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摘要：分析了螺杆泵井杆管磨损的原因，即杆管磨损除了受泵举升井液和流道间隙的影响外，还有杆柱震动和扶正器布置方式的影响。对螺杆泵井抽油杆柱进行分析，并求解了螺杆泵井抽油杆柱在传递扭矩过程中产生的横向位移，确定了扶正器的安装位置。為了监测螺杆泵工作状态，提高工作效率，判断故障原因，挖掘油井潜力，保障设备安全、可靠、有效地工作，提高螺杆泵井科学管理水平，有必要开展螺杆泵杆管偏磨的问题研究。
关键词：螺杆泵；杆管；偏磨
中图分类号：TH327文献标识码： A
螺杆泵采油是近些年发展起来的一种先进的采油工艺技术。因其质量轻、尺寸小、地面设备简单、适应粘度范围广、投资费用低、管理简便、排量调节方便、节能效果好等优点，并在油田逐步得到广泛的推广和使用。特别是在开采高粘度、高含砂量和高含气量的原油中，螺杆泵更具有独特的作用。随着油田开发的不断深入，螺杆泵独特的性能优势在油田生产中的作用越来越明显，已经成为油田的主要举升方式之一。但由于杆管偏磨问题日益突出，因此对螺杆泵采油系统杆管柱进行力学研究是十分必要的，对完善其工作理论具有重要的实际意义。
1磨损原因理论分析
1.1举升液体
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λ=C64R 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λ=C64R。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：
而轴向雷诺数和旋转雷诺数又和转速之间有着正比例的关系。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。
1.2流道间隙
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：
式中：L—抽油杆长度，m。
由公式可知，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76 mm油管内，抽油杆直径由28 mm增加到38 mm，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。
1.3杆柱振动
根据螺杆泵的工作原理，由于转子在定子腔内绕偏心做行星回转运动，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：
它在水平方向和垂直方向的分量分别为Fcosωt和F sinωt。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。
1.4扶正器布置方式
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，其计算公式为：
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n的平方成正比，也与两扶正器的间距ΔL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。
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。
2.1磨损位置
统计了近两年磨损严重的48口井，从磨损位置看，杆管磨损段主要集中在400～900 m，见表1。
表1杆管磨损位置
2.2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2。
表2杆柱磨损率
2.3螺杆泵转速
从螺杆泵转速看，转速大于100 r/min井的磨损率达47.5%，显然，高转速井的磨损率高于低转速井，见表3。
表3不同转速井的磨损率
2.4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4。
表4水驱与聚驱磨损井比较
3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。
3.1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s将产生的离心力为：
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，即：
式中：k—扶正器间杆柱的横向弯曲刚度。
根据杆柱发生旋曲的临界状态，则有得到抽油杆柱的临界转速为：
关于抽油杆柱间扶正器安放位置的计算方法很多，可求得螺杆泵井杆柱扶正器的优化布置方式。由于聚驱井的沉没度高，液体黏度高，密度大，上顶力增加，导致抽油杆在液体中的重量降低，呈悬浮状态。另外，受黏滞力的影响，抽油杆在转动时，与液体的磨阻扭矩增加，抽油杆呈蛇型旋转，导致偏磨。从抽油杆扭矩情况分析，中和点下部下入加重抽油杆，使杆柱呈直线旋转，减少偏磨的现象。另外，安装抽油杆扶正器减少偏磨，采用空心抽油杆避免运动失稳， 具体计算公式：
