螺桿泵故障診斷

1、專業(yè).專注螺桿泵故障診斷摘要：介紹了螺桿泵采油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理等。總結(jié)了螺桿泵系 統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的主要故障并重點分析了影響螺桿泵故障的自身因素和外 界因素。結(jié)合當(dāng)前最新技術(shù)介紹了四種非常實用的螺桿泵故障診斷方法。關(guān)鍵詞：螺桿泵；故障；分析；診斷引言螺桿泵采油系統(tǒng)是近些年發(fā)展起來的一種先進的采油技術(shù)，因其系統(tǒng)設(shè)備尺寸小、維護和管理方便、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，受到了人們的日益關(guān)注，并在 油田上逐步得到廣泛的推廣和使用。螺桿泵按驅(qū)動方式分為電動潛油螺桿泵和 地面驅(qū)動井下螺桿泵，油田上常用的螺桿泵為地面驅(qū)動井下螺桿泵。隨著我國地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)在油田上的應(yīng)用，越來越多的故障出現(xiàn)在現(xiàn)場生產(chǎn)過

2、程 中。導(dǎo)致故障出現(xiàn)的原因是多種多樣的，除去人為因素，螺桿泵采油技術(shù)理論 的不完善是其主要根源。但是由于螺桿泵采油的發(fā)展時間相對不長，在以后較開的時間內(nèi)開發(fā)出完整的故障診斷系統(tǒng)是存在很大難度的。因此，建立地面螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷的初步方法，既能解決油田的生產(chǎn)問題，又能為以后的 研究提供資料。一.螺桿泵結(jié)構(gòu)及原理1.1螺桿泵結(jié)構(gòu)螺桿泵采油系統(tǒng)按驅(qū)動方式分為地面驅(qū)動和井下驅(qū)動兩大類。在整個螺桿泵采油系統(tǒng)中，地面驅(qū)動發(fā)展較早、也比較成熟，但是井下驅(qū)動避免了地面驅(qū)專業(yè).專注word完美格式動扭矩的損失、設(shè)備也比較少，具有較高的采油效率，國內(nèi)正處于試驗階段，國內(nèi)各油田現(xiàn)用的螺桿泵采油系統(tǒng)，一般都選取地

3、面驅(qū)動方式，其結(jié)構(gòu)圖如下：光桿；2驅(qū)動裝置；3抽油桿；4油管5套管；6扶正器；7井下螺桿泵圖1-1地面驅(qū)動螺桿泵地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)主要由地面驅(qū)動、螺桿泵和抽油桿組成。地面驅(qū)動部分由電動機、減速箱和光桿密封器等組成。采油動力由電動機輸出，帶動 抽油桿旋轉(zhuǎn)，連接在抽油桿底部的螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動。井下螺桿泵由轉(zhuǎn) 子和定子組成，轉(zhuǎn)子由高強度鋼材料制成的單頭螺旋線體，具有堅硬耐磨、光滑鍍銘表面；定子是一個在鋼管內(nèi)硫化成型的雙頭螺旋線體，其內(nèi)橡膠定子具有柔軟的彈性。螺桿泵是各種井下抽油泵中結(jié)構(gòu)最簡單的一種。1.2螺桿泵采油原理地面驅(qū)動裝置將動力通過抽油桿傳遞給井下螺桿泵轉(zhuǎn)子，驅(qū)動螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在

4、螺桿泵轉(zhuǎn)子與定子之間形成一個個密閉的空腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動時，封閉腔就沿軸向由吸入端向排出端運移 ，封閉腔在排出端消失，同時吸入 端形成新的封閉腔，其中腔內(nèi)所盛滿的液體也就隨著它的運移由吸入端推擠到 排出端，由于封閉腔的不斷形成、運移、消失、這就起到泵送液體的作用，完 成輸送原油的動作。從上述工作原理可以看出，螺桿泵有以下特點：a）螺桿泵結(jié)構(gòu)原理簡單。b）螺桿泵的排出流量均勻，并且可通過地面改變驅(qū)動頭的皮帶輪大小 ，調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)排出的流量。c）螺桿泵的輸出壓頭大，無單流閥，故宜于輸送粘度大的液體，而且不會產(chǎn) 生氣鎖現(xiàn)象，適合于高氣油井。d）螺桿泵自吸力較強，由于能均勻地排液和吸液，

