螺桿泵驅(qū)動桿柱扶正技術(shù)研究

紀(jì)國棟，周莉莉，紀(jì)發(fā)進(jìn)，王海文（.中國石油集團(tuán)　鉆井工程技術(shù)研究院，北京006；.南陽二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南　南陽7006；.勝利油田　勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東東營5709；.中國石油大學(xué)（華東），山東青島66580）

螺桿泵驅(qū)動桿柱扶正技術(shù)研究

紀(jì)國棟1，周莉莉2，紀(jì)發(fā)進(jìn)3，王海文4
（1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.南陽二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南南陽473006；3.勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東東營257092；4.中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

在螺桿泵采油過程中，偏磨失效是抽油桿的主要失效類型。為防止偏磨，需在油管柱和抽油桿上安裝扶正器。常用的扶正器大都隨抽油桿一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程對油流通道阻礙作用很大，而且桿管磨損問題依然嚴(yán)重。研制了一種支撐式螺桿泵驅(qū)動桿柱扶正器，該扶正器在勝利油田進(jìn)行了試驗(yàn)，不僅能夠解決桿管偏磨問題，而且提高了采油速度，延長了螺桿泵壽命，具有廣闊的應(yīng)用前景。

螺桿泵；偏磨；扶正器

螺桿泵被用于石油工業(yè)中的人工舉升設(shè)備始于20世紀(jì)80年代初期，Kios&Myers公司率先在采油工程中把莫依諾原理應(yīng)用于人工舉升，制造了首批采油螺桿泵，并把螺桿泵作為一種新型的人工舉升技術(shù)推向市場［1］。隨著螺桿泵采油技術(shù)的發(fā)展，螺桿泵壽命得到明顯延長，已基本上能夠滿足油田的需要［2］。但是隨著地面驅(qū)動螺桿泵采油技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，尤其是大慶油田聚驅(qū)井中的應(yīng)用，使得抽油桿柱失效問題越來越突出，嚴(yán)重制約著采油效率的提高［3-4］。螺桿泵抽油桿柱在較高轉(zhuǎn)速下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，抽油桿柱與油管壁接觸，如果油井含水較高，長期下去，抽油桿柱會偏磨損壞，喪失承載能力，這就是螺桿泵采油系統(tǒng)工作過程中最為突出的桿管偏磨問題，也是抽油桿柱失效的主要原因［5］。

為解決桿管偏磨問題，科研人員發(fā)明了各種扶正器，安裝在油管柱和抽油桿上，防止桿管碰撞接觸。常用的扶正器大多隨桿柱一起旋轉(zhuǎn)（如圖1），桿管磨損依然嚴(yán)重，不能滿足現(xiàn)場要求。為此，研制出一種支撐式扶正器，解決了桿管偏磨問題。

圖1　一種常用扶正器

1　螺桿泵采油系統(tǒng)組成

螺桿泵采油系統(tǒng)主要由驅(qū)動裝置、井口裝置、井下螺桿泵以及中間油管組成。根據(jù)其驅(qū)動方式不同，可分為電動、液動和機(jī)動3種類型的螺桿泵采油系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖2。工作時，由地面動力帶動抽油桿柱旋轉(zhuǎn)，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動，井液經(jīng)螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過地面管線輸送至計量站。這種采油方式最為簡便，實(shí)際使用時井下也不需要安裝泄油裝置，因?yàn)槁輻U泵轉(zhuǎn)子一旦脫離泵筒，油套管之間便相互連通，于是起到了泄油的作用。同時，這種裝置的使用費(fèi)用也較低，是淺井較理想的采油方法。

圖2　機(jī)動螺桿泵采油系統(tǒng)

2　支撐式螺桿泵扶正器的設(shè)計原則

扶正器是螺桿泵采油系統(tǒng)中的井下配套工具，可選用金屬材料和非金屬材料制造，其中金屬材料的耐磨性一般應(yīng)低于抽油桿、油管或套管，通常選用球墨鑄鐵；非金屬材料常為尼龍或橡膠。現(xiàn)場常用的扶正器有2種，一種固定在抽油桿上，工作過程中容易對油管造成磨損；另一種固定在油管上，容易對抽油桿造成偏磨。新型支撐式螺桿泵驅(qū)動桿柱扶正器的設(shè)計原則為：

1）設(shè)計的扶正器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便，滿足油井作業(yè)的需要。

2）扶正器定子不隨抽油桿柱一起旋轉(zhuǎn)，降低井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，提高采油效率。

3）盡量做到扶正器對油管內(nèi)的原油上升的阻礙作用小。具體措施是保持油流通道不隨抽油桿旋轉(zhuǎn)，在保證扶正器正常工作的情況下，擴(kuò)大油流通道空隙，保證油流上下暢通。

