基于電參數(shù)的螺桿泵桿管偏磨預(yù)判研究

黃 偉， 甘慶明， 張 磊， 辛 宏， 楊海濤

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021)

螺桿泵因其采油效率高，占地面積小，使用維護(hù)方便，特別適合開(kāi)采高黏度、高含砂和高含氣原油[1]，在長(zhǎng)慶油田上逐步得到推廣。但是，桿管偏磨問(wèn)題一直是制約螺桿泵發(fā)展的瓶頸，抽油桿斷脫事故頻繁發(fā)生嚴(yán)重制約了螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用[2]。師國(guó)臣等人[3-5]通過(guò)分析抽油桿的靜力學(xué)特征，認(rèn)為抽油桿偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力和井眼彎曲是造成桿管偏磨的主要原因；劉巨保等人[6-11]通過(guò)分析抽油桿的振動(dòng)力學(xué)特征，認(rèn)為抽油桿因振動(dòng)與油管發(fā)生碰撞摩擦是造成桿管偏磨的主要原因；董世民等人[12]通過(guò)仿真抽油桿在油管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為抽油桿在油管內(nèi)偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)，是造成桿管偏磨的主要原因。上述研究主要集中在螺桿泵桿管偏磨機(jī)理上，對(duì)選擇抽油桿、安裝扶正器等具有一定的指導(dǎo)作用。但現(xiàn)有防治方法不能從根本上解決其偏磨及斷裂的問(wèn)題，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，希望能夠?qū)U管偏磨進(jìn)行預(yù)判，而目前針對(duì)桿管偏磨的預(yù)判尚無(wú)有效方法。

目前，對(duì)螺桿泵的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)大多是通過(guò)電流取樣信號(hào)進(jìn)行的，但在油井舉升系統(tǒng)中，螺桿泵機(jī)組運(yùn)行的有功功率才能直接反映系統(tǒng)負(fù)荷的變化情況。從公式W=UIcosφ可以看出，電流僅為構(gòu)成有功功率的一個(gè)參數(shù)，所以僅依據(jù)電流分析來(lái)判斷螺桿泵的工作狀況不夠全面。有功功率不僅與電壓、電流有關(guān)，還與電壓和電流向量的夾角φ(即功率因數(shù)角)有關(guān)，因此只有通過(guò)有功功率、電流等綜合因素才能準(zhǔn)確把握螺桿泵機(jī)組的運(yùn)行狀況，對(duì)各種故障及時(shí)預(yù)判。為此，筆者利用同時(shí)監(jiān)測(cè)電流、有功功率等電參數(shù)的方法，預(yù)判抽油桿的偏磨狀況，從而提前采取措施調(diào)控螺桿泵井的含蠟量、沉沒(méi)度和轉(zhuǎn)速等生產(chǎn)參數(shù)，及時(shí)改善抽油桿的受力狀態(tài)，達(dá)到防止發(fā)生桿管偏磨的目的。

1 基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型

電參數(shù)診斷技術(shù)的基本原理是，采用可以連續(xù)測(cè)試電機(jī)輸入電參數(shù)瞬間有效值的測(cè)試儀器測(cè)試電參數(shù)，每秒測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的電流、電壓和功率因數(shù)等電機(jī)工作參數(shù)，考慮電機(jī)的內(nèi)部損耗，準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)同期的輸出軸扭矩，進(jìn)而計(jì)算出抽油桿扭矩。

因此，電參數(shù)變化能反映抽油桿力學(xué)特性的變化。以地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵為研究對(duì)象，從分析抽油桿扭矩及所受軸向力出發(fā)，進(jìn)行抽油桿力學(xué)特性分析：一方面通過(guò)力學(xué)特性分析，尋求影響抽油桿桿管偏磨的因素；另一方面，建立抽油桿力學(xué)特性、電機(jī)功率和電參數(shù)三者之間的關(guān)系。將以上2方面結(jié)合起來(lái)，建立基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型。

