螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计讲解

水平井求产螺杆泵排液杆柱力学分析及防偏磨技术王金东;张帆;高一淇;丛蕊【摘要】In the process of horizontal wells seeking production,the screwrod string is liable to produce the phenomenon of eccentric wear due to motion characteristics and environmental im-pacts.In order to prevent drilling accidents and economic losses,a mechanical analysis for screw rod string in the process of horizontal wells seeking production is made.Adrain rod string finite element analysis model based on mechanical analysis results established and an anti-eccentric wearing measures about reasonable placement methods of guide apparatus and centralizers is pro-posed.Aiming at the practical example of oil field,ANSYS software is developed to calculate stress and deformation when the drain rod string under its dead load and to arrange reasonable placement ofguide?apparatus and centralizers according to the analysis results.With the com-parison of parameters of torque,stress,average contact force and average contact frequency before and after,it reveals this technology may effectively prevent eccentric wear of the drain rod string due to the oversize lateral displacement.%在油田水平井求产过程中，螺杆泵排液杆柱因受其运动特性及井内环境的影响极易发生偏磨现象。

螺杆泵抽油杆柱受力分析作者：螺杆泵来源：/抽油杆柱受力分析与抽油机井的工作原理不同，螺杆泵抽油井在正常工作时即要受到轴向的载荷作用，同时又要受到周向扭转载荷的作用。

1.水力计算l)泵压头的确定在螺杆泵的受力分析当中，泵进出口压差是一个重要的参数，它直接影响了负载扭矩及轴向力计算的准确性。

根据螺杆泵的工作原理，确定泵压头的计算公式，其关键是对泵出口至井口流体流动的沿程压力损失的处理。

根据螺杆泵抽油井杆管环空内流体的流动特征，泵出口至井口流体流动的沿程损失包括两部分，流体沿泵以上的油管和抽油杆的环形空间向上作螺旋流动的沿程摩擦阻力损失和流体在杆管环空中流动时所产生的局部阻力损失，建立了相应的模型，得出泵井出口压差的计算公式。

2)采出液粘度的确定螺杆泵油井采出液中包括两种液相:油相和水相，水驱时，油井的采出液是原油和水的混合物，为牛顿流体，只要含水一定，混合物的粘度就为一定值，可用粘度加权法进行计算。

对于聚驱油井，采出液是聚合物溶液与原油的混合物，是非牛顿流体，并且聚合物采出液的粘度要高于水驱采出液的枯度。

通常在螺杆泵抽油井杆管的环空中，剪切速率通常较低，因此可以认为，采出液中水相和油相主要表现出粘性流体，且符合幂律模式，对于采出液的粘度可以采用加权法进行计算。

2.杆柱负载扭矩的计算与抽油机井的工作原理不同，螺杆泵抽油井在正常工作时即要受到轴向的载荷作用，同时又要受到周向扭转载荷的作用。

地面驱动螺杆泵抽油杆柱负载扭矩是螺杆泵抽油生产中的一个重要参数，其数值的精确计算对螺杆泵工况的诊断、抽油杆柱的合理设计以及泵的选择具有重要的价值，地面驱动螺杆泵抽油井在正常工作时，原动机通过抽油杆柱带动螺杆泵旋转，抽油杆柱受到五种扭矩的作用，抽油杆柱与井液的摩擦扭矩、举升流体的有功扭矩、抽油杆柱与油管间的摩擦扭矩、由于泵定子与转子间存在过盈而产生的摩擦扭矩及抽油杆的惯性扭矩。

在杆柱负载扭矩的计算当中考虑了泵压头的准确计算及粘度的影响。

南美公司螺杆泵优化设计及建议来信中提到螺杆泵在使用过程中，杆柱断脱现象比较严重，为此需要对螺杆泵杆柱受力情况进行受力分析，以期做到对选泵、转数选择、杆柱选用起到优化指导的作用。

第一章基础理论1 抽油杆柱扭矩的计算抽油杆驱动螺杆泵工作时所承受的扭矩有：（1）泵举升时的工作扭矩；（2）克服抽油杆与井液的粘滞力对抽油杆表面所产生的与抽油杆旋转方向相反的摩擦扭矩；（3）克服螺杆泵内转子和定子间的摩擦阻力矩，其数值一般在50-100Nm 之间。

