电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用

汲红军 张有兴 史昆 邹继艳 刘丽

（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）

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：

式中：θ为单位扭转角，°/m；T为扭矩，N·m；G为剪切弹性模量，GPa；Ip为极惯性矩，m4。

以应用φ38 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 N·m的情况下，可以计算得出其单位扭转角θ=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10～30 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.1 Torsion angle and turns number of sucker rod under different torques

1.2 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：

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、φ 38 mm空心抽油杆、泵深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 turns number and reversing torque

1.2.1 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500～1 200 mL/r，动液面在170～930 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。

表3 扭矩释放现场试验情况Tab.3 Test situation of torque release field

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放的时间。电动螺杆泵井套管灌水现场试验统计见表4，灌水达到油套平衡后，释放井下扭矩时杆柱反转的圈数只有1～5 r，与灌水前对比，杆柱反转圈数明显减少。

表4 电动螺杆泵井套管灌水现场试验统计Tab.4 Test statistics of casing irrigation field of electric screw pump well

从上述试验数据得出，由油套液位差所产生的电动螺杆泵井下杆柱的反转速度可达到1 000 r以上，远远高于井下抽油杆本体储存反转势能的转速，是形成电动螺杆泵井下杆柱反转的主要因素，因此需要在井下设计一种控制液位差势能释放的装置，阻断电动螺杆泵马达效应的产生，减少电动螺杆泵井下杆柱反转。

2 螺杆泵井下限位杆柱防反转技术

2.1 装置的结构组成

对原电动螺杆泵井下限位器的下部进行改进，增加内部含球机构及触碰开关，在工作中起到单流阀的作用来实现限位杆柱防反转的作用，该技术成果主要由触碰开关、球、含球机构、限位器、变径接箍等几部分组成。电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置结构见图2。

图2 电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置结构Fig.2 Structural diagram of anti-reversal device for downhole limit rod string of electric screw pump

2.2 工作原理

电动螺杆泵井下管柱内杆柱限位防倒流装置是在井下作业施工过程中随井下工具直接安装在井下部位，位置在电动螺杆泵井下限位器的下部，电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置安装示意图见图3，连接到电动螺杆泵定子末端在下电动螺杆泵转子之前，球在含球机构上固定，触碰开关位于限位器的上部。此时装置的内部具有液流通道，可使油套管内的压力保持平衡，能够保证下杆柱时电动螺杆泵的转子顺利进入泵筒内。在电动螺杆泵转子安装入泵后，下放转子到限位器时碰撞触碰开关，含球机构打开，球下行至球座位置，起到单流阀的作用。电动螺杆泵正常生产时，液流将球体顶开，井液被举升到地面，电动螺杆泵停机后，井筒内的液柱在重力的作用下回流，这时球自由下落至球座位置将液流通道关闭，阻止油管中的液体回流到井底，液位差势能释放被阻断，无法产生马达效应，减少电动螺杆泵地面驱动装置防反转系统的工作负荷，使电动螺杆泵井下杆柱反转的速度大大降低。

图3 电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置安装示意图Fig.3 Installation diagram of anti-reversal device of downhole limit rod string of electric screw pump

3 现场试验

3.1 现场应用

电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术实施后，在N4-D21-P2135井进行了先导应用试验，现场进行井下扭矩释放，该井平均动液面为500 m，释放扭矩时平均反转圈数为7 r（约10 s），而未装电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置时，释放扭矩时反转圈数达到5 000 r左右（约120 min），安装井下限位防倒流装置前后数据对比见表5。

表5 安装井下限位防倒流装置数据统计Tab.5 Data statistics of installing downhole limit anti-backflow device

3.2 应用效果

经过现场先导应用试验证明，电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术适用于所有直驱螺杆泵井，目前已在生产现场推广应用30口直驱电动螺杆泵。电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术在现场应用后，有效的杜绝了因井液倒流造成电动螺杆泵井下杆柱反转的现象，能最大限度的保证快速停泵，使停泵时间由每次10 min～24 h左右降低为20 s以内，实现单井增加原油约0.5 t，由于该技术从内部增加含球释放机构，减少了单井作业时正憋管柱的工序及罐车、泵车的费用5 000元，原油按2 000元/t计算，应用30口直驱电动螺杆泵井单次创经济效益18万元。一年按每口井正常维修、保养、故障停泵15次，每年检泵1次进行正憋管柱计算，年创经济效益60万元，如加大推广范围效益更为显著。同时避免了烧毁波纹电阻的现象，减少停机时间，降低员工的劳动强度，提高安全生产系数。

4 结束语

1）电动螺杆泵井杆柱反转主要由杆的弹性势能和油套压差作用引起的，弹性势能作用持续时间短，但破坏力大；油套压差作用时间长，导致杆反转的圈数要远大于杆弹性变形的圈数，是形成电动螺杆泵井下杆柱反转的主要因素。

2）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。试验结果表明，排量为500 mL/r，动液面在930 m时，现场井下扭矩释放了60 min，约2 500 r；动液面在680 m时，现场井下扭矩释放了8 min，约240 r。

3）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。现场试验，灌水达到油套平衡后，释放井下扭矩时杆柱反转的圈数由2 500 r降至1 r。

4）控制液位差势能释放的装置，阻断电动螺杆泵马达效应的产生，是控制电动螺杆泵井下杆柱反转的有效手段。电动螺杆泵井下限位杆柱防反转装置安装后，释放扭矩时反转时间由120 min（5 000 r）降低为10 s（7 r）。

5）井下限位杆柱防反转机构解决油套管压差导致的井下杆柱反转问题，减少作业工序和特车使用费用，挽回了因停泵时间长而造成的原油产量损失，并且能够自动释放扭矩，安全系数高，杜绝了生产中存在的安全隐患。