螺杆泵井低泵效原因及对策研究 第9页
第5章 影响螺杆泵井泵效原因及对策
5.1 螺杆泵井杆管磨损原因分析及治理措施
近年来，大庆油田螺杆泵采油得到了广泛的应用，目前已经超过1500口井，但近年来却出现杆管磨损日趋严重的问题。统计表明，2004年因杆管磨损而检泵的井数达到84井次，占检泵井总数的22.6%，成为造成螺杆泵检泵的主要问题之一。
5.1.1 原因分析
5.1.1.1 磨损原因理论分析
（1）举升液体的影响
众所周知，液体在油管内被举升过程中，受流态变化影响，其流动摩擦系数不同。在螺杆泵采油系统中，转速对液体流态变化起主要作用。试验表明，在低转速情况下，环空管流内流动液体近似于层流状态，其摩擦阻力系数 在较高转速情况下，环空管流内流动液体表现为紊流状态，其摩擦阻力系数 。显然，螺杆泵转速越高，液体的流动所受摩阻越大。
流体运行表现为层流、紊流等状态进一步说明环空管内的流动阻力不仅与轴向雷诺数有关，而且与旋转效应有关，根据流体力学理论，流动阻力系数公式为：
（5-1）
式中 C——环空管几何系数，与液体流动有关；
Re——轴向雷诺数， ；
——旋转雷诺数， ；
s——环空间隙；
μ——井液动力粘度，mPa•s；
——抽油杆直径，m；
——油管直径，m；
ω——抽油杆旋转角速度，rad/s；
ρ——井液密度，kg/m3；
u——液体轴向流速，其计算公式为:
（5-2）
式中 、 、 ——螺杆泵的偏心距、断面直径和导程，m；
——螺杆泵转速，r/min。
显然，在螺杆泵采油系统中，随着转速增大，轴向雷诺数和旋转雷诺数增大，不仅会使抽油杆旋转摩阻增大，也会使液流上升流动阻力增大，从而使杆柱与油管发生碰撞接触的几率增大。
（2）流道间隙的影响
根据粘性流体力学的理论，螺杆泵井正常运行时，杆柱旋转所受摩擦力矩可表示为:
（5-3）
式中 ——抽油杆长度，m。
从上面公式可见，油管中抽油杆柱旋转所受到的流体摩擦阻力矩与杆径有很大关系，当油管直径不变时，抽油杆旋转受到井液的摩擦阻力矩与抽油杆直径的平方成正比，增大抽油杆直径将会使流体摩擦阻力矩急剧增大。计算结果表明，在76mm油管内，抽油杆直径由28mm增加到38mm，杆旋转扭矩比原来约增加1倍以上。同时，由于流道间隙变小，抽油杆柱与油管内壁产生滑动与滚动运动(即抽油杆柱与油管接触碰撞)的几率增大，也促使杆管磨损加剧。
（3）杆柱振动的影响
根据螺杆泵的工作原理，由于转子在定子腔内绕偏心作行星回转运动，在螺杆绕轴线转动时就会产生周期性的激振力，由于结构限制，无法对它进行结构平衡，且其转动惯量很大，故泵在运转时振动很大，转动惯量和离心力越大，产生的振动越大。设转子的质量为m，偏心距为e，则产生的离心力近似为:
（5-4）
它在水平方向和垂直方向的分量分别为 和 。显然，这是2个随时间变化的简谐力，在这2个力的作用下引起整个泵系统的振动，特别是大中排量的螺杆泵偏心距较大，其离心力也大。因此，在较高转速下，杆柱振动也是造成杆管磨损的因素之一。
（4）扶正器布置方式的影响
螺杆泵在运转过程中，杆柱还存在由离心惯性力所引起的弯矩[13]，其计算公式为:
（5-5）
式中 ——由惯性力引起的弯矩，N•m；
——相邻两杆扶正器间的杆长度，m；
——扶正器之间的杆柱质量，kg；
——与挠曲线变形方程有关的系数。
由上式可看出，螺杆泵工作时，离心惯性力所引起的弯矩不仅与转速 的平方成正比，也与两扶正器的间距 的平方成正比。因此，杆柱扶正器间距对弯矩影响较大，不安装扶正器或扶正器布置不合理时，离心惯性力引起的弯矩也就随之增加，必然导致杆柱弯曲，增加了磨损的几率。
5.1.1.2 资料论证
统计表明，螺杆泵井抽油杆旋转产生的杆管磨损现象与抽油机井抽油杆往复运动产生的杆管磨损现象有一定的相似性，但磨损机理却不尽相同。
（1）磨损位置。统计了磨损严重的48口井，从磨损位置看，杆管磨损段主要集中在400～900m(见表5-1)。
表5-1 杆管磨损位置
磨损段/m 0～400 400～900 900
井数/口 6 32 10
百分比/% 12.5 68.28 19.22
（2）杆柱结构。统计了与76 mm油管配套的64口螺杆泵井检泵情况，从杆柱结构看，应用的22、25和28 mm实心杆、38和42 mm空心杆中，空心杆的磨损率明显高于实心杆(见表5-2)。
表5-2 杆柱磨损率
杆径类型/mm 22 25 28 38(空) 42(空)
井 数/口 3 7 10 32 12
磨损率/% 4.69 10.94 15.62 50.00 18.75
（3）螺杆泵泵型。统计的60口井中，从泵型上看，杆管磨损井主要集中在大中排量螺杆泵中(见表5-3)。
表5-3 不同泵型磨损率
泵效 120 300 500 800 1200 1400
井数/口 5 8 10 18 14 5
磨损率/% 8.33 13.33 16.67 30.00 23.34 8.33
（4）螺杆泵转速。从螺杆泵转速看，转速大于180 r/min井的磨损率达69.23%，显然，高转速井的磨损率高于低转速井(见表5-4)。
表5-4 不同转速井的磨损率
转速/(r•min-1) ≤100 100～140 140～180 180
井数/口 3 17 19 9
磨损率/% 2.11 19.1 28.8 69.23
（5）举升液体物性。从螺杆泵井举升液体物性来看，因杆管磨损而检泵的水驱螺杆泵井占水驱检泵螺杆泵井的18.7%；因杆管磨损而检泵的聚驱螺杆泵井占聚驱检泵螺杆泵井的28.9%。显然，举升液体粘度越高，杆管磨损越严重(见表5-5)。
表5-5 水驱与聚驱磨损井比较
分类 检泵井数/口 磨损井数/口 比例/%
水驱 230 43 18.7
聚驱 142 41 28.9
5.1.2 治理措施
通过上述分析，从理论上得到了螺杆泵井杆管磨损的原因，为制定合理的治理措施提供了基础。
（1）优化抽油杆柱扶正器
分析表明，防止螺杆泵井杆柱弯曲的最直接办法就是安装抽油杆扶正器，而合理布置杆柱扶正器是防止螺杆泵杆管磨损的有效手段。假设扶正器之间的抽油杆以扶正器的中心线为轴做旋转运动，则杆柱任一微小侧向位移 将产生的离心力为:
（5-6）
而抽油杆在离心力作用下发生弯曲的同时，由于抽油杆柱自身的弹性恢复和轴向拉力迫使抽油杆柱变直，将使扶正器间抽油杆产生一恢复力[13]，即:
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