螺杆泵诊断及优化设计研究.ppt

螺杆泵采油设计与 工况诊断 第一部分 螺杆泵采油设计 一.概述 目前，用于油井举升液体的螺 杆泵主要有三类，分别是: 地面驱动螺杆泵、 液力驱动螺杆泵 和电动潜油螺杆泵。 一.概述 地面驱动螺杆泵主要 由地面驱动和井下泵 两部分组成。驱动部 分由防爆电机、皮带 轮、减速箱和光杆密 封器组成。井下泵由 接头、转子、定子、 定位衬套和扶正器等 组成。 电 动 潜 油 螺 杆 泵 螺杆泵采油优点 n尺寸小、质量轻 n维护、管理方便 n地面设备简单、紧凑 n调节排量容易，系统 效率高 (1)螺杆泵采油特点与优势 n与电潜泵、常规油杆抽油机等其它人工举升设备相比 n1、 应用范围上的优势 nl 能经济地抽吸出从1 m3/d 200 m3/d（100rpm）排量范围； nl 泵的扬程可达2000 m； nl 泵送液体时对液体的剪切率低（将不会造成液体的乳化）； nl 正排量泵（排量范围随着转速而变化，而扬程不会有大的变化）； nl 最适合泵送高粘度液体； nl 对抽吸多相液体具有良好的性能（在500rpm转速下，泵入口将能处理高 达50%的自由气体；在100rpm下，可高达70%自由气）。 nl 泵结构简单，没有阀件，将没有气锁现象发生。 nl 最抗磨蚀的泵 nl 由于定子是橡胶内衬，转子为电镀或不锈钢电镀，具有良好的耐腐蚀和 防结垢性能； nl可用于斜井和水平井。 螺杆泵的结构非常简单，特别适合于高粘度、高含砂量的油井，并且有较高的工作 效率。 (1)螺杆泵采油特点与优势 2、 应用经济上的优势 nl 螺杆泵的投资成本是大型有杆 抽油机的1/4，电泵投资成本的1/5 。 nl 螺杆泵的电力消耗是常规游梁 机的1/2、电泵耗电量的1/3。 nl螺杆泵结构简单，地面驱动设 备占地面积小，重量轻、噪音小，运 输、安装成本低，适合海上平台和城 区油田使用。 (1)螺杆泵采油特点与优势 (2)螺杆泵工作原理 n目前采油用深井螺杆泵是单 螺杆式水力机械的一种。 n螺杆泵的转子、定子副(也 叫螺杆-衬套副)是利用摆线的 多等效动点效应，在空间形成 封闭腔室，并当转子和定子作 相对转动时，封闭腔室能作轴 向移动，使其中的液体从一端 移向另一端，实现机械能和液 体能的相互转化，从而实现举 升作用。 螺杆泵工作时，螺 杆泵转子转动，井液从 螺杆泵下部吸入，由上 端排出。螺杆泵是靠空 腔（即转子与定子间形 成的一个个互不连通的 封闭腔室）排油。 螺杆泵的工作原理 当转子转动时，封闭空腔（即转子与定子 间形成的一个个互不连通的封闭腔室）沿轴 线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔 在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸 入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端 重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样， 封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便 不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原 油不断地吸入，通过油管举升到井口。 螺杆泵的工作原理 (3)螺杆泵特性曲线及泵的选择 n表示螺杆泵特性曲线的方法是以压头H或 压力作横坐标，以流量Q，输入功率Nax和泵 效率作纵坐标，有时在纵坐标上还给出泵 的容积效率传。 螺杆泵特性曲线 螺杆泵工作特征曲线是反映螺杆泵举升性能的曲线。螺杆泵工作特征曲 线有三条曲线组成： 容积效率（v）曲线容积效率与扬程（P）的关系曲线； 扭矩（M）曲线转子扭矩与扬程（P）的关系曲线； 系统效率（）曲线系统效率与扬程（P）的关系曲线。 螺杆泵的三条工作特性曲线如图 所示。 螺杆 泵工 作特 征曲 线 表1-5 螺杆泵输水特性实测数据 n表1-5是上海东方提供的“GLB75-47A”螺杆泵的实测数 据，图1-2应用该实测数据所绘出的泵特性曲线。 