1.1 抽油桿的扭矩分析

螺桿泵采油井中，抽油桿偏磨甚至斷裂是因其復(fù)雜受力所造成的。抽油桿工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動(dòng)、有離心慣性力作用及油管彎曲等情況，抽油桿柱會(huì)與油管壁摩擦、碰撞，造成抽油桿桿體磨損，承載能力下降。當(dāng)磨損后的抽油桿不能達(dá)到正常生產(chǎn)所需要的扭矩時(shí)，就會(huì)發(fā)生桿體斷裂事故。隨著抽油桿偏磨程度的加重，其扭矩、軸向力也在發(fā)生變化。扭矩是舉升液體的直接動(dòng)力，是螺桿泵生產(chǎn)管理中的一個(gè)重要參數(shù)，它可以直接反映出螺桿泵采油井的工作狀況，油井生產(chǎn)發(fā)生異常變化直接導(dǎo)致扭矩發(fā)生異常變化。同樣，根據(jù)扭矩的異常變化可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常井[13]。但是監(jiān)測(cè)螺桿泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，其中螺桿泵光桿的扭矩、軸向力等數(shù)據(jù)可以實(shí)施在線測(cè)試并遠(yuǎn)傳，不過(guò)實(shí)現(xiàn)成本高昂，且受惡劣環(huán)境和人為因素的制約，在接收端獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性很難保證。因此，建立電參數(shù)與扭矩及軸向力之間的關(guān)系，通過(guò)分析電參數(shù)的變化了解螺桿泵的工況。

1) 以電參數(shù)為量度來(lái)分析抽油桿的扭矩，忽略光桿和抽油桿的扭矩傳遞損失，建立扭矩與功率之間的關(guān)系：

(1)

其中，P2=P1-ΔP0-

(2)

P1=UAIAcosφA+UBIBcosφB+UCICcosφC(3)

式中：Tc為抽油桿扭矩，N·m；P2為電機(jī)輸出軸功率，kW；ηb為減速箱效率；ng為抽油桿轉(zhuǎn)速，r/min；P1為輸入功率(有功功率)，kW；ΔP0為不變損耗；I1為電機(jī)負(fù)載電流，A；I0為電機(jī)空載電流，A；ηN為電機(jī)額定效率；PN為電機(jī)額定功率，kW；UA,UB和UC為在線監(jiān)測(cè)的各相線電壓，V；IA，IB和IC為各相線電流，A；cosφA，cosφB和cosφC為各相線的功率因數(shù)。

2) 從力學(xué)方面來(lái)分析抽油桿的扭矩。螺桿泵采油中，抽油桿所受扭矩主要有5種，可表示為[14]：

Tc=M1+M2+M3+M4+M5

(4)

式中：M1為螺桿的有功扭矩，N·m；M2為襯套與螺桿泵間的摩擦扭矩，N·m；M3為抽油桿與井內(nèi)液體的摩擦扭矩，N·m；M4為抽油桿與油管的摩擦扭矩，N·m；M5為抽油桿的慣性扭矩，N·m。

1.2 抽油桿的軸向力分析

螺桿泵采油中，可假設(shè)抽油桿為剛性，且在抽油桿上截取的微單元線密度及截面積相同，則抽油桿所受軸向力可表示為：

F=F1+F2-F3+F4-F5

(5)

式中：F1為抽油桿自重，N；F2為泵進(jìn)出口壓差作用在轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的軸向力，N；F3為抽油桿浮力，N；F4為液體對(duì)抽油桿的軸向摩擦力，N；F5為溫度效應(yīng)產(chǎn)生的軸向力，N。

由于工況變化影響F2的可變參數(shù)為Δp，而Δp的大小與沉沒(méi)度正相關(guān)，與油管半徑負(fù)相關(guān)，因此沉沒(méi)度增大或油管半徑變小(即結(jié)蠟產(chǎn)生)時(shí)，F(xiàn)2會(huì)變大；由于工況變化影響F4的參數(shù)為流體的平均黏度，且為正相關(guān)，當(dāng)管柱結(jié)蠟時(shí)平均黏度會(huì)上升，因此F4會(huì)變大；工況變化不會(huì)對(duì)F5產(chǎn)生影響或影響甚微。上述工況的變化都會(huì)通過(guò)抽油桿扭矩和軸向力的變化反映出來(lái)，當(dāng)扭矩、軸向力發(fā)生變化時(shí)，抽油桿的偏磨程度就會(huì)發(fā)生變化。