5、溶解氣不易從原油中分 離，減少了氣體對泵效的影響。e）螺桿泵定子通常采用耐油橡膠張貼在鋼管內(nèi)壁制成，它和轉(zhuǎn)子密封為柔性面接觸，當(dāng)螺桿泵正常生產(chǎn)時，遇砂粒在密封面時，砂粒將壓迫柔性的定子 一面，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和液體一起被擠在上一腔體內(nèi) ，因此，螺桿泵可在出砂 井中使用。f）螺桿泵不允許空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)可導(dǎo)致泵報廢。二.螺桿泵主要故障螺桿泵一般用于高粘度、高含砂井采油，螺桿泵工作時，一方面桿柱承受 拉力，一方面管柱、桿柱還承受很大的扭矩。因此，如果選井選泵不當(dāng)，管柱 和桿柱設(shè)計不當(dāng)，泵質(zhì)量不合格，防砂、防蠟措施不力，或生產(chǎn)時監(jiān)測不力， 都將會導(dǎo)致螺桿泵發(fā)生故障。有時是開機后沒見出油就已發(fā)生故障 ，有時是

6、生 產(chǎn)一段時間后出現(xiàn)故障。螺桿泵的故障形式通常有抽油桿斷脫 、油管斷脫、油管漏失、定子脫膠、 轉(zhuǎn)子脫離、輸油管線堵塞、定子橡膠溶脹、結(jié)臘、供液不足等。抽油桿斷脫。抽油桿斷脫在螺桿泵油井發(fā)生率較高 ，抽油桿斷脫占重復(fù)作 業(yè)率的50%,抽油桿斷脫后，產(chǎn)量為零，由于電機負載幾乎接近為零，所以其 運行電流小于其正常運行時的電流。泵和油管液體漏失。由于油管出現(xiàn)問題或泵的運行時間比較長 ，磨損嚴 重，也會產(chǎn)生液體漏失，主要表現(xiàn)在流量小于理論流量，效率低，運行電流低 于正常運轉(zhuǎn)電流。卡泵或油管堵塞。油井由于含砂量較大，會導(dǎo)致卡泵或管線堵塞，發(fā)生上 述情況后，泵吸入口壓力會升高，流量減小，運行電流值增大。這種

7、情況極易 導(dǎo)致螺桿泵抽油桿斷脫。供液不足。由于螺桿泵的結(jié)構(gòu)獨特，工作時如果發(fā)生供液不足，將會導(dǎo)致 轉(zhuǎn)子和定子之間發(fā)生干磨，產(chǎn)生過熱使橡膠定子燒毀；或者由于螺桿泵進口壓 力很低（低于氣蝕壓力），發(fā)生氣蝕，流量效率下降，消耗功率增加。判斷供 液不足主要根據(jù)螺桿泵進口壓力和油井流量來考慮 。三.螺桿泵故障因素分析影響螺桿泵故障的因素很多，既有其自身因素，也有外界的因素。螺桿泵自身因素分析1.過盈量的影響螺桿泵的工作原理決定了要保證一定的泵效，就必須使定轉(zhuǎn)子表面的接觸線保持充分密封，而密封的程度取決于轉(zhuǎn)子與定子之間的過盈量。一方面，過盈量大可獲較高的泵效，但是抽油桿的扭矩增加，容易出現(xiàn)油管、抽油桿斷脫

8、 現(xiàn)象，并且定子橡膠磨損加劇，影響泵的壽命；另一方面，過盈量小雖然不會 出現(xiàn)上述問題，但泵的容積效率過低，將降低泵的系統(tǒng)效率。因此，要對過盈 量進行合理地選擇。所謂合理的過盈量，就是在能夠保證一定的舉升壓力和容 積效率條件下的過盈量值。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響螺桿泵轉(zhuǎn)速對螺桿泵抽油系統(tǒng)影響較大，提高螺桿泵的轉(zhuǎn)速有很多有利的 地方，也有其不利的地方：(1)螺桿泵轉(zhuǎn)速越高，增加螺桿泵定轉(zhuǎn)子的磨損。(2)轉(zhuǎn)速越高，單位長度內(nèi)定轉(zhuǎn)子間的生熱量越大，引起橡膠熱脹，定轉(zhuǎn) 子之間的扭矩增加，整個抽油系統(tǒng)的負荷上升。(3)螺桿泵轉(zhuǎn)速大，抽油系統(tǒng)抽油桿與油管的摩擦力增大，加劇油管、抽 油桿的磨損。(4)螺桿泵轉(zhuǎn)速提高

