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螺杆泵抽油杆柱工况诊断与断脱失效分析

2019-08-13 14:28:52
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近年来,螺杆泵采油投资少,设备结构简单,操作方便,节能效果明显,适应性强,因其有效降低采油成本、提高采油效益的优点而倍受国内外油田重视,应用规模逐年扩大,应用、管理水平不断提高。但螺杆泵采油设备的稳定性、可靠性和配套工艺技术的完善程度与常规机采方式相比还存在一定差距,特别是抽油杆断脱率较高己成为阻碍其发展的主要问题之一。

1系统工况诊断

为了适应螺杆泵的快速发展,其工况诊断分析的研究领域也表现得较为活跃,发展至今较为成型的方法有:

a)电流法即通过测试驱动电机的电流变化来诊断泵工作状况。

b)扭矩法对光杆进行扭矩测试,以光杆工作扭矩变化诊断螺杆泵的工况以及液量变化法诊断油井故障。

c)憋压法在螺杆泵工作条件下,采取关闭井口生产阀门憋压,测量井口出油压力和套管压力来诊断泵的工况。

近年来随着螺杆泵应用的进一步推广,分析技术也得到了很大发恳很多学者对螺杆泵采油井的工况分析技术做了专门的研究。1998年,石油大学利用生产数据计算井筒和泵的工作特性参数,如排量、扬程、效率及功率,并与泵水力特性曲线或理论特性曲线作比魏了解泵的工况。根据油井产量及泵的工况点所在特性曲线图上的位置和泵的特性参数,判断泵与油层匹配状况及泵工况较差的原因。

1999年,计了以工况测试和回放诊断为主的2步工作步骤,即先采集存储抽油光杆静止时的载荷和运动时的载荷、扭矩数据,然后回放数据,进行工况诊断。2002年,我国地质通过测取螺杆泵采油系统光杆的受力来监测螺杆泵采油系统的工作状况。其测试技术原理是:按照地面驱动螺杆泵采油系统的工作原理,驱动头经方卡子将动力传递给光杆,方卡子紧紧夹持着光杆,并卡在驱动头的驱动轴上,同时起着传递扭矩和承受载荷的作用。因此,方卡子与驱动头的驱动轴连接处是测取光杆受力的较佳位置。在方卡子与驱动头的驱动轴之间安装特制的传感器,可同时测取方卡子施加在驱动轴上的载荷和它们之间的扭矩。

应用工况测试系统进行井下单螺杆泵的诊断分析。诊断系统主要由专用的光杆载荷、扭矩和转速测试传感器、信号传输装置、数据采集和转换装置、数据采集软件和螺杆泵采油系统优化软件等组成,利用光杆因受扭转力和轴向拉力而发生扭转和拉伸变形,将采集到的变形信号转换成能够被计算机采用的数字信号,实现井下单螺杆泵的光杆载荷、扭矩和转速的实时测试,并进行对比分析。2003年,由数据采集和数据分析优化2大部分组成的单螺杆泵井下工况诊断系统,能够对螺杆泵井生产状况进行实时监测,及时了解螺杆泵井的转速、扭矩和载荷等参数。

截至目前,螺杆泵采油技术已经相当成熟。螺杆泵抽油杆柱合理的设计、制造技术的提高使螺杆泵寿命得到明显延长,已基本上能够满足油田需要。但是,随着地面驱动螺杆泵采油技术的进一步推广应用,使得抽油杆失效问题越来越突出,特别是抽油杆断脱事故的发生,严重制约着采油效率,也约束着该举升技术的优点发挥和进一步推广应用。

2失效问题研究

随着地面驱动单螺杆泵推广规模的扩大,抽油杆失效问题也愈来愈突出,限制了这种螺杆泵的应用。1992年,对地面驱动单螺杆泵使用中出现的问题及失效形式进行了分析,并提出提高橡胶与外筒粘接强度、选用高晴定子、装防砂筛管等措施。2000年,对地面驱动单螺杆泵抽油杆的失效问题进行研究,主要从杆柱的结构及强度方面进行分析,并提出了把抽油杆的实际应力控制在许用应力以下、保证杆柱的刚度、保证螺纹配合精度等相应的预防措施。

近几年来螺杆泵的应用研究迅速发展,螺杆泵的优化设计理论也为有效预防抽油杆失效提供了重要的参考价值。1997年,以流体力学和理论力学为基础,提出了采用数学模型分析泵的流出动态,依据给定的边界条件、流动参数和井身结构,计算下泵深度和实际扬程,优化泵的工作参数。

1998年,石油大学根据地面驱动单螺杆泵的工作特点,分析了传递动力的抽油杆柱受力状况,由于抽油杆柱受复合载荷的作用,在承受扭矩的同时承受较大的轴向力,给出了各种载荷的计算方法。提出了把抽油杆柱设计成2级杆柱的等强度组合设计方法,即先按要求及标准确定2级杆柱的直径和长度,然后按强度条件进行校核。1999年,胜利油田通过研究螺杆泵的工作特性,找出螺杆泵采油井的高效工作区,以此为基础对螺杆泵采油井进行优化设计。同年,石油大学对螺杆泵采油系统抽油杆柱运动模型进行深入研究之后,提出了螺杆泵抽油井节点系统优化设计技术(描述抽油杆柱运动的偏微分方程和定解条件),在力学分析的基础上推导并建立了地面驱动螺杆泵抽油井抽油杆柱的应力计算模型。2002年,论述了聚驱螺杆泵生产系统优化理论,包括泵、抽油杆、油管、配套工具和驱动头的选择等。通过对抽油杆柱的合理设计,可以提高杆柱的强度、延长杆柱的使用寿命,有效地降低了杆柱失效问题的发生。

3断脱问题研究

螺杆泵抽油杆柱断脱率较高一直是困扰石油工作者的主要问题,对此,石油工作者也作了大量的工作,主要从设计和力学角度进行了分析。1995年,从杆柱的合理设计方面进行分析来减少抽油杆柱断脱事故的发生。根据分析可知,造成螺杆泵采油井抽油杆柱断裂、脱扣和噜扣的主要原因有:杆体外径选择偏小、杆体制造或使用过程中产生缺陷、堵塞扭矩过大、反扭矩大于螺纹连接扭矩以及抽油杆螺纹牙受剪应力过大等。针对上述原因,制定了合理选配杆柱、加强检测、采用专用抽油杆、应用无油管采油技术、安装防反转装置、设置过载保护系统以及加强现场施工管理等技术对策,提高了抽油杆柱的可靠性,有效地避免了杆柱断脱事故的发生。

1999年,螺杆泵采油时油管柱弯曲对抽油杆柱断脱的影响做了分析。首先对油管柱轴向力进行计算,油管柱属于细长杆,油管在轴向力作用下失稳而发生弯曲,建立相应数学模型,计算油管柱的弯曲变形,因抽油杆柱上配有扶正器,油管柱弯曲使抽油杆产生相同的弯曲;然后对抽油杆柱弯曲产生的附加弯矩、附加应力进行计算,着重讨论了油管柱弯曲对抽油杆柱的弯曲角度、弯曲产生的附加弯矩和附加应力的影响,认为螺杆泵正常工作以后,因温度的影响,油管的弯曲增加,抽油杆柱产生与油管相同的弯曲。2003年,对螺杆泵采油杆柱的断脱机理进行了分析,并提出了合理选配杆柱规格、加强检测、应用防反转装置等相应的对策。