電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用

汲紅軍 張有興 史昆 鄒繼艷 劉麗

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；3.青海油田第一采油廠）

電動(dòng)潛油螺桿泵對油井適應(yīng)性強(qiáng)，適用于稠油井、含砂井、高含氣井[1]。電動(dòng)螺桿泵在實(shí)際應(yīng)用中，由于電動(dòng)螺桿泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它的井下桿柱在生產(chǎn)過程中會(huì)儲(chǔ)存一定的扭矩，當(dāng)電動(dòng)螺桿泵停機(jī)或遇到卡泵時(shí)，會(huì)導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)，造成桿脫、光桿甩彎、地面設(shè)備損壞等問題，甚至?xí){到操作人員的人身安全[2]，存在較高的安全隱患。為保證操作安全，必須通過棘爪裝置將扭矩釋放后再作業(yè)[3]。鄒龍慶等[4]提出了采用電磁制動(dòng)防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使抽油桿反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩智能點(diǎn)動(dòng)釋放，有效的解決了電動(dòng)螺桿泵反轉(zhuǎn)問題。蔡?hào)|等[5]提出了螺桿泵變頻器與螺桿泵井驅(qū)動(dòng)機(jī)械防反轉(zhuǎn)裝置結(jié)合，來解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)螺桿泵井存在反轉(zhuǎn)問題，通過在變頻器外加裝時(shí)間繼電器和三個(gè)中間繼電器，當(dāng)螺桿泵接收到停機(jī)命令后，外部時(shí)間繼電器工作同時(shí)變頻器按照設(shè)定的減速時(shí)間（5 s）和減速方式逐步減小輸出頻率，讓螺桿泵在最小轉(zhuǎn)速時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而高速運(yùn)轉(zhuǎn)的螺桿泵井就可以充分釋放反轉(zhuǎn)扭矩。某油田生產(chǎn)區(qū)域共有直驅(qū)電動(dòng)螺桿泵井1 000余口，直驅(qū)電動(dòng)螺桿泵通常采用電磁防反轉(zhuǎn)技術(shù)[6]，利用電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，將勢能轉(zhuǎn)化為電能，繼而作用到電控箱外掛電阻上，最終將勢能以熱量的形式釋放出去，與普通電動(dòng)螺桿泵棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)裝置對比，省下扭矩釋放工作，操作起來更為簡單安全。應(yīng)用電磁防反轉(zhuǎn)技術(shù)，受到使用環(huán)境影響：一是受夏季氣候炎熱，電控箱內(nèi)電阻熱量釋放效率較低，無法及時(shí)傳遞熱量，導(dǎo)致電阻過熱燒毀，電控箱損壞，防反轉(zhuǎn)裝置失效；二是受野外惡劣氣候影響，螺桿泵停機(jī)往往伴隨著電纜老化、損壞及電路停電影響，導(dǎo)致電磁防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)完全失效，出現(xiàn)失控期，造成電動(dòng)螺桿泵桿柱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象加劇。為此通過電動(dòng)螺桿泵井下管柱結(jié)構(gòu)、各部件功能、油套壓差以及桿柱反轉(zhuǎn)的原因進(jìn)行分析，確定了電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)改進(jìn)。

1 井下桿柱反轉(zhuǎn)的原因分析

1.1 井下桿柱內(nèi)部儲(chǔ)存扭轉(zhuǎn)勢能導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)

地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油裝置停抽或卡泵后，由于工作時(shí)桿柱內(nèi)聚集大量的旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)能量會(huì)使桿柱高速反轉(zhuǎn)，造成桿柱脫扣等現(xiàn)象[7]。電動(dòng)螺桿泵井停機(jī)后井下桿柱儲(chǔ)存的彈性勢能來源于其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受的總扭矩[8]，螺桿泵儲(chǔ)存扭矩結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 螺桿泵儲(chǔ)存扭矩結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of stored torque of screw pump

這其中包括電動(dòng)螺桿泵舉升油液產(chǎn)生的有功扭矩Mp、電動(dòng)螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦扭矩Mb、原油與抽油桿之間的摩擦扭矩Mr、抽油桿與井下設(shè)備之間的摩擦扭矩Ms，這些彈性勢能的釋放導(dǎo)致了電動(dòng)螺桿泵井下桿柱發(fā)生反轉(zhuǎn)，如在生產(chǎn)中突然釋放扭轉(zhuǎn)勢能，將會(huì)產(chǎn)生較大的破壞力。

電動(dòng)螺桿泵井下桿柱的變形量用上下端斷面相對轉(zhuǎn)角描述，其單位扭轉(zhuǎn)角[9]公式為：

式中：θ為單位扭轉(zhuǎn)角，°/m；T為扭矩，N·m；G為剪切彈性模量，GPa；Ip為極慣性矩，m4。

以應(yīng)用φ38 mm空心抽油桿的螺桿泵井為例，在桿柱長度為950 m、運(yùn)行扭矩1 500 N·m的情況下，可以計(jì)算得出其單位扭轉(zhuǎn)角θ=6.66 °/m，全井桿柱的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為17.6 r。