9、，桿管系統(tǒng)受力的疲勞程度增加。地面驅(qū)動裝置受力 條件變差，電機功率變大。3.轉(zhuǎn)子直徑、導(dǎo)程的影響螺桿泵的轉(zhuǎn)子直徑、導(dǎo)程對于螺桿泵的主要性能參數(shù)有許多影響，同時又受諸多因素的限制。螺桿泵的理論排量為9Qth=1440 X4eDTnX10分析得到螺桿泵的轉(zhuǎn)子直徑、導(dǎo)程對泵的理論排量有影響，從而對螺桿泵 的輸出功率也有影響。轉(zhuǎn)子在正常工作時所能承受的扭矩大小將直接影響螺桿 泵的使用壽命。然而，轉(zhuǎn)子的直徑、導(dǎo)程又受泵筒尺寸的限制，因而不能無限 制的增加轉(zhuǎn)子的直徑和導(dǎo)程。.驅(qū)動螺桿泵抽油的合理電機功率驅(qū)動螺桿泵電機功率的配備除考慮正常條件外，還應(yīng)考慮特殊條件下的需 要。(1)電機驅(qū)動功率應(yīng)考慮螺桿泵光桿

10、所需實際功率，也就是正常工作時的功率。(2) 一般電機的啟動電流是電機正常電流的三倍，為了保證在電機啟動時不燒電機，應(yīng)留有保險系數(shù)。(3)螺桿泵停泵，用防反轉(zhuǎn)制動，扭矩不釋放，再啟動電機時，實際是滿 載啟動，這時啟動扭矩較大?？紤]上述因素后，電機功率不能取太小，以免特殊情況時會燒電機。若選 擇電機過大，電機在工作時利用率太低，電機效率低。另外，油井啟抽時多數(shù) 泵抽壓差較小，負荷較小，綜合各種因素考慮，選擇電機功率應(yīng)是正常工作時 功率的1.52倍.合理的沉沒度螺桿泵抽油沉沒度是螺桿泵抽油系統(tǒng)的一個重要參數(shù) ，沉沒度過高，影響 油井產(chǎn)量。若控制的過低，影響泵的吸入狀況，使泵效降低。螺桿泵定子橡膠

11、發(fā)熱，定、轉(zhuǎn)子間的摩阻增大，使抽油系統(tǒng)工況變差，螺桿泵定子破壞加快。 因此在抽油過程中，必須控制好泵的沉沒度。.螺桿泵的合理壓頭泵的壓頭是螺桿泵抽油系統(tǒng)正常運行的最基本參數(shù)，它是維持螺桿泵能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。若螺桿泵的壓頭低于油井所需壓頭，油井不能生產(chǎn)。螺桿泵的壓頭，由單級承壓能力和級數(shù)決定，由水力特性曲線可以查出， 但在油田應(yīng)用中，抽吸介質(zhì)的粘度、螺桿泵有效的工作級數(shù)、螺桿泵單級承壓 能力等都是影響螺桿泵工作壓頭的因素。3.2外界因素分析.油井出砂對螺桿泵采油的影響油井在生產(chǎn)過程中，大部分井出砂。雖然螺桿泵對含砂有較好的適應(yīng)性 ， 但在連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)中，帶砂液體通過螺桿泵空腔可將砂粒帶走

12、，此時砂粒對 定子和轉(zhuǎn)子長期磨損，同樣使定子和轉(zhuǎn)子表面破壞，使螺桿泵使用壽命縮短。(1)油井出砂加快螺桿泵定、轉(zhuǎn)子的磨損，使螺桿泵過早漏失，壓頭下 降。定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦扭矩增加，易出現(xiàn)斷桿，使驅(qū)動頭負荷增大。(2)油井出砂嚴重，長期不沖砂會埋泵吸入口 ，造成螺桿泵供液不足，使 油井液面上升、油井產(chǎn)量下降。油管流體不流動，油管流體中含砂下沉，堆在 泵出口處，易卡泵，使電流增大，主要危害是易燒泵。(3)油井出的部分砂鑲嵌在定子橡膠中，使橡膠表面破裂。鑲嵌的砂粒越 來越多，橡膠彈性過早失效，使螺桿泵定子橡膠過早破壞，壓頭降低，漏失量 增加。(4)油井出砂在螺桿泵停泵時，油管內(nèi)流體停止流動，流體含砂

