大排量螺杆泵井杆断脱原因分析

摘要：在螺杆泵问题井中，大排量螺杆泵井抽油杆断脱出现的比例远大于中排量以下螺杆泵抽油杆断脱的比例。结合作业施工、井底压力状况等，分析造成抽油杆断脱的原因，从中找出断脱的规律，结合螺杆泵柱塞旋转运行的特性，并提出了技术上以及生产管理上的治理措施对策，螺杆泵井抽油杆脱扣的现象明显减少。

关键词：螺杆泵；抽油杆；断脱

中图分类号： TH327 文献标识码： A

统计某厂2009年12月底螺杆泵井共有838口，其中水驱有螺杆泵336口，聚驱共有螺杆泵480口，三元驱目前应用螺杆泵为22口。共检泵128井次，检泵原因主要是杆问题、偏磨、泵问题等，所占当年检泵井比例分别为39.1%、28.1% 、22.7%。统计各类检泵原因中，杆问题占38.5%，也是螺杆泵井检泵的主要原因。应视具体问题进行分析，采取行之有效的措施，可防止螺杆泵抽油杆柱断脱事故的发生。

1螺杆泵井工况机理分析

螺杆泵井工作时，杆柱的载荷主要来自两个方面：扭矩和轴向力。

1.1扭矩

扭矩主要由三个部分组成：定转子过盈产生的初始扭矩、井下泵举升井筒流体的产生的有功扭矩和杆液摩擦扭矩，计算公式：

（1）光杆扭矩

，（1）

式中：M1―泵初始扭矩，N・m；M2―泵举升液体的有功扭矩，N・m；3―杆液摩擦扭矩，N・m。

（2）泵初始扭矩可由室内试验获得，也可根据公式计算：

，（2）

（3）泵举升液体的有功扭矩

，（3）

式中：M2－举升扭矩，N・m；D－螺杆泵的转子直径，m；T－螺杆泵的定子导程，m；ΔP－螺杆泵进出口压差，MPa。；（4）杆液的摩擦扭矩。

，（4）

式中：M3－螺杆旋转与井液的摩擦扭矩，N・mµ－井液的粘度，mPa・s；n-抽油杆转速，r/mim；Dt－油管的内径，m；D2－抽油杆外径，m；L―抽油杆长度，m。

1.2轴向力

轴向力来自四个方面：抽油杆自重、抽油杆在采出液中的浮力、采出液向上流动时对抽油杆向上的摩擦力、液体压力作用在转子上的轴向力。

（1）光杆的轴向力

，（5）

式中：F1―抽油杆自重，N；F2―液体压力作用在转子上的轴向力，N；F3―抽油杆浮力，N；F4―采出液流动时对抽油杆的轴向摩擦力，N。

（2）抽油杆柱的自身重量

，（6）

式中：F1－杆柱顶部载荷，N；Gi－第I段每米抽油杆重量，N/m；li－第I段抽油杆柱的长度，m；L－抽油杆柱的长度，m。

（3）液体压力作用在转子上的轴向力

，（7）

式中：F2－液体压力作用在转子上的轴向力，N；E－螺杆泵的偏心矩，m；R－螺杆泵的转子半径，m；Δp－螺杆泵进出口压差，Pa。

（4）抽油杆在井液中的浮力

，（8）

式中：Fl－抽油杆所受的浮力，N；Gli－第I段每米抽油杆同体积的井液的重量，N/m。

（5）流体向上流动对抽油杆向上的摩擦力

，（9）

式中：， ；F4－杆柱摩擦载荷，N；µli－第i段流体的平均粘度，Pa:s；Vli－第i段流体的平均流速，m/s。

2断脱原因分析

2.1螺杆泵生产现状

2009年某厂螺杆泵因断脱检泵情况，见表1。2009年某厂因杆柱问题检泵50井次，通过对杆断脱井与泵型的关系情况进行统计比较，500ml/r以上的大中排量螺杆泵有44口井，见表2。随着排量的增加，杆断脱井占同泵型在用井数的比例逐渐增大，分析认为排量越大，举升液量越高，杆柱承受的扭矩越大，因此在采用相同抽油杆的情况下，大排量井杆断脱几率越大；对于1200ml/r以上大排量螺杆泵，杆断比例达到8.63，高于800ml/r及以下螺杆泵井。

