电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用_汲红军.pdf

试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/电动潜油螺杆泵对油井适应性强，适用于稠油井、含砂井、高含气井1。电动螺杆泵在实际应用中，由于电动螺杆泵的结构特点决定了它的井下杆柱在生产过程中会储存一定的扭矩，当电动螺杆泵停机或遇到卡泵时，会导致杆柱反转，造成杆脱、光杆甩弯、地面设备损坏等问题，甚至会威胁到操作人员的人身安全2，存在较高的安全隐患。为保证操作安全，必须通过棘爪装置将扭矩释放后再作业3。邹龙庆等4提出了采用电磁制动防反转机构，使抽油杆反转转矩智能点动释放，有效的解决了电电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用汲红军1张有兴2史昆3邹继艳1刘丽1（1.大庆油田有限责任公司第二采油厂；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂；3.青海油田第一采油厂）摘要：电动螺杆泵作为采油设备目前在各油田应用较广泛，但在生产过程中电动螺杆泵井下杆柱反转易造成设备损坏、人身伤害以及原油产量损失。通过对电动螺杆泵井下生产装置结构、地面防反转措施的分析，提出了电动螺杆泵井下管柱结构技术改进方案，即增加井下限位杆柱防反转机构。井下限位杆柱防反转机构技术改进后，通过现场 30口电动螺杆泵井应用，一次成功率 100%，减少正憋管柱工序及罐车、泵车的使用费用。电动螺杆泵井停机后反转时间由原10 min24 h，降低为 20 s以内，挽回原油产量损失，提高电动螺杆泵安全运行可靠性，对各油田电动螺杆泵防反转技术改进具有借鉴意义。关键词：电动螺杆泵；井下；限位；杆柱；防反转DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.01.004Application of anti-reverse technology of downhole limit rod string for electric screwpumpJI Hongjun1，ZHANG Youxing2，SHI Kun3，ZOU Jiyan1，LIU Li11No.2 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，Ltd.2No.1 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，Ltd.3No.1 Oil Production Plant of Qinghai OilfieldAbstract：The electric screw pump，as oil production equipment，is extensively applied in each oil-fieldsHowever，in the production process，the downhole rod string reversal of electric screw pumpis easy to cause equipment damage，personal injury and the loss of crude oil productionBy the analy-sis of downhole production device structure and ground anti-reverse measures for electric screw pump，the technical improvement scheme of electric screw pump downhole string structure is put forward That is，the anti-reverse mechanism of downhole limit rod string is addedAfter technical improve-ment，it has been applied in 30 electric screw pump wells in the field，and the success rate is 100%atone time，which reduces the process of positive hold pipe string and use cost of tanker trucks and pumptrucksAfter shutdown，the reversal time of the electric screw pump is reduced from the original 10minutes-24 hours to less than 20 seconds，which can restore the loss of crude oil production and im-prove the safe operation reliability of electric screw pump and have reference significance for the im-provement of anti-reverse technology of electric screw pump in each oilfieldsKeywords：electric screw pump；downhole；limit；rod string；anti-reverse第一作者简介：汲红军，2007年毕业于大庆石油学院（石油工程专业），从事采油工作，13936744451，，黑龙江省大庆油田有限责任公司第二采油厂第六作业区 48队，163000。