4）加工簡單，選材適當(dāng)，成本低廉，性能穩(wěn)定，使用壽命長。

3　新型扶正器的設(shè)計方案及工作原理

扶正器安裝在2根抽油桿之間，下入油井的油管內(nèi)，其基本原理是：扶正器外徑大于抽油桿外徑，工作時抽油桿偏離油管中心時，扶正器先與油管內(nèi)壁接觸，從而避免抽油桿與油管內(nèi)壁接觸。

新型支撐式扶正器由定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖3所示。其中定子由承磨圓筒和支撐棱組成（如圖4），轉(zhuǎn)子由扶正器桿體和承磨層組成（如圖5）。扶正器安裝在2根抽油桿之間，下入油井的油管內(nèi)。工作時，定子由于與油管間有適當(dāng)過盈配合，會卡在油管內(nèi)壁上，不隨抽油桿旋轉(zhuǎn)，定子內(nèi)部的承磨圓筒相當(dāng)于軸承的軸瓦；轉(zhuǎn)子的兩端用接箍連接抽油桿柱，并隨其一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的扶正器桿體相當(dāng)于軸承的轉(zhuǎn)軸，由于軸承本身不承受桿柱載荷和轉(zhuǎn)矩，只承受摩擦副的作用，不會輕易磨壞，再配用高性能的耐磨材料，安全系數(shù)比普通扶正器大幅提高。螺桿泵井裝上該扶正器，就將磨損位置轉(zhuǎn)移到扶正器內(nèi)部，避免了磨抽油桿和油管。支撐棱不隨扶正器旋轉(zhuǎn)，其上加工的液體流動通道能夠保持液體流動暢通，保證螺桿泵的采油效率。

圖3　新型扶正器結(jié)構(gòu)示意

圖4　定子結(jié)構(gòu)示意

圖5　轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意

與常用扶正器相比，新型支撐式扶正器具有4個特點(diǎn)：

1）設(shè)計了專用的支撐棱。支撐棱采用耐磨、耐油、抗腐蝕橡膠材料制造，有一定彈性，支撐在油管內(nèi)壁上，支撐棱與承磨圓筒相連接，保證支撐棱與承磨圓筒不旋轉(zhuǎn)。

2）改變了磨損的部位。原來的扶正器整體旋轉(zhuǎn)，與油管之間磨損，旋轉(zhuǎn)的支撐式扶正器桿體上的承磨層與不旋轉(zhuǎn)的承磨圓筒相互磨損，成為一對摩擦副。因?yàn)槟Σ粮辈怀惺茌S向載荷和轉(zhuǎn)矩，不需要考慮強(qiáng)度問題，可專門配用相互適應(yīng)的高壽命耐磨材料，從而提高了磨損壽命。

3）避免了扶正器旋轉(zhuǎn)對液體流動的阻礙作用。在支撐棱的支撐棱之間有液體流動通道，工作時，支撐棱不旋轉(zhuǎn)，液體流動通道位置固定，避免了普通扶正器旋轉(zhuǎn)對液體流動通道的阻礙作用。

4）起到了良好的扶正作用?，F(xiàn)有的扶正器為了避免對液體流動的阻礙，扶正器外徑要小于油管內(nèi)徑5mm以上，抽油桿不能很好居中，該新型扶正器外徑大于、等于或略小于油管內(nèi)徑，能使抽油桿處于居中的位置。

圖6為新型支撐式扶正器在螺桿泵采油系統(tǒng)中的安裝示意圖。扶正器桿體通過接箍連接在上、下2個驅(qū)動桿柱之間，支撐棱支撐在油管內(nèi)壁上，在螺桿泵采油系統(tǒng)工作過程中，起到很好的扶正作用。

圖6　新型扶正器安裝示意

4　扶正器桿體強(qiáng)度校核

螺桿泵采油系統(tǒng)工作過程中，電動馬達(dá)通過驅(qū)動桿柱向井下傳遞動力，驅(qū)動桿柱主要承受扭轉(zhuǎn)力矩作用，因此在對扶正器桿體進(jìn)行強(qiáng)度校核時，主要考慮扶正器桿體是否滿足抗扭強(qiáng)度要求。

設(shè)螺桿泵工作過程中所需的最大轉(zhuǎn)矩為Mmax，扶正器桿體外徑為d，由材料力學(xué)［6］可得扶正器桿體的扭轉(zhuǎn)截面模量為

扶正器桿體所承受的最大剪切應(yīng)力為

扶正器桿體按SY／T5832—1993標(biāo)準(zhǔn)，采用35Cr Mo材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理加工而成，查閱文獻(xiàn)［7］可知，材料的扭轉(zhuǎn)疲勞極限為τ-1=200 MPa。如果桿體所受的剪切應(yīng)力達(dá)到τ-1時，材料將發(fā)生屈服而產(chǎn)生輕微的永久扭轉(zhuǎn)變形，為了避免這種情況的發(fā)生，這里取τ-1的90%作為桿體的最大允許剪切應(yīng)力，即

