螺杆泵井杆柱失效诊断及应对措施

杨晓影 高红枫 蔡 勇 王 轩 熊 飞

1渤海钻探井下作业分公司工程地质研究所2青海油田边远油田开发公司3青海油田英东采油厂4青海油田采油二厂

螺杆泵井杆柱失效诊断及应对措施

杨晓影1高红枫2蔡 勇3王 轩4熊 飞4

1渤海钻探井下作业分公司工程地质研究所2青海油田边远油田开发公司3青海油田英东采油厂4青海油田采油二厂

采油螺杆泵广泛应用于我国各大油田，尤其在低产井和被列为无开采价值的油井上应用后，使其重新获得了可观的经济效益。螺杆泵杆柱失效类型主要分为杆柱断裂失效，螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效，杆柱、油管偏磨失效三种类型，失效类型产生的原因也各不相同。针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，采用插接式连接机构，改良杆柱连接状况，提高杆柱的稳定性和持久性，不断加强施工管理制度完善，可降低防断脱事故的发生。

螺杆泵；杆柱失效；扶正器；过载保护；杆柱参数

20世纪80年代起，螺杆泵开始用于石油工业的人工举升作业中，美国的Kois&Myers公司首先制造出用于采油的螺杆泵，并将其作为一种采油新技术在石油行业进行推广[1]，其广泛应用于大排量井、重油井、排水采气和水驱采油生产中。一些技术规范、参数也随着采油螺杆泵的发展和工程技术人员的研究逐渐丰富起来，使螺杆泵采油向着规模化、标准化方向发展。但是，由于螺杆泵采油技术出现的比较晚，螺杆泵断脱失效机理研究还不够完善，螺杆泵在采油工程中发挥其优势的同时，也出现了一系列的问题，尤其是杆柱失效等故障频发，威胁了现场作业工人的人身安全，影响了油田的经济效益。因此，螺杆泵井杆柱失效诊断和预防意义重大。

1 杆柱失效诊断

采油螺杆泵广泛应用于我国各大油田，尤其在低产井和已被列为无开采价值的油井上应用后，使其重新获得了可观的经济效益。但是随着我国大部分油田进入开发中后期，深井、斜井、定向井数量不断增加，螺杆泵杆柱失效问题突出。根据采油螺杆泵的应用实例，杆柱失效类型大概分为三类[2]：①杆柱断裂失效；②螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效；③杆柱、油管偏磨失效。

1.1 杆柱断裂失效原因

杆柱断裂是杆柱失效的常见形式，主要原因如下：

（1）杆柱外径小，安全系数低。不同于往复泵抽油杆柱，螺杆泵杆柱不仅受到轴向应力作用，而且受到因杆柱扭转带来的剪应力作用。另外，高速旋转的杆柱还可能因杆柱偏心、井斜等造成横向不稳定运动，弯矩加大。杆柱受力形变复杂，而目前油田生产中应用的抽油杆柱设计方法仅考虑了静载荷部分，忽略了动载荷，势必影响安全系数。

（2）杆柱制造缺陷。杆柱在出厂时若存在制造缺陷而未检出，会在施工现场投入使用时导致工作应力显著非正常增长，造成杆柱疲劳。并且，井下腐蚀部分会在高速旋转的杆柱上迅速扩大，使杆柱的承载能力下降，最终造成断裂。

（3）杆柱异常过载。当螺杆泵用于高含蜡井、含砂井等生产时，若在井下产生蜡堵、砂卡等异常，使杆柱旋转受到抑制，会迅速造成杆柱扭矩过大，使杆柱过载。另外，这些堵塞如果限制了杆柱的轴向运动，还会造成杆柱不规则运动，轴向过载。这些异常情况发生时，杆柱过载保护系统如果不能及时有效的工作，也会导致杆柱断裂。

1.2 螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效原因

传统的往复式抽油泵的抽油杆柱结构直接嫁接到螺杆泵，但因为杆柱受力、变形情况都有差异，导致其不能完全适应螺杆泵的工况，螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效故障时有发生。主要原因如下：

（1）高速旋转的杆柱因杆柱偏心、井斜等造成的横向不稳定运动使杆柱震动，不稳定震动带来的剪应力和轴向应力的忽大忽小使螺纹连接出现松弛现象，在预紧力变小时就可能发生螺纹脱扣。

（2）螺杆泵用于高含蜡井、含砂井等生产时，若在井下产生蜡堵、砂卡等异常情况，将造成杆柱旋转抑制、扭矩过大等动作，在部分井段形成反扭矩，当反扭矩大于螺纹预紧力时，就会发生螺纹脱扣。

（3）地面电机停机时抽油杆柱失去动力，会在井下反作用力和杆柱正常工作时储存的扭转能量作用下进行反转运动，高速反转运动的惯性作用导致反扭矩，当其在某个瞬间超过螺纹连接预紧力时，发生脱扣。