其中前两者较大，是引起扭矩增大的主要矛盾，为了达到简要说明问题的目的，本文对螺杆泵内转子和定子间的摩擦阻力矩不做分析。

1.1泵举升时的工作扭矩：M1=110.5Q△P/n (N·m) (1) 式中：n –泵的转数或抽油杆旋转速度，rpm；Q –日产液量，m3/d；△P–泵进出口压差，Mpa，该值系由动液面高度，套压及油压共同决定，且有△P=ρy gH+Pt-Pc (MPa) (2) 式中：ρy –为井液的密度，kg/m3H –为动液面高度，m，Pt–油管回压，MPaPc–套管压力，MPa1.2克服井液粘滞力对抽油杆表面所产生的摩擦扭矩：M2=μnLπ2D2d2/3000(D2-d2) (N·m) (3) 式中：μ—流体粘度, mPa·s;L—抽油杆柱长度，m;D —油管内径, m;d —抽油杆外径，m;1.3泵内摩擦阻力扭矩泵内摩擦阻力扭矩包括转子与定子间的初始过盈配合所产生的反扭矩、在井下高温、高压下热涨和溶胀所产生的反扭矩，相对而言，此部分扭矩较小，并且可近似看做为一个恒定值，通常该值小于100Nm，本文将其视为常数C，暂不对其进行探讨。

1.4螺杆泵总扭矩以上三个扭矩值相加即为螺杆泵工作时产生的总扭矩M=M1+M2+C (N·m) (4) 2 螺杆泵转数的优化工作制度优化的目的是使转数控制在合理的范围内，达到工作扭矩最小的目的，为合理选择泵型奠定基础。

螺杆泵驱动杆柱力学分析及稳定器布置
李敬元;魏继德
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】1998(26)1
【摘要】就工作原理而言，螺杆泵兼有离心泵和容积泵两者的优点，其缺点是驱
动杆柱断裂较频率。

根据螺杆泵的工作状况，考虑抽油杆柱的重力、浮力、拉力、扭矩、井眼轨道等因素的影响，给出了驱动杆柱动力学基本方程，建立了三个模型，即对驱动抽油杆柱作整体力学分析的稳态拉力－扭矩模型；对井口处的驱动杆柱作局部弯曲分析的数学模型，以及对与螺杆泵转子相连接的下部杆柱作动力分析的数学模型，并提出了稳定器布置方法。

【总页数】6页(P13-17,28)
【作者】李敬元;魏继德
【作者单位】大庆石油学院;大庆石油管理局采油工艺研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TE933.2
【相关文献】
1.螺杆泵井驱动杆柱的偏磨和断裂动力学分析 [J], 王伟章;闫相祯;王海文;张先锋
2.地面驱动螺杆泵抽油杆柱弯曲的力学模型 [J], 师国臣;陈卓如;吴晓东;王世展
3.基于转子动力学方法研究螺杆泵抽油杆柱扶正器的布置 [J], 邹龙庆;魏丽;祝娟
4.螺杆泵抽油杆柱稳定器安装位置的确定 [J], 朱小平;吴伟
5.地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用 [J], 刘巨保;罗敏;李淑红
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

定向井螺杆泵抽油杆柱力学分析及防磨损措施摘要：定向井本身的井身结构比较特殊，因此在实际作业的过程中采取螺杆泵抽采方式如果不能采取合理的措施，很容易导致柱杆出现严重的磨损甚至出现卡死等现象。

为了能够有效消除柱杆在实际抽采作业中出现的磨损等问题，针对抽油杆造斜点设置了相应的导向器，并在合理的位置配套使用扶正器等相关的措施，在实际确定扶正器合理的位置的时候主要是通过建立模型进行分析计算得出。

这种方式在抽采现象的应用中得到了广泛应用。

关键词：定向井；螺杆泵；管杆磨损；扶正器引言在直井的抽采作业中螺杆泵抽采工艺的应用已经逐渐趋于成熟，但是螺杆泵抽采工艺在定向井中的应用比较少，对此的相关研究也比较少。

