地腐蝕金屬，而是在還原水中的硫酸鹽時(shí)產(chǎn)生硫化氫，引起硫化氫腐蝕，其產(chǎn)物是黑色的硫化鐵，其中有大量的硫酸鹽還原菌。

三、螺桿泵桿管磨損治理對(duì)策

由于螺桿泵井磨損主要以機(jī)械磨損為主，所以防治磨損應(yīng)該從防治機(jī)械磨損入手，同時(shí)兼顧防治腐蝕磨損，從而達(dá)到治理?xiàng)U管磨損的目的。主要措施是控制井斜角、使用扶正器、調(diào)整驅(qū)動(dòng)頭轉(zhuǎn)速以及使用三防油管

在鉆井中，井斜角對(duì)抽油桿、油管偏磨影響較大。因此，在鉆井過(guò)程中要盡量控制井斜角不能過(guò)大，以防改變桿管的受力狀態(tài)，增加偏磨。

需要封層的油井應(yīng)使用低坐封載荷封隔器。同時(shí)，配套使用坐封噸位控制器，使泵上油管處于受拉狀態(tài)，這樣可防止泵上油管因受壓而彎曲，從而減輕管桿偏磨。也可以采取一些新型錨定裝置直接錨定油管，從根本上避免油管彎曲。

使用扶正器是解決螺桿泵偏磨的有效途徑。抽油桿柱在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中全程受拉，裝置扶正器可有效減少驅(qū)動(dòng)桿柱與油管內(nèi)壁的磨損、振動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)桿柱的壽命。扶正器的數(shù)量應(yīng)合理，位置要適當(dāng)。

螺桿泵井工作轉(zhuǎn)速高，其抽油桿承受扭矩大，桿柱在離心力作用下產(chǎn)生的偏心距也大。而且轉(zhuǎn)速高使得抽油桿柱振動(dòng)加劇，容易使抽油桿與油管內(nèi)壁發(fā)生碰撞。不但桿管發(fā)生偏磨，而且極易造成抽油桿柱出現(xiàn)疲勞斷裂，或發(fā)生脫扣現(xiàn)象。確定合理的工作轉(zhuǎn)速，既可以提高抽油桿的安全性能，又可以防止桿管偏磨。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，轉(zhuǎn)速在75～90r/min時(shí)可取得較好的效果。

三防油管主要特點(diǎn)是在鋼制油管的內(nèi)外表面各涂覆一層防護(hù)層，具有防結(jié)蠟、防結(jié)垢和防腐蝕的三防作用，成本低、節(jié)能降耗、使用壽命長(zhǎng)，主要應(yīng)用于聚區(qū)和三元復(fù)合驅(qū)的采油井中，有效地抑制了腐蝕磨損的發(fā)生。

綜上所述，影響螺桿泵井桿管磨損的因素有機(jī)械磨損和腐蝕磨損兩大類(lèi)，并且以機(jī)械磨損為主，輔食磨損為輔。對(duì)于其防治則需要從防治機(jī)械磨損入手的同時(shí)要兼顧腐蝕磨損的防治。