電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術的應用

汲紅軍 張有興 史昆 鄒繼艷 劉麗

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

電動潛油螺桿泵對油井適應性強，適用于稠油井、含砂井、高含氣井[1]。電動螺桿泵在實際應用中，由于電動螺桿泵的結構特點決定了它的井下桿柱在生產過程中會儲存一定的扭矩，當電動螺桿泵停機或遇到卡泵時，會導致桿柱反轉，造成桿脫、光桿甩彎、地面設備損壞等問題，甚至會威脅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[3]。鄒龍慶等[4]提出了采用電磁制動防反轉機構，使抽油桿反轉轉矩智能點動釋放，有效的解決了電動螺桿泵反轉問題。蔡東等[5]提出了螺桿泵變頻器與螺桿泵井驅動機械防反轉裝置結合，來解決旋轉運動螺桿泵井存在反轉問題，通過在變頻器外加裝時間繼電器和三個中間繼電器，當螺桿泵接收到停機命令后，外部時間繼電器工作同時變頻器按照設定的減速時間（5 s）和減速方式逐步減小輸出頻率，讓螺桿泵在最小轉速時停止運轉，從而高速運轉的螺桿泵井就可以充分釋放反轉扭矩。某油田生產區域共有直驅電動螺桿泵井1 000余口，直驅電動螺桿泵通常采用電磁防反轉技術[6]，利用電動機反轉，將勢能轉化為電能，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，與普通電動螺桿泵棘輪棘爪防反轉裝置對比，省下扭矩釋放工作，操作起來更為簡單安全。應用電磁防反轉技術，受到使用環境影響：一是受夏季氣候炎熱，電控箱內電阻熱量釋放效率較低，無法及時傳遞熱量，導致電阻過熱燒毀，電控箱損壞，防反轉裝置失效；二是受野外惡劣氣候影響，螺桿泵停機往往伴隨著電纜老化、損壞及電路停電影響，導致電磁防反轉系統完全失效，出現失控期，造成電動螺桿泵桿柱反轉現象加劇。為此通過電動螺桿泵井下管柱結構、各部件功能、油套壓差以及桿柱反轉的原因進行分析，確定了電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術改進。

1 井下桿柱反轉的原因分析

1.1 井下桿柱內部儲存扭轉勢能導致桿柱反轉

地面驅動螺桿泵采油裝置停抽或卡泵后，由于工作時桿柱內聚集大量的旋轉扭轉能量會使桿柱高速反轉，造成桿柱脫扣等現象[7]。電動螺桿泵井停機后井下桿柱儲存的彈性勢能來源于其運轉時承受的總扭矩[8]，螺桿泵儲存扭矩結構見圖1。

圖1 螺桿泵儲存扭矩結構Fig.1 Structure of stored torque of screw pump

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

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

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

以應用φ38 mm空心抽油桿的螺桿泵井為例，在桿柱長度為950 m、運行扭矩1 500 N·m的情況下，可以計算得出其單位扭轉角θ=6.66 °/m，全井桿柱的扭轉圈數為17.6 r。

不同扭矩下抽油桿扭轉角度及圈數見表1，在電動螺桿泵正常生產情況下，井下抽油桿扭轉圈數在10～30 r時，如突然釋放該扭矩勢能，會產生較大的破壞力。

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

1.2 井下油套壓差導致桿柱反轉

在實際生產過程中，當電動螺桿泵停機后，由于井下油管內的液柱高于套管內的液柱[9]，這時油、套管內空間存在較大的液位差，油套管內的液位差產生的勢能釋放會對電動螺桿泵產生較大的馬達效應，對井下轉子產生促使桿柱下端反轉（逆時針）的扭矩，從而導致井下桿柱發生高速反轉。油套壓差越大，桿柱反轉速度越快，持續時間越長，直到油套壓差恢復平衡為止[10]。通過理論計算，分析油套管液位差對桿柱反轉的影響。

轉數的計算公式為：

式中：n為轉數，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，電動螺桿泵排量越小，井下桿柱反轉的圈數就越多。

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

表2 動液面、反轉圈數及反扭矩對比Tab.2 Comparison of dynamic liquid level，reversing turns number and reversing torque

1.2.1 釋放扭矩試驗分析

為了驗證油套管壓差對反扭矩的作用，進行了現場釋放電動螺桿泵井下扭矩試驗。選取實際生產的9口電動螺桿泵井作為試驗對象，排量在500～1 200 mL/r，動液面在170～930 m，扭矩釋放現場試驗情況見表3。電動螺桿泵的動液面越深，釋放井下扭矩的時間越長，井下桿柱反轉的圈數就越多。