与直井相比较定向型本身的结构以及井身受力情况都更加复杂，当处于造斜段的时候，感触非常容易受到重力作用与油管壁发生接触。

根据定向井本身井眼轨迹具体特征可以知道，螺杆泵在抽采作业过程中抽油杆的旋转运动使得在纵横方向上出现了弯曲状态，这样就非常容易导致感度出现损坏或者是断脱等现象。

为了能够最大程度避免这种现象的出现，本文主要通过建立抽油杆的力学模型，并通过模型分析计算对导向器以及扶正器的布置方式进行了合理研究。

1 抽油杆柱受力情况分析螺杆泵的抽油杆在实际作业这个过程中主要是通过地面动力端来进行扭矩传递，并以此来带动驱动轴旋转，驱动头经过减速处理之后通过方卡子将扭矩传递到光杆上，最终将扭矩传递到抽油杆柱上面。

通过分析可以知道在井口位置抽油杆柱实际受到的是主动力矩的作用，在旋转作业过程中同时还会受到走向产生的力F，在举升液体的过程中不会受到一个摩擦力矩，此外，转子与电子之间由于采取的是过盈配合，因此两者之间也会产生还会产生一个摩擦力，在泵的出口位置由于会存在一定的压差，因此也会在抽油杆柱上产生的反扭矩。

上述几个参数可以通过以下计算公式来进行计算。

上述公式中R主要表示的是转子截面半径，m；e主要表示的是转子的偏心距m；主要表示的是在泵进出口产生的压差，Pa；上述公式中主要表示的是定转子之间在初始状态下的过盈值，mm；n主要表示的是在螺杆泵在运行过程中的转速，r/min；上述公式中主要表示的是井下液体动力粘度，Pa·s；主要表示的是油管的内径，m；d主要表的是抽油杆直径，如果都抽油杆本身是空心抽油杆，那么d主要表示的就是其外径，m。

螺杆泵井杆柱失效诊断及应对措施摘要：螺杆泵采油技术在存在安全性、稳定性等问题。

螺杆泵杆柱由于受到挤压，所受应力改变导致断裂、螺纹脱扣、撸扣、粘扣、偏磨的工况事故时有发生，基于此进行井杆柱失效诊断研究。

针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，能够提高杆柱的稳定性和持久性，可降低防断脱事故的发生。

实践证明，通过采取选配适宜强度的杆柱，适当安装扶正器，采用插接式连接机构等措施能有效地解决螺杆泵杆柱断脱问题，减少了生产故障率，提高了油田的生产效率。

关键词：油田；螺杆泵；失效类型；诊断预防采油螺杆泵广泛应用于我国各大油田，尤其在低产井和被列为无开采价值的油井上应用后，使其重新获得了可观的经济效益。

螺杆泵杆柱失效类型主要分为杆柱断裂失效，螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效，杆柱、油管偏磨失效三种类型，失效类型产生的原因也各不相同。

针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，采用插接式连接机构，改良杆柱连接状况，提高杆柱的稳定性和持久性，不断加强施工管理制度完善，可降低防断脱事故的发生。

1 杆柱失效诊断随着我国大部分油田进入开发中后期，深井、斜井、定向井数量不断增加，螺杆泵杆柱失效问题突出。

根据采油螺杆泵的应用实例，杆柱失效类型大概分为三类：①杆柱断裂失效；②螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效；③杆柱、油管偏磨失效。

1.1 杆柱断裂失效原因杆柱断裂是杆柱失效的常见形式，主要原因如下：（1）杆柱外径小，安全系数低。

不同于往复泵抽油杆柱，螺杆泵杆柱不仅受到轴向应力作用，而且受到因杆柱扭转带来的剪应力作用。

另外，高速旋转的杆柱还可能因杆柱偏心、井斜等造成横向不稳定运动，弯矩加大。

杆柱受力形变复杂，而目前油田生产中应用的抽油杆柱设计方法仅考虑了静载荷部分，忽略了动载荷，势必影响安全系数。