13、下沉。停 泵后再次啟抽時，易出現(xiàn)卡泵，易使抽油桿、地面驅(qū)動系統(tǒng)破壞；沉砂易堵塞 油管流體，形成憋泵現(xiàn)象，易出現(xiàn)破壞地面系統(tǒng)及燒泵現(xiàn)象。.油井結(jié)蠟對螺桿泵采油的影響一般原油含有石蠟質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，只是不同油井含蠟量不同。在原油 從井底通過螺桿泵沿油管舉開到地面的過程中，原油的溫度隨地層溫度降低而 降低。當(dāng)蠟質(zhì)達到結(jié)蠟溫度時，蠟質(zhì)從油液中析出，并粘結(jié)在油管壁和抽油桿 上。(1)井口、地面管線結(jié)蠟，使井口回壓增大，增大泵的實際壓頭。(2)泵出口以上結(jié)蠟，不但會有上述的危害，還會使油管沿程損失增大， 抽油桿旋轉(zhuǎn)磨阻增大，抽油桿及地面驅(qū)動系統(tǒng)負荷增大，使產(chǎn)量降低，增加事 故率。該部位結(jié)蠟，除上述影響外

14、，泵的抽吸狀況變差。(3)泵吸入口以下結(jié)蠟，影響更嚴重，除上述影響外，泵吸入狀況變差， 液面上升，產(chǎn)液下降，嚴重時造成供液不足、泵效降低、易燒泵。(4)預(yù)防油井結(jié)蠟，是保證螺桿泵采油井長期正常運轉(zhuǎn)的主要途徑之一。因此要制定合理的洗井周期，保證洗井徹底，同時也可以對油井定期加藥防止 結(jié)蠟。.游離氣對螺桿泵采油的影響螺桿泵抽油，由于進、排液都是連續(xù)進行，不會發(fā)生氣鎖現(xiàn)象，能夠適應(yīng)于相對氣液比較高的油井。正常抽油時氣液比越高，泵效就越低。造成產(chǎn)液量 波動或產(chǎn)量下降。如果氣液比過高，將有大量氣體進入泵內(nèi)，對定子橡膠造成氣浸溶脹，增 加摩擦扭矩后，產(chǎn)生大量熱又不易被含氣量較高的液體帶走，引起泵溫升高；同

15、時引起定轉(zhuǎn)子得不到充分潤滑，易損壞定子和轉(zhuǎn)子。.泵深對螺桿泵采油的影響一般下泵越深，要求的舉升壓頭越大，同時管柱及桿柱受力越大，對桿、 管的強度要求也越高。要求泵定子和轉(zhuǎn)子不但要有足夠的剛度，還要提高泵定子的承壓能力，保證密封不漏失。同樣的單級承壓能力，泵越深要求泵的級數(shù) 越多；同樣級數(shù)要求單級承壓能力越大，對定子橡膠的耐溫要求也高；下泵越 深，地層溫度越高，對定子橡膠影響越大。.溫度的影響目前多數(shù)螺桿泵定子橡膠的耐溫能力達到80C以上。高溫橡膠，耐溫可超過120C以上。若地層溫度超過橡膠的許用溫度，定子橡膠會加快損壞，降 低螺桿泵的性能指標(biāo)，大大降低使用壽命。橡膠溫度越高，定、轉(zhuǎn)子間的摩擦

16、力增加量也越大，使系統(tǒng)工況變差。井溫高對螺桿泵有好的一面，也有壞的一 面。螺桿泵不工作時，允許的溫度偏高，螺桿泵在工作過程中不允許存在超過 定子橡膠許用的溫度。下泵后，螺桿泵定子橡膠溫度變化是一個重要因素，不容忽視。.壓頭對螺桿泵采油的影響對于螺桿泵采油井，所選用螺桿泵的級數(shù)決定泵的壓頭。壓頭越大，舉開 液體的能力就越高。如果因外界因素造成舉升壓力增加，并超過泵的舉升能力，則會導(dǎo)致泵舉升困難或燒泵。在螺桿泵采油過程中，井況常常發(fā)生變化。 如結(jié)蠟嚴重，形成蠟堵憋壓，泵的壓力就無法滿足舉升要求。若泵的舉升壓頭 不夠，使泵抽液量過小，將易出現(xiàn)螺桿泵升溫較快，易出現(xiàn)燒泵。四.螺桿泵故障診斷方法隨著地面