表3 扭矩釋放現場試驗情況Tab.3 Test situation of torque release field

1.2.2 灌水試驗分析

為了進一步驗證又對其中4口電動螺桿泵井進行灌水試驗，將套管灌水至電動螺桿泵井口后，開始釋放井下扭矩，記錄桿柱反轉的圈數及扭矩釋放的時間。電動螺桿泵井套管灌水現場試驗統計見表4，灌水達到油套平衡后，釋放井下扭矩時桿柱反轉的圈數只有1～5 r，與灌水前對比，桿柱反轉圈數明顯減少。

表4 電動螺桿泵井套管灌水現場試驗統計Tab.4 Test statistics of casing irrigation field of electric screw pump well

從上述試驗數據得出，由油套液位差所產生的電動螺桿泵井下桿柱的反轉速度可達到1 000 r以上，遠遠高于井下抽油桿本體儲存反轉勢能的轉速，是形成電動螺桿泵井下桿柱反轉的主要因素，因此需要在井下設計一種控制液位差勢能釋放的裝置，阻斷電動螺桿泵馬達效應的產生，減少電動螺桿泵井下桿柱反轉。

2 螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術

2.1 裝置的結構組成

對原電動螺桿泵井下限位器的下部進行改進，增加內部含球機構及觸碰開關，在工作中起到單流閥的作用來實現限位桿柱防反轉的作用，該技術成果主要由觸碰開關、球、含球機構、限位器、變徑接箍等幾部分組成。電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉裝置結構見圖2。

圖2 電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉裝置結構Fig.2 Structural diagram of anti-reversal device for downhole limit rod string of electric screw pump

2.2 工作原理

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

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

3 現場試驗

3.1 現場應用

電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術實施后，在N4-D21-P2135井進行了先導應用試驗，現場進行井下扭矩釋放，該井平均動液面為500 m，釋放扭矩時平均反轉圈數為7 r（約10 s），而未裝電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉裝置時，釋放扭矩時反轉圈數達到5 000 r左右（約120 min），安裝井下限位防倒流裝置前后數據對比見表5。

表5 安裝井下限位防倒流裝置數據統計Tab.5 Data statistics of installing downhole limit anti-backflow device

3.2 應用效果

經過現場先導應用試驗證明，電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術適用于所有直驅螺桿泵井，目前已在生產現場推廣應用30口直驅電動螺桿泵。電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉技術在現場應用后，有效的杜絕了因井液倒流造成電動螺桿泵井下桿柱反轉的現象，能最大限度的保證快速停泵，使停泵時間由每次10 min～24 h左右降低為20 s以內，實現單井增加原油約0.5 t，由于該技術從內部增加含球釋放機構，減少了單井作業時正憋管柱的工序及罐車、泵車的費用5 000元，原油按2 000元/t計算，應用30口直驅電動螺桿泵井單次創經濟效益18萬元。一年按每口井正常維修、保養、故障停泵15次，每年檢泵1次進行正憋管柱計算，年創經濟效益60萬元，如加大推廣范圍效益更為顯著。同時避免了燒毀波紋電阻的現象，減少停機時間，降低員工的勞動強度，提高安全生產系數。

4 結束語

1）電動螺桿泵井桿柱反轉主要由桿的彈性勢能和油套壓差作用引起的，彈性勢能作用持續時間短，但破壞力大；油套壓差作用時間長，導致桿反轉的圈數要遠大于桿彈性變形的圈數，是形成電動螺桿泵井下桿柱反轉的主要因素。

2）電動螺桿泵的動液面越深，釋放井下扭矩的時間越長，井下桿柱反轉的圈數就越多。試驗結果表明，排量為500 mL/r，動液面在930 m時，現場井下扭矩釋放了60 min，約2 500 r；動液面在680 m時，現場井下扭矩釋放了8 min，約240 r。

3）油套壓差越大，桿柱反轉速度越快，持續時間越長，直到油套壓差恢復平衡為止?，F場試驗，灌水達到油套平衡后，釋放井下扭矩時桿柱反轉的圈數由2 500 r降至1 r。

4）控制液位差勢能釋放的裝置，阻斷電動螺桿泵馬達效應的產生，是控制電動螺桿泵井下桿柱反轉的有效手段。電動螺桿泵井下限位桿柱防反轉裝置安裝后，釋放扭矩時反轉時間由120 min（5 000 r）降低為10 s（7 r）。

5）井下限位桿柱防反轉機構解決油套管壓差導致的井下桿柱反轉問題，減少作業工序和特車使用費用，挽回了因停泵時間長而造成的原油產量損失，并且能夠自動釋放扭矩，安全系數高，杜絕了生產中存在的安全隱患。