式中：—扶正器间距， cm；—钢的弹性模量， 2.06×10kN/cm；—空心抽油杆外径， cm；——空心抽油杆内径， cm；g—重力加速度， m/s；—最下一级抽油杆截面积， m；—产出液体密度， kg/m；
在不改变抽油杆强度和传送扭矩的情况下，对于新井采用均匀非连续的安装扶正器措施。例如120根抽油杆，按照常规每5根安一个扶正器，安装24个，可分为三段，每段40根，最下部每三根杆安装1个，中间每5根杆安装1个，最上部每10根杆安装1个，也是安装24个，也不改变杆柱的受力，同时可以加强下部杆柱的扶正效果，减少下部抽油杆及油管的偏磨现象。目前某油田针对螺杆泵杆管磨损问题，采取的主要措施就是杆柱扶正，特别是对聚合物驱磨损严重的螺杆泵井，从理论与实践相结合出发，采取优化扶正措施，起到了较好的防磨损作用，聚驱螺杆泵井平均检泵周期由2008年的599d提高到2009年的655d。
3.2采用实心杆，缩小抽油杆杆径
螺杆泵举升液体与抽油机井和电潜泵井不同，在油管内，液体中的每个质点都循一条绕轴的螺旋线以一定的角速度和轴向速度运行，即在旋转和生产压差两种力作用下产生螺旋线流动。特别是举升聚驱粘弹性流体，这种流动更为明显。根据流道间隙与举升液体对杆管磨损的影响分析，在油管管径一定的情况下，提高抽油杆的强度以缩小杆径是一项防止杆管磨损的有力措施。自2005年以来，在A油田试验了外壁加厚的实心锥扣SHY级工艺杆，提高杆的抗扭强度，以往GLB1200螺杆泵一般与38 mm空心杆匹配，经过室内试验，28 mm实心锥扣SHY级抽油杆抗扭强度超过了38 mm空心杆。近几年来，已经现场更换实心杆井近20口，更换检泵周期得到延长，最长正常运转周期已经达到1000d，现场测试运转扭矩比原来降低20%以上，轴向力降低25%，起到了较好的防磨损作用。
3.3降低转速
根據上述分析，螺杆泵转速与流体摩擦阻力矩、杆柱所受的弯矩和振动有关，适当降低转速可以提高螺杆泵系统的安全系数，也在一定程度上延缓了杆管磨损，但是举升相同的液体，低转速就意味着其它举升参数的增大，而且分析表明，当螺杆泵转速低于90 r/min时系统能耗升高明显。因此，适当降低转速也是解决螺杆泵井杆管磨损的措施之一。
4结论与认识
针对螺杆泵井杆管偏磨问题，根据油田开发的实际情况和生产技术特点，分析了螺杆泵井杆管磨损的原因，杆管磨损除了泵举升井液和流道间隙的影响外，还有杆柱震动和扶正器布置方式的影响。对螺杆泵井抽油杆柱进行分析并求解了螺杆泵井抽油杆柱在传递扭矩过程中产生的横向位移，确定了扶正器的正确安装位置。
参考文献：
[1]陈涛平，胡靖邦著.石油工程[M].北京：石油工业出版.2000.328-335.
关键词：螺杆泵；杆管；偏磨
中图分类号：TH327文献标识码： A
螺杆泵采油是近些年发展起来的一种先进的采油工艺技术。因其质量轻、尺寸小、地面设备简单、适应粘度范围广、投资费用低、管理简便、排量调节方便、节能效果好等优点，并在油田逐步得到广泛的推广和使用。特别是在开采高粘度、高含砂量和高含气量的原油中，螺杆泵更具有独特的作用。随着油田开发的不断深入，螺杆泵独特的性能优势在油田生产中的作用越来越明显，已经成为油田的主要举升方式之一。但由于杆管偏磨问题日益突出，因此对螺杆泵采油系统杆管柱进行力学研究是十分必要的，对完善其工作理论具有重要的实际意义。
1磨损原因理论分析
1.1举升液体
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λ=C64R 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λ=C64R。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：
而轴向雷诺数和旋转雷诺数又和转速之间有着正比例的关系。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。
1.2流道间隙
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：
式中：L—抽油杆长度，m。
由公式可知，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76 mm油管内，抽油杆直径由28 mm增加到38 mm，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。
1.3杆柱振动
根据螺杆泵的工作原理，由于转子在定子腔内绕偏心做行星回转运动，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：
它在水平方向和垂直方向的分量分别为Fcosωt和F sinωt。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。
