螺桿泵井桿柱失效診斷及應(yīng)對措施

楊曉影 高紅楓 蔡 勇 王 軒 熊 飛

1渤海鉆探井下作業(yè)分公司工程地質(zhì)研究所2青海油田邊遠油田開發(fā)公司3青海油田英東采油廠4青海油田采油二廠

螺桿泵井桿柱失效診斷及應(yīng)對措施

楊曉影1高紅楓2蔡 勇3王 軒4熊 飛4

1渤海鉆探井下作業(yè)分公司工程地質(zhì)研究所2青海油田邊遠油田開發(fā)公司3青海油田英東采油廠4青海油田采油二廠

采油螺桿泵廣泛應(yīng)用于我國各大油田，尤其在低產(chǎn)井和被列為無開采價值的油井上應(yīng)用后，使其重新獲得了可觀的經(jīng)濟效益。螺桿泵桿柱失效類型主要分為桿柱斷裂失效，螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效，桿柱、油管偏磨失效三種類型，失效類型產(chǎn)生的原因也各不相同。針對每個抽油井桿柱環(huán)境的特殊性，選取適宜的桿柱參數(shù)、安裝扶正器和防反轉(zhuǎn)設(shè)備，在井桿柱運行工作中對抽油桿柱安裝過載保護，采用插接式連接機構(gòu)，改良桿柱連接狀況，提高桿柱的穩(wěn)定性和持久性，不斷加強施工管理制度完善，可降低防斷脫事故的發(fā)生。

螺桿泵；桿柱失效；扶正器；過載保護；桿柱參數(shù)

20世紀80年代起，螺桿泵開始用于石油工業(yè)的人工舉升作業(yè)中，美國的Kois&Myers公司首先制造出用于采油的螺桿泵，并將其作為一種采油新技術(shù)在石油行業(yè)進行推廣[1]，其廣泛應(yīng)用于大排量井、重油井、排水采氣和水驅(qū)采油生產(chǎn)中。一些技術(shù)規(guī)范、參數(shù)也隨著采油螺桿泵的發(fā)展和工程技術(shù)人員的研究逐漸豐富起來，使螺桿泵采油向著規(guī)?；?、標準化方向發(fā)展。但是，由于螺桿泵采油技術(shù)出現(xiàn)的比較晚，螺桿泵斷脫失效機理研究還不夠完善，螺桿泵在采油工程中發(fā)揮其優(yōu)勢的同時，也出現(xiàn)了一系列的問題，尤其是桿柱失效等故障頻發(fā)，威脅了現(xiàn)場作業(yè)工人的人身安全，影響了油田的經(jīng)濟效益。因此，螺桿泵井桿柱失效診斷和預(yù)防意義重大。

1 桿柱失效診斷

采油螺桿泵廣泛應(yīng)用于我國各大油田，尤其在低產(chǎn)井和已被列為無開采價值的油井上應(yīng)用后，使其重新獲得了可觀的經(jīng)濟效益。但是隨著我國大部分油田進入開發(fā)中后期，深井、斜井、定向井數(shù)量不斷增加，螺桿泵桿柱失效問題突出。根據(jù)采油螺桿泵的應(yīng)用實例，桿柱失效類型大概分為三類[2]：①桿柱斷裂失效；②螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效；③桿柱、油管偏磨失效。

1.1 桿柱斷裂失效原因

桿柱斷裂是桿柱失效的常見形式，主要原因如下：

（1）桿柱外徑小，安全系數(shù)低。不同于往復(fù)泵抽油桿柱，螺桿泵桿柱不僅受到軸向應(yīng)力作用，而且受到因桿柱扭轉(zhuǎn)帶來的剪應(yīng)力作用。另外，高速旋轉(zhuǎn)的桿柱還可能因桿柱偏心、井斜等造成橫向不穩(wěn)定運動，彎矩加大。桿柱受力形變復(fù)雜，而目前油田生產(chǎn)中應(yīng)用的抽油桿柱設(shè)計方法僅考慮了靜載荷部分，忽略了動載荷，勢必影響安全系數(shù)。

（2）桿柱制造缺陷。桿柱在出廠時若存在制造缺陷而未檢出，會在施工現(xiàn)場投入使用時導(dǎo)致工作應(yīng)力顯著非正常增長，造成桿柱疲勞。并且，井下腐蝕部分會在高速旋轉(zhuǎn)的桿柱上迅速擴大，使桿柱的承載能力下降，最終造成斷裂。

