大排量螺桿泵井桿管磨損原因分析

一、大排量螺桿泵檢泵的情況2006年12月下旬，大慶有9.7臺大型螺桿泵，只有6家油廠使用154口井，相當于9.7口。2005年1月1日至2006年12月30日采油六廠大排量螺桿泵共檢泵83口井,其中因桿管磨損原因檢泵的有65口井,分別占檢泵井數和總井數的78.3%及42.2%;其它原因檢泵的有18口井,分別占檢泵井數和總井數的21.7%及11.7%。從統計數據可以看出,桿管磨損是造成檢泵的主要因素。為了治理桿管磨損,下面就產生桿管磨損原因進行分析。二、造成磨損的原因首先通過統計桿管磨損井,歸納總結出泵型、桿結構、轉速與磨損的關系,磨損的特征,找出桿管磨損的規律,再通過理論分析,找到造成磨損的根本原因。(一)磨損井現狀研究和配置規律1、磨損深度的確定螺桿泵井桿管磨損是從某一深度開始,在該深度以下開始磨損,且越往下磨損越嚴重。磨損開始的部位中下部居多,中下部開始桿管磨損的井占87.5%。2、在桿結構分析中統計磨損井49口,空心桿的磨損率高于實心桿。3、不同轉速井的磨損率統計桿管磨損井48口,按轉速分類(表3),從統計結果看:轉速小于100r/min的井僅占2.11%,高轉速的井磨損率高于低轉速井。4、從磨損現象分析一是抽油桿靠在油管壁上,靠一側磨損,將油管管體磨出裂縫;二是桿和管壁上呈現圓周磨損的痕跡;三是桿體未磨,桿箍處磨損。(二)對桿管磨損理論的分析1、底部抽油桿偏心旋轉螺桿泵的結構特征及轉子的偏心運動特征,決定了轉子以及與轉子相連接的底部抽油桿做偏心旋轉運動。轉子的偏心在3-10mm。由于油管與抽油桿間的環空有限,如不采取相應的措施,必然會導致底部抽油桿與油管之間的磨損。2、桿柱與井中態度由于桿柱的質量中心偏離豎直井筒的幾何中心線,在旋轉過程中,質量偏心所產生的離心慣性力將使桿柱發生彎曲,當桿柱的彎曲撓度達到油管和桿柱的徑向間隙時,桿柱將與油管發生摩擦。旋轉桿柱的軸向力是隨著井深減少的。在橫向力的作用下,桿柱發生彎曲,同時桿柱因彎曲剛度和拉壓剛度將產生彈性恢復力,兩者平衡時,桿柱彎曲中心線將以穩定的弓形面繞井筒軸線做公轉,桿柱橫截面將以穩定的轉速桿柱彎曲中心線自轉。當井較深,桿柱的長度相當大,桿柱彎曲和拉壓剛度相對較小,公轉和自轉的差別可以不區分。即可認為桿柱中心線的弓形面將以地面轉速繞井筒中心線旋轉。此時在檢泵時就會發現桿在管壁上呈圓周磨損的痕跡。由離心慣性力所引起的彎矩:式中MW1—由慣性力引起的彎矩,N·m;n—轉速,r/min;ΔL—相鄰兩扶正器間的一段抽油桿的長度,m;a—與撓曲線變形方程有關的系數;由上式可看出,螺桿泵工作時,離心慣性力所引起的彎矩與轉速n和兩扶正器的間距⊿L的平方成正比。即轉速和扶正器間距對彎矩影響大,當轉速較高,不安裝扶正器或扶正器布置較少時,離心慣性力引起的彎矩也就隨之增加,導致桿柱彎曲,增加了桿管磨損的幾率。3、井筒彎曲導致油管柱彎曲一般情況下,對于直井而言,油管發生彎曲主要有兩個原因,一是在鉆井過程中井筒本身存在著“狗腿”,井筒的彎曲導致油管管柱彎曲;二是目前螺桿泵井普遍采用的支撐卡瓦,由于其坐卡方式(壓油管頭)決定了油管也會存在一定程度的彎曲。顯然,油管彎曲必然會使桿管之間產生接觸載荷,從而導致磨損發生。三、研究和應用根據以上原因分析,我們針對轉速高、過流面積小、桿體、桿箍磨損,管柱彎曲,從三方面研究對策。(一)泵型、轉速及桿斷為保證螺桿泵能高效、長期正常運轉,必須確定合理的下泵參數。從檢泵原因分析可看出,要有效的減輕桿管磨損,防止桿斷脫,必須降低扭矩、彎矩,減少共振。要達到以上目的,就必須讓螺桿泵在中、低轉速運行。為此,我們在下泵設計時,根據油井產能,在滿足供排要求的前提下,以最低速為目標,選擇泵型。因此重新計算了各種泵型中低轉速時,對應的實際排量(表4)。按照表4確定泵型和轉速,優選大泵,均以最低轉速投產。至2005年底優化設計下入101口井,借檢泵時機換大泵26口井,平均轉速為101r/min。目前這些井均未因桿管磨損、桿斷原因造成檢泵。針對螺桿泵應用中普遍存在的桿柱斷脫問題,同時綜合考慮過流面積、抗扭能力、系統安全和成本投入等因素,在1200及以上型泵上用Φ28mm實心錐扣SHY級工藝桿取代原Φ38mm及Φ42mm空心D級桿。Φ28mmSHY級工藝桿在總直徑不變的情況下,將原HY級桿外壁加厚,由3.0mm增加到3.5mm,大大增加了桿的抗扭強度。Φ28mm桿與Φ38mm、Φ42mm空心桿相比增大過流面積,減小沿程阻力,相應降低扭矩,提高桿的抗彎、抗拉、抗扭和耐磨程度,防止因偏心矩引起的彎曲和扭矩過大而產生桿斷,達到防治桿管偏磨和桿斷的目的。目前GLB1200-14型螺桿泵上試驗了45口,未發現桿體扭斷現象。(二)全井體現試驗由于近50%大排量螺桿泵井都發生不同程度的桿管磨損現象,按照不同深度優化布置扶正器的156口井中仍有桿管磨損發生,安裝扶正器的部位桿管磨損情況雖有所減輕,但在未安裝扶正器的部位仍然發生桿管磨損。鑒于這種情況,我們對采油六廠80%的大排量螺桿泵井進行了全井扶正試驗。L6-2313井于2005年10月31日檢泵,第83根油管下部磨出一條長約0.3m裂縫,有74根桿體桿箍有磨損痕跡。重新下泵時,我們對該井進行了全井扶正,共安裝扶正器108個。為驗證全井扶正對抽油系統的影響,我們把井況相近,扶正器布置不同的的井與之比較。兩井均為GLB1200-14型螺桿泵,L8-201井轉速103r/min,產液138t/d。扶正器布置為:光桿下連續2根、轉子上連續10根各布1個,其余每2根布一個。對兩井進行扭矩測試,L6-2313井液面536.4m,測試扭矩為861N﹒m,L8-201井液面558.3m,扭矩為850N﹒m,從測試結果可看出兩口井況相近,雖扶正器布置不同,但扭矩的差距不大,可見全井扶正并未使扭矩大幅度增加。四、減輕桿、管磨損程度(一)螺桿泵井桿、管發生磨損的根本原因是由于二者之間存在的接觸載荷造成的,但接觸載荷的產生及大小受到多種因素的綜合影響,因此應該從多方面著手采取措施