考慮到抽油桿柱與油管間的偏磨作用及桿柱旋轉(zhuǎn)過程中的動載荷作用，取安全系數(shù)St=1.30，則扶正器桿體的許用剪切應(yīng)力為

扶正器桿體如圖7所示。可知需要進(jìn)行校核的危險截面為A-A截面，直徑d=31mm，假設(shè)螺桿泵最大工作轉(zhuǎn)矩Mmax=3 k N·m，由式（1）～（2）可得扶正器桿體所受最大剪切應(yīng)力為

因此，扶正器桿體滿足抗扭強(qiáng)度要求。

圖7　扶正器桿體示意

5　現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析

新型支撐式扶正器在勝利油田進(jìn)行了16井次現(xiàn)場應(yīng)用，扶正器性能穩(wěn)定，解決了油井桿管偏磨問題。圖8為新型扶正器的加工實(shí)物圖，表1是該新型扶正器與常用扶正器的性能對比表。

圖8　新型扶正器實(shí)物

表1　新舊扶正器性能對比

從表1可以看出，在單螺桿泵井上使用該新型扶正器，每年可以節(jié)省扶正器開支0.54萬元，節(jié)省作業(yè)費(fèi)20萬元，同時提高油井產(chǎn)量5.3%。

該新型扶正器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，情況良好，使用1 a后未出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象。勝利油田每年因桿管偏磨問題引起的間接經(jīng)濟(jì)損失近億元，可見該新型扶正器潛在的經(jīng)濟(jì)價值十分巨大。

6　結(jié)語

新型支撐式螺桿泵驅(qū)動桿柱扶正器結(jié)構(gòu)合理，工作性能穩(wěn)定，是對普通扶正器的大膽改進(jìn)。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，它不僅可以有效解決桿管偏磨問題，而且使油流暢通，提高了油井產(chǎn)量，延長了螺桿泵采油系統(tǒng)和扶正器的壽命。據(jù)統(tǒng)計，全國目前大約有6 000口螺桿泵井，平均每口井大約需要安裝30個扶正器，如果該新型扶正器能夠在油田得到大面積推廣，就可以為油田節(jié)省大量開發(fā)成本，大幅提高油公司經(jīng)濟(jì)效益。因此，該技術(shù)在油田具有很好的應(yīng)用價值和前景。同時，該研究成果對采油過程中防偏磨技術(shù)的發(fā)展具有一定的推動作用。

［1］韓修廷，王秀玲，焦振強(qiáng).螺桿泵采油原理及應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998：63-76.

［2］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.

［3］裴書泉，肖然.螺桿泵井偏磨機(jī)理研究及治理對策［J］.今日科苑，2008（16）：33-37.

［4］Liu He.The Mechanism of PCPWells’Tubing and RodWear Issue in Polymer Flooding inDaqingOil Field［J］.SPE Progressing Cavity Pumps Conference，2008（4）：27-29.

［5］羅恩勇.油管旋轉(zhuǎn)防偏磨技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2008（B8）：80-81.

［6］范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：54-55.

［7］孔凌嘉.簡明機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：286-287.

Research of Technology to Keep Screw Pump Rods Centralized

JI Guodong1，ZHOU Lili2，JI Fajin3，WANGHaiwen4
（1．Drilling Research Institute，CNPC，Beijing 102206，China；2．RG PETRO-MACHINERY（GROUP）Co．，Ltd．，Nanyang 473006，China；3．Shengli Power Machinery Group Company Ltd．，Shengli Oilfield，Dongying 257092，China；4．China University of Petroleum（Huadong），Qingdao 266580 China）

During oil production with screw pumps，eccentric wear is a major reason for pump rods failure.In order to avoid eccentric wear，stabilizers are installed between rods and tubings.General stabilizers rotate with pump rods and slow down oil flow velocity，which still leads to an eccentric wear problem.Considering this，a new support type stabilizer is supplied and on-site tests in Shen-gli Oilfield are successfully done.These tests show this kind of stabilizers can solve the eccentric wear between rods and tubings，raise oil recovery rate and increase screw pump life.This technol-ogy has an extensive application foreground.

screw pump；eccentric wear；stabilizer

TE933.3

A

10.3969／j.issn.1001.3482.2015.12.017

1001-3482（2015）12-0066-04

2015-06-25

紀(jì)國棟（1986-），男，山東菏澤人，工程師，碩士，主要從事石油鉆采機(jī)械的研究，Email：dong7654321＠126.com。