引文：汲红军，张有兴，史昆，等电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用J石油石化节能，2023，13（1）：15-19.JI Hongjun，ZHANG Youxing，SHI Kun，et al Application of anti-reverse technology of downhole limit rod string forelectric screw pumpJEnergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2023，13（1）：15-19.15石油石化节能 https:/汲红军等：电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用 第 13卷第 1期（2023-01）动螺杆泵反转问题。蔡东等5提出了螺杆泵变频器与螺杆泵井驱动机械防反转装置结合，来解决旋转运动螺杆泵井存在反转问题，通过在变频器外加装时间继电器和三个中间继电器，当螺杆泵接收到停机命令后，外部时间继电器工作同时变频器按照设定的减速时间（5 s）和减速方式逐步减小输出频率，让螺杆泵在最小转速时停止运转，从而高速运转的螺杆泵井就可以充分释放反转扭矩。某油田生产区域共有直驱电动螺杆泵井 1 000 余口，直驱电动螺杆泵通常采用电磁防反转技术6，利用电动机反转，将势能转化为电能，继而作用到电控箱外挂电阻上，最终将势能以热量的形式释放出去，与普通电动螺杆泵棘轮棘爪防反转装置对比，省下扭矩释放工作，操作起来更为简单安全。应用电磁防反转技术，受到使用环境影响：一是受夏季气候炎热，电控箱内电阻热量释放效率较低，无法及时传递热量，导致电阻过热烧毁，电控箱损坏，防反转装置失效；二是受野外恶劣气候影响，螺杆泵停机往往伴随着电缆老化、损坏及电路停电影响，导致电磁防反转系统完全失效，出现失控期，造成电动螺杆泵杆柱反转现象加剧。为此通过电动螺杆泵井下管柱结构、各部件功能、油套压差以及杆柱反转的原因进行分析，确定了电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术改进。1井下杆柱反转的原因分析1.1井下杆柱内部储存扭转势能导致杆柱反转地面驱动螺杆泵采油装置停抽或卡泵后，由于工作时杆柱内聚集大量的旋转扭转能量会使杆柱高速反转，造成杆柱脱扣等现象7。电动螺杆泵井停机后井下杆柱储存的弹性势能来源于其运转时承受的总扭矩8，螺杆泵储存扭矩结构见图 1。图 1螺杆泵储存扭矩结构Fig.1 Structure of stored torque of screw pump这其中包括电动螺杆泵举升油液产生的有功扭矩Mp、电动螺杆泵定子与转子之间的摩擦扭矩Mb、原油与抽油杆之间的摩擦扭矩Mr、抽油杆与井下设备之间的摩擦扭矩Ms，这些弹性势能的释放导致了电动螺杆泵井下杆柱发生反转，如在生产中突然释放扭转势能，将会产生较大的破坏力。电动螺杆泵井下杆柱的变形量用上下端断面相对转角描述，其单位扭转角9公式为：=ddx=TGIp180（1）式中：为单位扭转角，/m；T为扭矩，Nm；G为剪切弹性模量，GPa；Ip为极惯性矩，m4。以应用 38 mm 空心抽油杆的螺杆泵井为例，在杆柱长度为 950 m、运行扭矩 1 500 Nm 的情况下，可以计算得出其单位扭转角=6.66/m，全井杆柱的扭转圈数为 17.6 r。不同扭矩下抽油杆扭转角度及圈数见表 1，在电动螺杆泵正常生产情况下，井下抽油杆扭转圈数在 1030 r时，如突然释放该扭矩势能，会产生较大的破坏力。表 1不同扭矩下抽油杆扭转角度及圈数Tab.1Torsion angle and turns number of sucker rod underdifferent torques参数单位角变形/(m-1)千米杆扭转圈数/r对比理论计算室内实验理论计算室内实验扭矩/(Nm)5002.222.046.205.701 0004.444.5512.3012.601 5006.666.9318.5019.302 0008.889.2624.725.72 50011.1012.5930.8035.003 00013.3115.2637.0042.41.2井下油套压差导致杆柱反转在实际生产过程中，当电动螺杆泵停机后，由于井下油管内的液柱高于套管内的液柱9，这时油、套管内空间存在较大的液位差，油套管内的液位差产生的势能释放会对电动螺杆泵产生较大的马达效应，对井下转子产生促使杆柱下端反转（逆时针）的扭矩，从而导致井下杆柱发生高速反转。油套压差越大，杆柱反转速度越快，持续时间越长，直到油套压差恢复平衡为止10。通过理论计算，分析油套管液位差对杆柱反转的影响。转数的计算公式为：n=VP（2）式中：n为转数，r；V为由于油套液位差存在的倒流回井底的液体体积，m3；P为泵排量，m3/r。从理论公式中可以看出油套管液位差越大，电动螺杆泵排量越小，井下杆柱反转的圈数就越多。以 1 200 型 泵、38 mm 空 心 抽 油 杆、泵 深16试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/1 000 m 的电动螺杆泵井为例，可以得出其在不同动液面下油套管的压差对井下杆柱产生的扭矩和对应的杆柱反转圈数，在不同时间下释放该反转圈数光杆所产生的反扭矩，以及在该扭矩下抽油杆弹性变形的圈数。动液面、反转圈数及反扭矩对比见表 2。表 2动液面、反转圈数及反扭矩对比Tab.2 Comparison of dynamic liquid level，reversing turnsnumber and reversing torque测试参数产生扭矩/(Nm)杆弹性变形圈数/r液面导致杆反转圈数/r动液面/m1001281.62132002553.14263003834.76394005116.38525006397.91 0656007669.41 27870089411.01 4908001 02212.61 7039001 14914.21 9161.2.1释放扭矩试验分析为了验证油套管压差对反扭矩的作用，进行了现场释放电动螺杆泵井下扭矩试验。选取实际生产的 9 口 电 动 螺 杆 泵 井 作 为 试 验 对 象，排 量 在5001 200 mL/r，动液面在 170930 m，扭矩释放现场试验情况见表 3。电动螺杆泵的动液面越深，释放井下扭矩的时间越长，井下杆柱反转的圈数就越多。1.2.2灌水试验分析为了进一步验证又对其中 4 口电动螺杆泵井进行灌水试验，将套管灌水至电动螺杆泵井口后，开始释放井下扭矩，记录杆柱反转的圈数及扭矩释