2 應(yīng)用分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型的可靠性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)變化情況與實(shí)際工況進(jìn)行了分析對(duì)比。進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，采用了現(xiàn)場(chǎng)20口螺桿泵井(其中故障井6口，正常井14口)的監(jiān)測(cè)參數(shù)。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比驗(yàn)證，診斷結(jié)果符合率100%。下面僅以其中4口故障井的診斷資料為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1 抽油桿磨斷分析

當(dāng)桿管發(fā)生偏磨時(shí)，抽油桿與油管之間的摩擦力增大，桿管摩擦扭矩變大，電機(jī)有功功率會(huì)突然增大，電流、電壓等電參數(shù)也會(huì)急劇升高。由于抽油桿持續(xù)旋轉(zhuǎn)，桿管偏磨加劇，最后導(dǎo)致抽油桿斷脫。抽油桿斷脫瞬間，摩擦扭矩突然降低，電機(jī)有功功率急劇下降，電機(jī)的電流、電壓等電參數(shù)也迅速降低。圖1和圖2分別為 X1-1 井發(fā)生桿管偏磨至最終被磨斷時(shí)的電流、有功功率監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 X11 井抽油桿磨斷前后的電流Fig.1 Current in Well X11 before and after the sucker rod worn off

圖2 X1-1井抽油桿磨斷前后的有功功率Fig.2 Active power in Well X1-1 before and after the sucker rod worn off

由圖1和圖2可知：電流由正常時(shí)的6.0 A變?yōu)樽畹蜁r(shí)的4.6 A，減少了23.3%；而有功功率由正常時(shí)的2.2 kW變?yōu)樽畹蜁r(shí)的0.3 kW，減少了86.3%。這說(shuō)明有功功率對(duì)工況變化的敏感性強(qiáng)，尤其對(duì)中小驅(qū)動(dòng)裝置或電機(jī)輕載情況，比電流具有更強(qiáng)的反映工況變化的能力。

2.2 含蠟量偏高對(duì)偏磨的影響

圖3和圖4所示為 X1-2 井含蠟量偏高時(shí)電流和有功功率隨時(shí)間的變化曲線。由圖3和圖4可知：該井含蠟量偏高時(shí)，電流和有功功率均有逐漸升高的趨勢(shì)；油井含蠟量偏高時(shí)，抽油桿所受油井內(nèi)液體的浮力增大，導(dǎo)致抽油桿在井筒中呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，桿管發(fā)生偏磨；同時(shí)，當(dāng)油管結(jié)蠟時(shí)，油管橫截面面積減小，油管內(nèi)徑也減小，油井內(nèi)液體的黏性阻力增大，抽油桿受到的摩擦扭矩會(huì)逐漸變大，最終導(dǎo)致電機(jī)的電流和有功功率逐漸升高。

圖3 X12 井含蠟量偏高時(shí)的電流曲線Fig.3 Current corresponding to higher wax content in Well X12

圖4 X12 井含蠟量偏高時(shí)的有功功率曲線Fig.4 Active power corresponding to higher wax content in Well X1-2

圖5所示為 X1-3 井發(fā)生抽油桿偏磨前的電流和日產(chǎn)液量隨時(shí)間的變化情況。由圖5可知，該井投產(chǎn)后正常電流14.8～22.5 A，電流升至27.5 A時(shí)沒(méi)有洗井，待電流升至34.0 A時(shí)第一次熱洗，洗井周期為45 d，該井在電流高位運(yùn)轉(zhuǎn)30 d，此后縮短了熱洗周期，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)140 d時(shí)檢泵發(fā)現(xiàn)該井在第50根抽油桿位置偏磨扭斷。

圖5 X13井監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of Well X1-3

由于含蠟量偏高會(huì)引起電流升高，因此含蠟量達(dá)到一定程度時(shí)需進(jìn)行洗井作業(yè)，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定熱洗周期。在監(jiān)測(cè)到電流、有功功率后，可在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)螺桿泵熱洗前及熱洗后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確定需洗井時(shí)的電流和有功功率變化幅度，確定螺桿泵井合理的熱洗周期。