图1-2 螺杆泵输水与输油时容积效率随泵工作压差变化 (4)螺杆泵基本参数 (1) 螺杆泵采油井系统模型 螺杆泵采油系统的优化设 计是以整个油井生产系统为研 究对象，以各个子系统的协调 为基础，以油井的生产能力为 依据，以油井的产油量为目的 ，采用节点系统分析方法，进 行油井的优化设计，充分发挥 油层和抽油设备的潜力。 二.螺杆泵采油设计 (2) 设计内容 螺杆泵优化设计内容包括 ：确定油井的生产能力，确定 油井生产系统的工作参数，确 定油井的产量及有关辅助设备 。 7 (3)设计思路 1、确定井底流压 n井底流压是根据油井产能和设计排量来确定的。由IPR曲 线求得。 2、确定沉没度和沉没压力 n沉没度是根据油井的产量、气油比、原油粘度、含水率以 及泵的进口设备等条件来确定。 n当沉没度确定后，便可利用有关方法计算或根据静液柱估 算泵吸入口压力Pin。 3、确定下泵深度和泵出口压力 n当井底流压pwf和泵吸入口压力Pin确定之后，应用多相管 流计算方法，可求出泵吸入口在油层中部以上的高度，则下 泵深度可得。 4、确定泵其他的工作参数 三.设计计算过程: 1 油井流入动态曲线绘制 绘制IPR曲线的方法因流体条件不同,可分为 以下几种情况: 单相液体流动条件下的IPR曲线; 油气两相液体流动条件下的IPR曲线; 油气水三相综合IPR曲线. IPR曲线表示油层工作特性，它是确定油 井合理工作制度的依据。 2 井底流压确定 n根据油-套环形空间流体分布，计算其混气 液体平均密度，从而计算出泵吸入口压力，再 从泵吸入口处利用多相管流理论，计算到油层 中部，以求得生产时的井底流压。 n螺杆泵井井底流压可采用“三段法”计算。即 把井正常生产时井筒中的流体划分为气柱、油 柱和液柱三个段，分别求出各段的压差，按三 段压力之和即为井底流压。 3油管内流动压力分布计算 节点D代表井口压力，根据油井距 计量站的远近，由设计者给出； 节点A代表井底流压，可以应用 IPR关系来确定； 节点B和节点C分别代表泵入口压 力和排出口压力，可以应用气一液 混合物多相管流井筒流动压力分布 相关式计算。 0rkiszewski、Beggs -Brill等四种法 4 确定下泵深度 首先根据油井的产量确定流压和动液面，为了防止螺 杆泵抽空而烧毁定子，要确保其具有一定的沉没度。 沉没度的大小与油井产量、油气比、原油粘度、含水 和泵的进出口设备有关。对于螺杆泵采油系统，一般 沉没度控制在200米以上 。 另外，为了提高泵效，通常把泵下到饱和压力点之 下，这样就可避免气体占据泵的空间而降低泵效。 5 杆柱设计 M i x i M i+1 F i+1 M i F i Da F i mg 抽油杆受轴向力和扭矩载荷 光杆的轴向力 （1）抽油杆柱的自身重量 （2）液体压力作用在转 子上的轴向力 （3）抽油杆在井液中的浮力 螺杆泵采油系统中，抽油杆受到的力 包括：抽油杆的重力F1；螺杆泵产生的轴 向载荷F2；抽油杆受到的浮力F3； 图1-24 杆柱系统结构受力示意图 轴向力 液压产生轴向力 抽油杆浮力 液体流动摩擦力 抽油杆自重 螺杆泵井口 光杆扭矩 （1）泵的定转子之间 的摩擦扭矩 （2）泵举升扭矩 （3）抽油杆匀速旋转时所 受的摩擦扭矩 (4)杆管摩擦扭矩 螺杆泵采油系统中，扭矩由以下几部分组成：1）举升 流体的扭矩；2）井液与抽油杆所产生的摩擦扭矩；3）泵 内摩擦阻力产生的反扭矩 ；和4）杆管摩擦扭矩 杆液摩擦扭矩 泵初始扭矩 泵有功扭矩 扭 矩 螺杆泵井口 地面驱动螺杆泵生产在正常工作条件下， 杆柱同时承受轴向力和扭矩的作用，因此在抽油 杆横截面上的各点同时存在剪切应力和拉（压） 应力，其方向不同，不能作简单叠加。需要采用 第四强度理论进行抽油杆柱的强度分析。 抽油杆柱的强度校核 抽油杆柱的强度校核 、t 抽油杆第i截面上的复合应力、轴向应力，Pa； Fti、抽油杆第i截面上的轴向力、扭应力，N； Ai抽油杆第i截面面积，m2； Ti 抽油杆第i截面扭矩，Nm； Wni抽油杆第i截面抗扭截面模量，m3； 抽油杆柱的许用强度，Pa。 