单螺杆泵辅助高效采油

       地面驱动单螺杆泵投资少，维护简单，管理方便，是重要的举升工具。但是，其故障诊断理论研究却远远滞后于现场应用，从而制约了螺杆泵采油技术的进一步发展。目前螺杆泵故障诊断技术尚停留在宏观井况的基础上，凭借经验进行感性的判断，没有建立类似于有杆泵采油专家系统，也没有判断各种工况界限的标准。现场工人的判断准确率很低，只能根据噪音和振动信号来判断，且要求判断者具有较高的专业水平和丰富的生产经验。所以现场管理很不容易，无法高效地进行螺杆泵采油生产，针对这些问题，国内外大批学者进行了广泛深入地研究，吕彦平等对单螺杆泵采油系统的启动扭矩模型进行了论述，建立了单螺杆泵启动扭矩数学计算模型。但其模型未考虑螺杆泵启动的延迟效应，未将电机启动阶段和螺杆泵启动阶段分开考虑，另外，也未考虑电动机处于加速状态时其加速度变化对杆柱扭矩的影响。

       本文针对这些问题，进行了改进研究，修正了螺杆泵启动模型，并利用该模型初步建立了地面驱动单螺杆泵采油系统工况诊断理论方法。

       诊断螺杆泵工况

       地面驱动单螺杆泵启动时，转速瞬间提高，抽油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆启动扭矩远大于正常工作时的工作扭矩，其承受的扭矩大于额定扭矩后抽油杆易拧断。采油螺杆泵的空载运转力矩一般很小，但长时间静止的采油螺杆泵启动力矩（空载）有时却非常大，为空载运转力矩的20～30倍，为满载荷工作力矩的2～3倍。其启动扭矩的大小，与螺杆泵密封线长度、转定子之间的过盈值、橡胶硬度和工作压力有关，还与静止时间长短和摩擦面粗糙度有关。正是因为启动扭矩和螺杆泵采油系统工作参数的相关性，我们可以进行螺杆泵工况故障诊断。

       螺杆泵采油系统启动阶段分为电机启动阶段和泵启动阶段两部分。电机启动时可以分为两个阶段来考虑。

       第一阶段，从电动机开始运转到达到额定转速的阶段，即启动阶段。在这个阶段，电动机处于加速状态，其加速度不是常数，其转速是随时间变化的。第二阶段，从电动机达到额定转速到此后的任意时刻，即工作阶段。这个阶段电动机以额定转速匀速运转，但由于某些时候电流不够稳定或者其它的外在因素，可能导致电动机的转速出现无规律的微小波动。

       根据抽油杆的运动状态，将启动阶段分析划分为延时阶段、启动阶段和工作阶段等三个阶段，如图1所示。

       第一阶段为螺杆泵延时阶段，电机启动后，由零转速转速逐渐增加，此时，井底螺杆泵所受到的阻力和阻力矩为零；第二阶段为启动阶段，井底的阻力和阻力矩开始增加，其扭矩大小和电机转速有关。第三阶段为螺杆泵开始工作阶段，抽油杆柱在电机达到匀速转速一段时间后正常工作。

       这里可以清楚得看出电动机的启动阶段和工作阶段与抽油杆柱启功阶段和工作阶段是不同的，后者的启动阶段稍长于前者，换句话说，当电动机达到稳定转速时，抽油杆所受到的扭矩并没有达到稳定值，而是再延长小段时间才达到。

       现场实例分析

       从大量的现场生产资料和经验我们发现，螺杆泵油井经常出现的工作状态有以下几种：抽油杆断脱；油管漏失严重；油管结蜡严重；螺杆泵定子脱落；螺杆泵定子磨损严重；螺杆泵定子溶涨。

       其中，油井正常生产状态判断是判断其它故障的标准和基础。我们首先判断油井是否处于正常的生产状态，要接着再进一步判断不正常井的故障类型。油井正常生产状态，是利用启动扭矩的有限元模型和静力学模型综合进行判断的。故障类型暂时分为6种，见表1。

       利用启动扭矩有限元模型计算井口启动扭矩，对二连油田巴18-55井计算，油层中深1350，产量14.4t，含水30.1%，下泵深度1247，动液面757米，油压0.7MPa，套压0.1MPa，螺杆泵泵型GLB75-40。我们计算得到不同转速的启动扭矩。如图4示。

       利用故障诊断方法

       首先，需要标定该井的阻尼系数；其次，现场实测该井的井口扭矩曲线，然后和该井计算井口扭矩曲线和正常工作扭矩曲线进行对比。利用典型扭矩曲线图版进行故障判断。先测量正常工作时候的井口扭矩曲线，对比计算的井口扭矩曲线，来标定该井阻尼系数。

       本文对地面驱动单螺杆泵采油系统进行有限元分析，建立了地面驱动单螺杆泵启动扭矩有限元计算模型，并结合螺杆泵工作扭矩和轴向力，建立一套地面驱动单螺杆泵采油系统故障诊断的方法，该方法准确性较高，易于使用。为螺杆泵工况诊断技术在油田的应用，提供了理论基础。

       本文计算中抽油杆柱是弹性体，变形前杆柱轴线与井眼轴线重合，并与油管存在初始间隙，间隙的大小可以是任意分布的，变形后抽油杆柱的某些部分和油管接触；油管为弹性体，在接触反力和摩阻力的作用下发生形变；考虑抽油杆柱的初始变形。

       动坐标系下建立单元方程。抽油杆在随电机一块转动，是典型的大转动小变形问题。在静坐标系下建立方程求解，必须引入大变形理论，这将会给求解带来很大的困难。在动坐标系下，该问题就转换成为小变形问题，求解过程大大简化。需要注意，在动坐标系下求解，除了必须引入离心力，还必须考虑科氏力的影响。