2.3 沉沒(méi)度偏高對(duì)偏磨的影響

當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速偏低且其排空能力低于油井生產(chǎn)能力時(shí)，油井動(dòng)液面上升，沉沒(méi)度變大，減小了油管和油套環(huán)空之間的壓力差，同時(shí)抽油桿所受軸向力減小。圖6和圖7為X1-4井沉沒(méi)度偏大時(shí)的電流和有功功率。由圖6和圖7可知，由于螺桿泵工作參數(shù)偏低，油井排量小，電機(jī)負(fù)載低，電流變化不大，有功功率明顯低于正常值，此時(shí)為防止偏磨，應(yīng)該適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，將沉沒(méi)度降至合理水平。

圖6 X14 井沉沒(méi)度偏高時(shí)的電流曲線Fig.6 Current corresponding to higher submergence in Well X14

圖7 X14 井沉沒(méi)度偏高時(shí)的有功功率曲線Fig.7 Active power corresponding to higher submergence in Well X14

針對(duì)這一狀況，可應(yīng)用自動(dòng)調(diào)速功能，控制沉沒(méi)度波動(dòng)范圍，當(dāng)運(yùn)行電流超出這個(gè)范圍時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，改變液面深度，進(jìn)而改變抽油桿的彈性位移，當(dāng)彎矩位置桿管的金屬表面沒(méi)有產(chǎn)生破壞時(shí)迅速產(chǎn)生漂移，使桿管磨損程度大幅度降低。

由應(yīng)用分析可知，除了井自身結(jié)構(gòu)等對(duì)抽油桿偏磨影響外，螺桿泵工作過(guò)程中結(jié)蠟及轉(zhuǎn)速和沉沒(méi)度偏大等工況也會(huì)影響到抽油桿的偏磨，這與上部分(本文第一部分)抽油桿偏磨分析模型的分析結(jié)果一致，即影響抽油桿軸向力及扭矩的因素有油管結(jié)蠟、進(jìn)出口壓差(與沉沒(méi)度正相關(guān))等。當(dāng)抽油桿偏磨至斷裂時(shí)，電流變化較大，有功功率會(huì)發(fā)生突變，因此利用電參數(shù)法來(lái)預(yù)判抽油桿的偏磨是可行的，并能保證預(yù)判的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 論

1) 有功功率對(duì)工況變化的敏感性強(qiáng)，比電流具有更強(qiáng)的反映工況變化的能力。當(dāng)桿管偏磨達(dá)到一定程度時(shí)，電流會(huì)降低，而有功功率發(fā)生明顯的突變，根據(jù)這一變化對(duì)螺桿泵采油系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判，發(fā)出桿管偏磨預(yù)警，可避免由桿管偏磨造成的故障。

2) 含蠟量偏高、轉(zhuǎn)速偏高、沉沒(méi)度偏大所引起的桿管偏磨監(jiān)測(cè)曲線，其趨勢(shì)與基于電參數(shù)的抽油桿偏磨分析模型的分析結(jié)果一致，說(shuō)明基于電參數(shù)判斷桿管偏磨可行，并能保證預(yù)判的準(zhǔn)確度。

3) 提出用自動(dòng)調(diào)速功能控制沉沒(méi)度波動(dòng)范圍；針對(duì)含蠟量偏高所引起的桿管偏磨，提出用自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)方法確定螺桿泵井的合理熱洗周期，從而預(yù)防偏磨的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)
References

[1] 韓修廷，王秀玲，焦振強(qiáng).螺桿泵采油原理及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998：14.

Han Xiuting,Wang Xiuling,Jiao Zhenqiang.Principle and application of screw pump[M].Harbin：Harbin Engineering University Press,1998:14.

[2] 楊敏，汪濤，沈奇，等.螺桿泵采油抽油桿柱動(dòng)力學(xué)研究[J].油氣田地面工程，2011，30(2)：10-12.

Yang Min,Wang Tao,Shen Qi,et al.Dynamics study on sucker rod of screw pump[J].Oil-Gasfield Surface Engineer,2011,30(2):10-12.

[3] 師國(guó)臣，陳卓如，李修文.螺桿泵采油井桿柱斷脫機(jī)理及其對(duì)策[J].石油機(jī)械，2000，28(9)：42-44.