（4）当螺纹牙齿强度不足，在杆柱承受过大扭矩或轴向应力时，就会在螺纹连接处使螺纹牙齿出现剪切或弯曲损坏，导致螺纹撸扣。若所受应力为挤压应力，螺纹牙齿出现强度破坏，会就造成螺纹粘扣。螺纹的应力集中也可造成螺纹断裂。

1.3 杆柱、油管偏磨失效原因

当高速旋转的杆柱在斜井、定向井等油管柱中发生偏心时，杆柱会和油管柱发生碰撞摩擦，长期作业后会导致杆柱变形，原始设计应力改变，同时油管柱也会在长期摩擦作用下漏失，造成杆柱和油管偏磨失效。

2 防断脱措施

由于螺杆泵应用历史较短及相应技术不够完善，出现了上述诸多杆柱失效的情况，特别是杆柱断脱问题，已经成为施工现场螺杆泵故障中的主要问题[3]。因此，研究螺杆泵杆柱防断脱措施有重要的现实意义。

（1）选配适宜强度的杆柱。依据施工实际，分析螺杆泵和采油井的工况，计算核对杆柱所能承受的最大载荷，选配符合施工强度的杆柱。在保证油井供液能力情况下，泵的转速越高，其排量越大，泵效越高。但转速过高容易造成工作状态不稳定和扭矩过大等，因此要选配合理的螺杆泵转速。根据国内油田现场实际，转速一般限制在60～150 r/min左右。对于转速低于60 r/min而沉没度小于150 m的井，应用变频调速，将螺杆泵转速调节到40 r/min左右，将杆柱断脱概率降到最低。

（2）适当安装扶正器。当螺杆泵杆柱传递扭矩时会发生偏心和侧移，导致杆柱和油管壁异常摩擦。下入适当数量和型号的扶正器，将杆柱扶正，避免因杆柱与油管柱摩擦导致的应力改变和漏失，防止杆柱失效。

（3）安装防反转设备。地面驱动设备异常停机造成杆柱反转是杆柱脱扣的重要原因。在地面驱动设备传动机构上加装防反转设备，当驱动设备停机时，使杆柱可以得到迅速的固定，防止高速反转，抑制螺纹连接脱扣。部分油田已将所有螺杆泵地面设备加装防反转设备，有效地减少了杆柱脱扣现象，收效良好。

（4）采用插接式连接机构。传统的抽油杆柱采用螺纹连接，存在脱扣、撸扣、粘扣等隐患。采用插接式连接机构，改良杆柱连接状况。采用插接式连接机构，在杆柱连接处运用插接防脱机构，使用接箍固定连接，使杆柱连接机构只承受拉压应力，不承受扭应力，扭矩通过防脱机构实现。改良的抽油杆柱不仅避免了传统杆柱天生的脱扣、撸扣隐患，而且大大提高了螺杆泵采油作业的稳定性、可靠性。

（5）安装过载保护。当螺杆泵用于高含蜡井、含砂井等生产时，蜡堵、砂卡等原因使杆柱扭矩过大，杆柱过载，导致杆柱断裂。过载保护装置可及时有效地检测和处理过载行为，降低安全隐患。目前过载保护装置主要分为基于电流、功率监测控制的配电箱过载保护装置和基于机械式过扭矩保护装置。

（6）加强施工管理。油田施工作业是一项人机高度配合的复杂作业，加强对作业人员的管理和对机械设备的监控是安全高效完成生产任务的前提。加强施工管理，一方面要从原材料的质量认证上入手，保障进入施工现场的所有设备装置均达到生产要求，杜绝问题产品入场；另一方面，要实时监控设备运行情况，保障及时发现异常情况和异常情况下快速有效处理的能力。

3 结语

螺杆泵采油技术在全国各个油田广泛应用，较传统抽油泵优势明显，但存在安全性、稳定性等问题。螺杆泵杆柱由于受到挤压，所受应力改变导致断裂、螺纹脱扣、撸扣、粘扣、偏磨的工况事故时有发生，基于此进行井杆柱失效诊断研究。针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，能够提高杆柱的稳定性和持久性，可降低防断脱事故的发生。实践证明，通过采取选配适宜强度的杆柱，适当安装扶正器，采用插接式连接机构等措施能有效地解决螺杆泵杆柱断脱问题，减少了生产故障率，提高了油田的生产效率。

[1]张佳民．螺杆泵抽油杆柱设计方法及其应用[M]．北京：石油工业出版社，2002．

[2]张连山．螺杆泵采油系统技术发展现状与动向研究[J]．石油机械，1994，22（1）：16-50．

[3]张宝刚，林伟．螺杆泵井杆柱断脱的治理对策[J]．油气田地面工程，2007，26（6）：55-57．

（栏目主持焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.025