1.4扶正器布置方式
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，其计算公式为：
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n的平方成正比，也与两扶正器的间距ΔL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。
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。
2.1磨损位置
统计了近两年磨损严重的48口井，从磨损位置看，杆管磨损段主要集中在400～900 m，见表1。
表1杆管磨损位置
2.2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2。
表2杆柱磨损率
2.3螺杆泵转速
从螺杆泵转速看，转速大于100 r/min井的磨损率达47.5%，显然，高转速井的磨损率高于低转速井，见表3。
表3不同转速井的磨损率
2.4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4。
表4水驱与聚驱磨损井比较
3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。
3.1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s将产生的离心力为：
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，即：
式中：k—扶正器间杆柱的横向弯曲刚度。
根据杆柱发生旋曲的临界状态，则有得到抽油杆柱的临界转速为：
关于抽油杆柱间扶正器安放位置的计算方法很多，可求得螺杆泵井杆柱扶正器的优化布置方式。由于聚驱井的沉没度高，液体黏度高，密度大，上顶力增加，导致抽油杆在液体中的重量降低，呈悬浮状态。另外，受黏滞力的影响，抽油杆在转动时，与液体的磨阻扭矩增加，抽油杆呈蛇型旋转，导致偏磨。从抽油杆扭矩情况分析，中和点下部下入加重抽油杆，使杆柱呈直线旋转，减少偏磨的现象。另外，安装抽油杆扶正器减少偏磨，采用空心抽油杆避免运动失稳， 具体计算公式：
式中：—扶正器间距， cm；—钢的弹性模量， 2.06×10kN/cm；—空心抽油杆外径， cm；——空心抽油杆内径， cm；g—重力加速度， m/s；—最下一级抽油杆截面积， m；—产出液体密度， kg/m；
在不改变抽油杆强度和传送扭矩的情况下，对于新井采用均匀非连续的安装扶正器措施。例如120根抽油杆，按照常规每5根安一个扶正器，安装24个，可分为三段，每段40根，最下部每三根杆安装1个，中间每5根杆安装1个，最上部每10根杆安装1个，也是安装24个，也不改变杆柱的受力，同时可以加强下部杆柱的扶正效果，减少下部抽油杆及油管的偏磨现象。目前某油田针对螺杆泵杆管磨损问题，采取的主要措施就是杆柱扶正，特别是对聚合物驱磨损严重的螺杆泵井，从理论与实践相结合出发，采取优化扶正措施，起到了较好的防磨损作用，聚驱螺杆泵井平均检泵周期由2008年的599d提高到2009年的655d。
3.2采用实心杆，缩小抽油杆杆径
螺杆泵举升液体与抽油机井和电潜泵井不同，在油管内，液体中的每个质点都循一条绕轴的螺旋线以一定的角速度和轴向速度运行，即在旋转和生产压差两种力作用下产生螺旋线流动。特别是举升聚驱粘弹性流体，这种流动更为明显。根据流道间隙与举升液体对杆管磨损的影响分析，在油管管径一定的情况下，提高抽油杆的强度以缩小杆径是一项防止杆管磨损的有力措施。自2005年以来，在A油田试验了外壁加厚的实心锥扣SHY级工艺杆，提高杆的抗扭强度，以往GLB1200螺杆泵一般与38 mm空心杆匹配，经过室内试验，28 mm实心锥扣SHY级抽油杆抗扭强度超过了38 mm空心杆。近几年来，已经现场更换实心杆井近20口，更换检泵周期得到延长，最长正常运转周期已经达到1000d，现场测试运转扭矩比原来降低20%以上，轴向力降低25%，起到了较好的防磨损作用。
3.3降低转速
根據上述分析，螺杆泵转速与流体摩擦阻力矩、杆柱所受的弯矩和振动有关，适当降低转速可以提高螺杆泵系统的安全系数，也在一定程度上延缓了杆管磨损，但是举升相同的液体，低转速就意味着其它举升参数的增大，而且分析表明，当螺杆泵转速低于90 r/min时系统能耗升高明显。因此，适当降低转速也是解决螺杆泵井杆管磨损的措施之一。
4结论与认识
针对螺杆泵井杆管偏磨问题，根据油田开发的实际情况和生产技术特点，分析了螺杆泵井杆管磨损的原因，杆管磨损除了泵举升井液和流道间隙的影响外，还有杆柱震动和扶正器布置方式的影响。对螺杆泵井抽油杆柱进行分析并求解了螺杆泵井抽油杆柱在传递扭矩过程中产生的横向位移，确定了扶正器的正确安装位置。
参考文献：
[1]陈涛平，胡靖邦著.石油工程[M].北京：石油工业出版.2000.328-335.