Shi Guochen,Chen Zhuoru,Li Xiuwen.Causes and countermeasures of failure of rod string in screw pump wells[J].China Petroleum Machinery,2000,28(9):42-44.

[4] 祝慶遠(yuǎn)，王民軒，羅俊，等.螺桿泵采油油管柱彎曲對(duì)抽油桿柱的影響[J].石油機(jī)械，1999，27(10)：38-39.

Zhu Qingyuan,Wang Minxuan,Luo Jun,et al.Effect of tubing string bending on rod string[J].China Petroleum Machinery,1999,27(10):38-39.

[5] 程鵬，顧雪林，胡才志，等.地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵抽油桿失效分析與預(yù)防措施[J].石油機(jī)械，2000，28(4)：26-27.

Cheng Peng,Gu Xuelin,Hu Caizhi,et al.Failure analysis of sucker rod string on surface driven single screw pump system[J].China Petroleum Machinery,2000,28(4):26-27.

[6] 劉巨保，羅敏，李淑紅.地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿柱動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)及其應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)，2005，26(1)：121-124.

Liu Jubao,Luo Min,Li Shuhong.Dynamics analysis technology for rod string of surface driving screw pump and its application in Daging Oilfield[J].Acta Petrolei Sinica, 2005,26(1):121-124.

[7] 陳德春，李兆文，吳曉東.地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)抽油桿柱運(yùn)動(dòng)模型[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999，23(1)：42-44.

Chen Dechun,Li Zhaowen,Wu Xiaodong.Kinematic model for rod strings of screw pump insurface-drived pumping system[J].Journal of the University of Petroleum,China:Edition of Natural Science,1999,23(1):42-44.

[8] 王偉章，閆相禎，王海文，等.螺桿泵井驅(qū)動(dòng)桿柱的偏磨和斷裂動(dòng)力學(xué)分析[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，32(2)：97-101.

Wang Weizhang,Yan Xiangzhen,Wang Haiwen,et al.Dynamics analysis on partial abrasion andfracture of driving rod in screw pump wells[J].Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science,2008,32(2):97-101.

[9] 李淑紅，付軍梅，金力楊.螺桿泵抽油桿柱的動(dòng)態(tài)受力分析與工藝設(shè)計(jì)[J].鉆采工藝，2003，26(2)：61-64.

Li Shuhong,Fu Junmei,Jin Liyang.The dynamics force analysis and design of sucker rod in screw pump well[J].Drilling & Production Technology,2003,26(2):61-64.

[10] 吳曉東，呂彥平，李遠(yuǎn)超，等.單螺桿泵斜井抽油桿柱運(yùn)動(dòng)模型[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(3)：1-3.

Wu Xiaodong,Lv Yanping,Li Yuanchao,et al.Pumping rod movement model in deviated wells using single progressive carity pump[J].Petroleum Drilling Techniques,2006,34(3):1-3.

[11] 李遠(yuǎn)超，吳曉東，呂彥平，等.螺桿泵采油井扶正器位置設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)研究[J].石油鉆采工藝，2005，27(5)：67-70.

Li Yuanchao,Wu Xiaodong,Lv Yanping,et al.Research on the dynamics model of surface-driven single progressing cavity pump rod and centralizer design[J].Oil Drilling & Production Technology, 2005,27(5):67-70.

[12] 董世民，張萬(wàn)勝，王強(qiáng)，等.直井地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油桿管偏磨機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào)，2012，33(2)：304-309.

Dong Shimin,Zhang Wansheng,Wang Qiang,et al.Mechanism of eccentric wear between rod string and tubing string of a surface driving screw pump lifting system in vertical wells[J].Acta Petroei Sinica,2012,33(2):304-309.

[13] 鐘德權(quán).螺桿泵井扭矩分析[J].油氣田地面工程，2007，26(2)：19-20.

Zhong Dequan.Analysis of screw pump well torque[J].Oil-Gasfield Surface Engineer,2007,26(2):19-20.

[14] 徐建寧，屈文濤.螺桿泵采輸技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：30.

Xu Jianning,Qu Wentao.Screw pump production and transportation technology[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2006:30.