17、驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用 ，越來越多的油井故障出現(xiàn)在 生產(chǎn)過程中，其原因多種多樣，除去人為因素，螺桿泵采油技術(shù)理論不完善是主要 根源。由于螺桿泵采油的發(fā)展時間相對不長，在較短時間內(nèi)建立完整的故障診斷 系統(tǒng)存在很大難度。因此，建立地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷的方法 ，既能 解決油田的生產(chǎn)問題，又能為將來的研究提供必要的基礎(chǔ)。如何加強螺桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)工況診斷是提高螺桿泵油井科學(xué)管理水平的關(guān) 鍵。螺桿泵油井工況診斷可以使油井生產(chǎn)管理者全面監(jiān)測螺桿泵生產(chǎn)井的井下 工作狀態(tài)，判斷分析有無故障及故障原因 ，從而挖掘油井潛力，保證設(shè)備安 全、可靠、有效地工作，延長檢泵周期，最終達到科學(xué)化管理螺桿泵生

18、產(chǎn)井的 目的。隨著螺桿泵應(yīng)用規(guī)模的擴大，時間的延長，診斷方法會越來越多，其技術(shù) 水平也將會越來越高。下面就目前正在使用的一些診斷方法做一些介紹 ，主要 包括電流診斷法、憋壓法、液量變化法和扭矩法。4.1電流診斷法電流診斷法是通過測試驅(qū)動電機的電流變化來診斷泵工作狀況，電流綜合了螺桿泵油井系統(tǒng)的受力變化。這種診斷方法的好處是儀器簡單，測量方便，其缺點是不能區(qū)分整個采油系統(tǒng)各部分受力對電流的影響障的原因。,也就不容易判斷故表4-1電流法診斷故障匯總表工作電流工況特征故障形式接近電機空載電流接近電機正常運轉(zhuǎn)電流電機電流周期性波動明顯高于電機正常運轉(zhuǎn)電流無排量，油套管不連通油管和套管連通，無排量或排量

19、小排量很小，液面較淺排量很小，液面較深脈動性產(chǎn)液排量小，油壓均正常排量降低，油壓明顯增高投產(chǎn)初期排量正常排量正常抽油桿斷脫，定子脫膠油管斷脫或油管嚴重漏失油管漏失；泵定子長期運轉(zhuǎn)磨損嚴重，漏失油管出液少、含氣量 大，造成脫氣、供液不 足等嚴重的影響轉(zhuǎn)子不連續(xù)性轉(zhuǎn)動，過盈量偏大結(jié)蠟嚴重輸油管線堵塞定子橡膠膨脹過大，產(chǎn) 品不合格抽油桿磨油管4.2憋壓法機采井憋壓是在油井開采時，關(guān)閉井口生產(chǎn)閘門（或者不完全關(guān)閉形成節(jié) 流），使米油泵至井口的油管內(nèi)在較短的時間內(nèi)憋起較高壓力的操作過程。憋壓在某些油田螺桿泵井生產(chǎn)的全過程中都得到了采用，并且要求井口憋壓達到較高的壓力值。表4-2憋壓法診斷故障匯總表工作壓

20、力工況特征故障形式油壓不上升無排量抽油桿斷脫油管斷脫油壓上升，接近套壓，無排量或者排量很小宗嚴重漏失或油壓上升異常緩慢排量小、泵效降低、動油管嚴重漏失油管頭嚴重漏失宗嚴重漏失油壓上升緩慢液向深氣體影響供液能力差油、套壓接近排量小，油套偶爾連通定子脫膠油壓升到某值穩(wěn)定排量小螺桿泵壓頭不穩(wěn)定憋壓法操作簡單、快捷，不須停井，現(xiàn)場應(yīng)用最頻繁，能初步判斷油井故障。但安全性差，憋壓過高不容易控制，對于含氣高、抽油桿斷脫、油管脫螺紋 等憋壓法故障分析困難。4.3液量變化法油井產(chǎn)液量是現(xiàn)場非常直觀的資料，天天取、天天用，比較準(zhǔn)確可靠，因 此用它作為分析的依據(jù)比較現(xiàn)實。表4-3液量變化法診斷故障匯總表液流特征出現(xiàn)問題故障形式驅(qū)動軸/、動皮帶滑落；電機損壞抽油桿斷落；油管脫無液流驅(qū)動軸以正常轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動落；轉(zhuǎn)子損壞；定子脫膠超過f運轉(zhuǎn)時間產(chǎn)量泵失效，定子橡膠破碎下降或脫落；溫度過高產(chǎn)量/、艾,但比預(yù)計廣泵吸入部分堵塞；轉(zhuǎn)子產(chǎn)量低量低（驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速不尺