（3）桿柱異常過載。當螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產(chǎn)時，若在井下產(chǎn)生蠟堵、砂卡等異常，使桿柱旋轉(zhuǎn)受到抑制，會迅速造成桿柱扭矩過大，使桿柱過載。另外，這些堵塞如果限制了桿柱的軸向運動，還會造成桿柱不規(guī)則運動，軸向過載。這些異常情況發(fā)生時，桿柱過載保護系統(tǒng)如果不能及時有效的工作，也會導(dǎo)致桿柱斷裂。

1.2 螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效原因

傳統(tǒng)的往復(fù)式抽油泵的抽油桿柱結(jié)構(gòu)直接嫁接到螺桿泵，但因為桿柱受力、變形情況都有差異，導(dǎo)致其不能完全適應(yīng)螺桿泵的工況，螺紋脫扣、擼扣、粘扣失效故障時有發(fā)生。主要原因如下：

（1）高速旋轉(zhuǎn)的桿柱因桿柱偏心、井斜等造成的橫向不穩(wěn)定運動使桿柱震動，不穩(wěn)定震動帶來的剪應(yīng)力和軸向應(yīng)力的忽大忽小使螺紋連接出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，在預(yù)緊力變小時就可能發(fā)生螺紋脫扣。

（2）螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產(chǎn)時，若在井下產(chǎn)生蠟堵、砂卡等異常情況，將造成桿柱旋轉(zhuǎn)抑制、扭矩過大等動作，在部分井段形成反扭矩，當反扭矩大于螺紋預(yù)緊力時，就會發(fā)生螺紋脫扣。

（3）地面電機停機時抽油桿柱失去動力，會在井下反作用力和桿柱正常工作時儲存的扭轉(zhuǎn)能量作用下進行反轉(zhuǎn)運動，高速反轉(zhuǎn)運動的慣性作用導(dǎo)致反扭矩，當其在某個瞬間超過螺紋連接預(yù)緊力時，發(fā)生脫扣。

（4）當螺紋牙齒強度不足，在桿柱承受過大扭矩或軸向應(yīng)力時，就會在螺紋連接處使螺紋牙齒出現(xiàn)剪切或彎曲損壞，導(dǎo)致螺紋擼扣。若所受應(yīng)力為擠壓應(yīng)力，螺紋牙齒出現(xiàn)強度破壞，會就造成螺紋粘扣。螺紋的應(yīng)力集中也可造成螺紋斷裂。

1.3 桿柱、油管偏磨失效原因

當高速旋轉(zhuǎn)的桿柱在斜井、定向井等油管柱中發(fā)生偏心時，桿柱會和油管柱發(fā)生碰撞摩擦，長期作業(yè)后會導(dǎo)致桿柱變形，原始設(shè)計應(yīng)力改變，同時油管柱也會在長期摩擦作用下漏失，造成桿柱和油管偏磨失效。

2 防斷脫措施

由于螺桿泵應(yīng)用歷史較短及相應(yīng)技術(shù)不夠完善，出現(xiàn)了上述諸多桿柱失效的情況，特別是桿柱斷脫問題，已經(jīng)成為施工現(xiàn)場螺桿泵故障中的主要問題[3]。因此，研究螺桿泵桿柱防斷脫措施有重要的現(xiàn)實意義。

（1）選配適宜強度的桿柱。依據(jù)施工實際，分析螺桿泵和采油井的工況，計算核對桿柱所能承受的最大載荷，選配符合施工強度的桿柱。在保證油井供液能力情況下，泵的轉(zhuǎn)速越高，其排量越大，泵效越高。但轉(zhuǎn)速過高容易造成工作狀態(tài)不穩(wěn)定和扭矩過大等，因此要選配合理的螺桿泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)國內(nèi)油田現(xiàn)場實際，轉(zhuǎn)速一般限制在60～150 r/min左右。對于轉(zhuǎn)速低于60 r/min而沉沒度小于150 m的井，應(yīng)用變頻調(diào)速，將螺桿泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到40 r/min左右，將桿柱斷脫概率降到最低。