不同扭矩下抽油桿扭轉(zhuǎn)角度及圈數(shù)見表1，在電動(dòng)螺桿泵正常生產(chǎn)情況下，井下抽油桿扭轉(zhuǎn)圈數(shù)在10～30 r時(shí)，如突然釋放該扭矩勢能，會(huì)產(chǎn)生較大的破壞力。

表1 不同扭矩下抽油桿扭轉(zhuǎn)角度及圈數(shù)Tab.1 Torsion angle and turns number of sucker rod under different torques

1.2 井下油套壓差導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)電動(dòng)螺桿泵停機(jī)后，由于井下油管內(nèi)的液柱高于套管內(nèi)的液柱[9]，這時(shí)油、套管內(nèi)空間存在較大的液位差，油套管內(nèi)的液位差產(chǎn)生的勢能釋放會(huì)對電動(dòng)螺桿泵產(chǎn)生較大的馬達(dá)效應(yīng)，對井下轉(zhuǎn)子產(chǎn)生促使桿柱下端反轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）的扭矩，從而導(dǎo)致井下桿柱發(fā)生高速反轉(zhuǎn)。油套壓差越大，桿柱反轉(zhuǎn)速度越快，持續(xù)時(shí)間越長，直到油套壓差恢復(fù)平衡為止[10]。通過理論計(jì)算，分析油套管液位差對桿柱反轉(zhuǎn)的影響。

轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：n為轉(zhuǎn)數(shù)，r；V為由于油套液位差存在的倒流回井底的液體體積，m3；P為泵排量，m3/r。

從理論公式中可以看出油套管液位差越大，電動(dòng)螺桿泵排量越小，井下桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)就越多。

以1 200型泵、φ 38 mm空心抽油桿、泵深1 000 m的電動(dòng)螺桿泵井為例，可以得出其在不同動(dòng)液面下油套管的壓差對井下桿柱產(chǎn)生的扭矩和對應(yīng)的桿柱反轉(zhuǎn)圈數(shù)，在不同時(shí)間下釋放該反轉(zhuǎn)圈數(shù)光桿所產(chǎn)生的反扭矩，以及在該扭矩下抽油桿彈性變形的圈數(shù)。動(dòng)液面、反轉(zhuǎn)圈數(shù)及反扭矩對比見表2。

表2 動(dòng)液面、反轉(zhuǎn)圈數(shù)及反扭矩對比Tab.2 Comparison of dynamic liquid level，reversing turns number and reversing torque

1.2.1 釋放扭矩試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證油套管壓差對反扭矩的作用，進(jìn)行了現(xiàn)場釋放電動(dòng)螺桿泵井下扭矩試驗(yàn)。選取實(shí)際生產(chǎn)的9口電動(dòng)螺桿泵井作為試驗(yàn)對象，排量在500～1 200 mL/r，動(dòng)液面在170～930 m，扭矩釋放現(xiàn)場試驗(yàn)情況見表3。電動(dòng)螺桿泵的動(dòng)液面越深，釋放井下扭矩的時(shí)間越長，井下桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)就越多。

表3 扭矩釋放現(xiàn)場試驗(yàn)情況Tab.3 Test situation of torque release field

1.2.2 灌水試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證又對其中4口電動(dòng)螺桿泵井進(jìn)行灌水試驗(yàn)，將套管灌水至電動(dòng)螺桿泵井口后，開始釋放井下扭矩，記錄桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)及扭矩釋放的時(shí)間。電動(dòng)螺桿泵井套管灌水現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)見表4，灌水達(dá)到油套平衡后，釋放井下扭矩時(shí)桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)只有1～5 r，與灌水前對比，桿柱反轉(zhuǎn)圈數(shù)明顯減少。

表4 電動(dòng)螺桿泵井套管灌水現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Test statistics of casing irrigation field of electric screw pump well

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，由油套液位差所產(chǎn)生的電動(dòng)螺桿泵井下桿柱的反轉(zhuǎn)速度可達(dá)到1 000 r以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于井下抽油桿本體儲(chǔ)存反轉(zhuǎn)勢能的轉(zhuǎn)速，是形成電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)的主要因素，因此需要在井下設(shè)計(jì)一種控制液位差勢能釋放的裝置，阻斷電動(dòng)螺桿泵馬達(dá)效應(yīng)的產(chǎn)生，減少電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)。

2 螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)

2.1 裝置的結(jié)構(gòu)組成

對原電動(dòng)螺桿泵井下限位器的下部進(jìn)行改進(jìn)，增加內(nèi)部含球機(jī)構(gòu)及觸碰開關(guān)，在工作中起到單流閥的作用來實(shí)現(xiàn)限位桿柱防反轉(zhuǎn)的作用，該技術(shù)成果主要由觸碰開關(guān)、球、含球機(jī)構(gòu)、限位器、變徑接箍等幾部分組成。電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of anti-reversal device for downhole limit rod string of electric screw pump