表1 2009年螺杆泵断脱检泵原因分类表

表2 杆断脱比例与泵型的关系情况表

2.2原因分析及对策

统计表明，螺杆泵井中下部杆断的几率较大，第60根至泵上这段位置杆断脱井占杆断脱总井次的85.5%。分析认为：在这一井段的晰蜡较为严重，抽油杆运转阻力增大，一方面是抽油杆柱不能旋转，将产生过大的扭矩:另一方面由于部分堵塞限制了抽油杆柱的轴向运动，此时不稳定的抽油杆旋转运动势必会引起过大的轴向载荷，这些轴向载荷和扭矩的过载，都可能导致杆所承受的应力超过杆体强度极限而断裂。为预防抽油杆断现象的发生，一是加强螺杆泵井热洗工作，不断提高热洗质量；二是应用防蜡器。

（1）加大低流压洗井装置应用力度。螺杆泵井动液面低于400m采用低流压洗井装置，阻断洗井压力对地层的影响，减少热损失，提高洗井排量和洗井效率，增强洗井效果防止洗井液倒灌进入地层。

（2）提高洗井排量。充分发挥螺杆泵井变频器作用，在洗井过程中通过变频上调工作转速加大洗井排量，一方面增强洗井液对管壁上蜡的冲刷作用，另一方面有些析出的蜡还没有来得及吸附在管壁上就被带出井筒，从而达到改善洗井效果的目的。

（3）可通过应用电磁防蜡器及井下强磁防蜡器来减少井底结蜡严重的现象的发生，从而起到预防抽油杆断的效果。

3抽油杆脱扣原因分析

对中小螺杆泵井投产的要求中，液面过低造成卡泵问题的发生，在投产时选择较低的转速，稳定生产一段时间后再调整转速。对于中小排量螺杆泵井，由于一般井底压力比较低，这种方式有利于螺杆泵的稳定运行，延长检泵周期。但对于大排量螺杆泵井，由于井底压力比较高，仍采用低转速投产就容易发生抽油杆脱扣的弊端。因此，在防止大排量螺杆泵井抽油杆脱扣问题方面，根据对脱扣问题发生原因的分析，除了在保证抽油杆质量和下泵施工时的上扣扭矩基础上，在投产、地面故障处理时应采取以下措施，防止脱扣现象的发生。从大排量螺杆泵井投产初期情况来看，有15口井发生抽油杆脱扣问题，脱扣现象的发生均为下泵投产后短时间内即出现。这些井绝大多数在作业施工时，采取了压井措施，说明这些井井底压力都比较高。井底压力的大小对大排量螺杆泵井抽油杆脱扣现象的发生具有很大的影响。如果投产后井底压力得不到及时的释放，很容易造成抽油杆脱扣现象的发生。抽油杆旋转速度不一致是造成抽油杆脱扣的主要原因。

（1）上部不旋转下部旋转。当地面驱动装置因故障、维修等原因停止运转时，此时因井底压力比较大，井下流体通过螺杆泵定子与转子之间的腔室向井口运动，对转子施加了作用力。当这个作用力达到一定的强度时，抽油杆丝扣上扣扭矩相对比较小的地方就会发生旋转，产生卸扣现象，造成脱扣。

（2）下部旋转速度大于上部旋转速度。由于螺杆泵运行时转速较低，此时如果井底压力比较大，井下流体推动转子的运转，造成下部抽油杆旋转速度大于上部抽油杆的旋转速度，也容易发生脱扣现象。

4治理措施

（1）投产采用高转速。在投产时采用较高转速，尽快将井下液体抽汲到地面，降低井底压力。同时，加密液面资料的测试录取和分析工作，及时调整转速，既保证尽快释放井底压力，又保证不致于发生“抽空”现象，造成卡泵问题的发生。

（2）处理地面故障时采取关井措施。在因维修、停电等问题需要停井时，应关闭油井的生产闸门和套管闸门，使井下流体没有流出地面的通道，避免井下流体推动螺杆泵转子运转。在处理问题后开井时，应利用变频器调高转速，尽快释放井底压力，稳定后调至正常生产运行时的转速。

（3）治理效果。通过在投产时采用高转速运行的有效措施，大排量螺杆泵井抽油杆脱扣的现象得到抑制，发生抽油杆脱扣现象的螺杆泵井作业再次投产后，免修期得到明显延长，平均运转时间由43天，延长到506天。

5结论及认识

（1）在日常生产管理中，加强螺杆泵井热洗工作，不断提高热洗质量，防止杆断问题发生。

（2）对于大排量螺杆泵井，应特别重视投产时及故障停井时的处理方法，避免抽油杆脱扣问题的发生。

参考文献：

[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，2001.