（2）適當安裝扶正器。當螺桿泵桿柱傳遞扭矩時會發(fā)生偏心和側(cè)移，導(dǎo)致桿柱和油管壁異常摩擦。下入適當數(shù)量和型號的扶正器，將桿柱扶正，避免因桿柱與油管柱摩擦導(dǎo)致的應(yīng)力改變和漏失，防止桿柱失效。

（3）安裝防反轉(zhuǎn)設(shè)備。地面驅(qū)動設(shè)備異常停機造成桿柱反轉(zhuǎn)是桿柱脫扣的重要原因。在地面驅(qū)動設(shè)備傳動機構(gòu)上加裝防反轉(zhuǎn)設(shè)備，當驅(qū)動設(shè)備停機時，使桿柱可以得到迅速的固定，防止高速反轉(zhuǎn)，抑制螺紋連接脫扣。部分油田已將所有螺桿泵地面設(shè)備加裝防反轉(zhuǎn)設(shè)備，有效地減少了桿柱脫扣現(xiàn)象，收效良好。

（4）采用插接式連接機構(gòu)。傳統(tǒng)的抽油桿柱采用螺紋連接，存在脫扣、擼扣、粘扣等隱患。采用插接式連接機構(gòu)，改良桿柱連接狀況。采用插接式連接機構(gòu)，在桿柱連接處運用插接防脫機構(gòu)，使用接箍固定連接，使桿柱連接機構(gòu)只承受拉壓應(yīng)力，不承受扭應(yīng)力，扭矩通過防脫機構(gòu)實現(xiàn)。改良的抽油桿柱不僅避免了傳統(tǒng)桿柱天生的脫扣、擼扣隱患，而且大大提高了螺桿泵采油作業(yè)的穩(wěn)定性、可靠性。

（5）安裝過載保護。當螺桿泵用于高含蠟井、含砂井等生產(chǎn)時，蠟堵、砂卡等原因使桿柱扭矩過大，桿柱過載，導(dǎo)致桿柱斷裂。過載保護裝置可及時有效地檢測和處理過載行為，降低安全隱患。目前過載保護裝置主要分為基于電流、功率監(jiān)測控制的配電箱過載保護裝置和基于機械式過扭矩保護裝置。

（6）加強施工管理。油田施工作業(yè)是一項人機高度配合的復(fù)雜作業(yè)，加強對作業(yè)人員的管理和對機械設(shè)備的監(jiān)控是安全高效完成生產(chǎn)任務(wù)的前提。加強施工管理，一方面要從原材料的質(zhì)量認證上入手，保障進入施工現(xiàn)場的所有設(shè)備裝置均達到生產(chǎn)要求，杜絕問題產(chǎn)品入場；另一方面，要實時監(jiān)控設(shè)備運行情況，保障及時發(fā)現(xiàn)異常情況和異常情況下快速有效處理的能力。

3 結(jié)語

螺桿泵采油技術(shù)在全國各個油田廣泛應(yīng)用，較傳統(tǒng)抽油泵優(yōu)勢明顯，但存在安全性、穩(wěn)定性等問題。螺桿泵桿柱由于受到擠壓，所受應(yīng)力改變導(dǎo)致斷裂、螺紋脫扣、擼扣、粘扣、偏磨的工況事故時有發(fā)生，基于此進行井桿柱失效診斷研究。針對每個抽油井桿柱環(huán)境的特殊性，選取適宜的桿柱參數(shù)、安裝扶正器和防反轉(zhuǎn)設(shè)備，在井桿柱運行工作中對抽油桿柱安裝過載保護，能夠提高桿柱的穩(wěn)定性和持久性，可降低防斷脫事故的發(fā)生。實踐證明，通過采取選配適宜強度的桿柱，適當安裝扶正器，采用插接式連接機構(gòu)等措施能有效地解決螺桿泵桿柱斷脫問題，減少了生產(chǎn)故障率，提高了油田的生產(chǎn)效率。

[1]張佳民．螺桿泵抽油桿柱設(shè)計方法及其應(yīng)用[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2002．

[2]張連山．螺桿泵采油系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與動向研究[J]．石油機械，1994，22（1）：16-50．

[3]張寶剛，林偉．螺桿泵井桿柱斷脫的治理對策[J]．油氣田地面工程，2007，26（6）：55-57．

（欄目主持焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.025