2.2 工作原理

電動(dòng)螺桿泵井下管柱內(nèi)桿柱限位防倒流裝置是在井下作業(yè)施工過程中隨井下工具直接安裝在井下部位，位置在電動(dòng)螺桿泵井下限位器的下部，電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置安裝示意圖見圖3，連接到電動(dòng)螺桿泵定子末端在下電動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子之前，球在含球機(jī)構(gòu)上固定，觸碰開關(guān)位于限位器的上部。此時(shí)裝置的內(nèi)部具有液流通道，可使油套管內(nèi)的壓力保持平衡，能夠保證下桿柱時(shí)電動(dòng)螺桿泵的轉(zhuǎn)子順利進(jìn)入泵筒內(nèi)。在電動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子安裝入泵后，下放轉(zhuǎn)子到限位器時(shí)碰撞觸碰開關(guān)，含球機(jī)構(gòu)打開，球下行至球座位置，起到單流閥的作用。電動(dòng)螺桿泵正常生產(chǎn)時(shí)，液流將球體頂開，井液被舉升到地面，電動(dòng)螺桿泵停機(jī)后，井筒內(nèi)的液柱在重力的作用下回流，這時(shí)球自由下落至球座位置將液流通道關(guān)閉，阻止油管中的液體回流到井底，液位差勢能釋放被阻斷，無法產(chǎn)生馬達(dá)效應(yīng)，減少電動(dòng)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作負(fù)荷，使電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)的速度大大降低。

圖3 電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of anti-reversal device of downhole limit rod string of electric screw pump

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)施后，在N4-D21-P2135井進(jìn)行了先導(dǎo)應(yīng)用試驗(yàn)，現(xiàn)場進(jìn)行井下扭矩釋放，該井平均動(dòng)液面為500 m，釋放扭矩時(shí)平均反轉(zhuǎn)圈數(shù)為7 r（約10 s），而未裝電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置時(shí)，釋放扭矩時(shí)反轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到5 000 r左右（約120 min），安裝井下限位防倒流裝置前后數(shù)據(jù)對比見表5。

表5 安裝井下限位防倒流裝置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Data statistics of installing downhole limit anti-backflow device

3.2 應(yīng)用效果

經(jīng)過現(xiàn)場先導(dǎo)應(yīng)用試驗(yàn)證明，電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)適用于所有直驅(qū)螺桿泵井，目前已在生產(chǎn)現(xiàn)場推廣應(yīng)用30口直驅(qū)電動(dòng)螺桿泵。電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用后，有效的杜絕了因井液倒流造成電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，能最大限度的保證快速停泵，使停泵時(shí)間由每次10 min～24 h左右降低為20 s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單井增加原油約0.5 t，由于該技術(shù)從內(nèi)部增加含球釋放機(jī)構(gòu)，減少了單井作業(yè)時(shí)正憋管柱的工序及罐車、泵車的費(fèi)用5 000元，原油按2 000元/t計(jì)算，應(yīng)用30口直驅(qū)電動(dòng)螺桿泵井單次創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益18萬元。一年按每口井正常維修、保養(yǎng)、故障停泵15次，每年檢泵1次進(jìn)行正憋管柱計(jì)算，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益60萬元，如加大推廣范圍效益更為顯著。同時(shí)避免了燒毀波紋電阻的現(xiàn)象，減少停機(jī)時(shí)間，降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。

4 結(jié)束語

1）電動(dòng)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)主要由桿的彈性勢能和油套壓差作用引起的，彈性勢能作用持續(xù)時(shí)間短，但破壞力大；油套壓差作用時(shí)間長，導(dǎo)致桿反轉(zhuǎn)的圈數(shù)要遠(yuǎn)大于桿彈性變形的圈數(shù)，是形成電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)的主要因素。

2）電動(dòng)螺桿泵的動(dòng)液面越深，釋放井下扭矩的時(shí)間越長，井下桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)就越多。試驗(yàn)結(jié)果表明，排量為500 mL/r，動(dòng)液面在930 m時(shí)，現(xiàn)場井下扭矩釋放了60 min，約2 500 r；動(dòng)液面在680 m時(shí)，現(xiàn)場井下扭矩釋放了8 min，約240 r。

3）油套壓差越大，桿柱反轉(zhuǎn)速度越快，持續(xù)時(shí)間越長，直到油套壓差恢復(fù)平衡為止?，F(xiàn)場試驗(yàn)，灌水達(dá)到油套平衡后，釋放井下扭矩時(shí)桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)由2 500 r降至1 r。

4）控制液位差勢能釋放的裝置，阻斷電動(dòng)螺桿泵馬達(dá)效應(yīng)的產(chǎn)生，是控制電動(dòng)螺桿泵井下桿柱反轉(zhuǎn)的有效手段。電動(dòng)螺桿泵井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)裝置安裝后，釋放扭矩時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)間由120 min（5 000 r）降低為10 s（7 r）。

5）井下限位桿柱防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)解決油套管壓差導(dǎo)致的井下桿柱反轉(zhuǎn)問題，減少作業(yè)工序和特車使用費(fèi)用，挽回了因停泵時(shí)間長而造成的原油產(chǎn)量損失，并且能夠自動(dòng)釋放扭矩，安全系數(shù)高，杜絕了生產(chǎn)中存在的安全隱患。