由于螺杆泵抽油杆处于复合应力状态，既有剪切又有 扭转，所以采用复合应力： 式中，n,n分别为安全系数和许用安全系数， n1.5 极限应力和许用极限应力。 采用复合强度条件 11 抽油杆柱的强度校核 合理的抽油杆柱组合比例不仅应保证各级抽油杆 的强度符合要求，而且各级杆的强度值应比较接近，也 就是应力范围差较小，等强度设计就是使得各级杆的应 力范围差值较小，提高安全性。 12 多级杆柱等强度设计 抽油杆柱的强度校核 考虑井筒不同深度处流体粘度随温度变化，以及井斜角变化等因素会影响 抽油杆所受的轴向力和扭矩载荷。组合杆柱设计采用微元段法。 将下泵深度自下而上分成若干个小段，在任意深度处取一个微 元段，微元段上端（节点i+1）处的轴向力Pi+1和扭矩Mi+1与 其下端（节点i）处Pi的轴向力和扭矩Mi有如下关系： Pw 微元段杆柱在井液中的重量 Prl 微元段受到液体流动的摩擦力 Mrl微元段杆柱在井液中所受的摩擦力矩 Mrt 微元段杆柱与油管间的摩擦扭矩 6.杆柱设计过程 杆柱设计步骤: 按扭矩强度初步确定最小规格抽油杆直径; 由上述得到的最小规格的抽油杆作为第一级杆柱，同时 选择大一级规格的抽油杆作为第二级杆柱，按照两级杆顶 部截面的复合应力相等进行设计; 确定出两级杆各自的长度后，用第四强度理论进行强度 校核，满足强度，设计完成。否则还需加大杆径，把原来 的第二级杆作为第一级杆，在选择大一级的杆作为第二级 杆，重复第一步，直至满足强度为止。 7.抽油杆螺纹强度校核 图1-5 矩形螺纹上力的平衡条件 实际中，抽油杆在承受轴向拉力的条件下，两抽油杆间接 箍处的螺纹力矩M1和摩擦力矩M2分别由下式表示： 按API标准D级抽油杆抗拉强度为793MPa965MPa 。计 算安全系数ns=s/2.54.5来判断抽油杆的安全性。 在螺杆泵工作时，抽油杆螺纹处扭矩等于螺纹力矩M1和 摩擦力矩M2之合。因此螺纹处的扭矩平衡式为: 螺纹根部的弯曲应力：b=3(Q0 +P总)h/db2z 螺纹根部的剪应力：=(Q0 +P总)/dbz 根据第四强度理论对螺纹进行校核：=(2b+32)1/2 8.抽油杆刚度 为了保证抽油杆的刚度，通常规定单位长度扭转角的最大值 max不得超过许用单位长度扭转角 =2.5（/m），即 G剪切弹性模量，Pa；IP极惯性矩，m4；d0空心杆内径，m；Dr抽 油杆外径，m；M光杆扭矩，N.m；Mo泵的定转子摩擦扭矩，N.m。 9. 扶正器位置确定 n在螺杆泵采油系统中，由于井斜或弯曲等其他因素 ，使细长的抽油杆不可能保持垂直状态，而引起一个 偏离井轴线的微小横向 (于井轴线垂直) 位移。由于存 在一个微小横向位移，因此抽油杆在较高转速下做旋 转运动时，会产生离心力，相当于在抽油杆上作用了 横向分布载荷。这种横向分布载荷将使抽油杆的横向 位移进一步增大。由于抽油杆的横向位移变化受到油 管的限制，不可能无限扩大，而导致抽油杆与油管相 互接触，使抽油杆在旋转过程中与油管发生摩擦。 图1-6 抽油杆简支梁力学分析简图 研究具有扶正器油油杆的强度和弯曲变形有两种力学 模型：其一，将两扶正器之间的抽油杆简化成简支梁 ；其二，将整个抽油杆，按扶正器位置简化成平面或 者空间上的连续直梁。 设计力学模型 与连续直梁相比，简支梁模 型得出的最大挠度和最大应 力偏大。所以应用简支梁模 型所设计出的扶正器间距更 为安全。因此本研究选用简 支梁力学模型。 根据抽油杆及其接箍不与油管内壁接触的原则，最大 挠度应该满足如下的约束条件： 存在扶正器时，抽油杆或者其接 箍与油管内壁间的间隙。 考虑扶正器的磨损时，确定扶正器的最大挠度的约束 条件为： 扶正器位置确定,是从下泵深度处自下向上逐段进行设计 。设计时，先确定泵处轴向力，然后应用抽油杆弯曲最 大挠度法和井眼几何形状法分别确定两扶正器间配置距 离，并选择二者最小的值作为扶正器的设计位置。 设计过程 10. 地面驱动部分设计 电动机的功率根据泵的举升能力，泵的排量及泵、杆柱和 地面驱动系统的效率损失来确定。可用下式确定电动机轴 的负载功率为 ： 式中Mg光杆输出扭矩，NM； ng光杆转速，r/min； Pl电动机轴的负载功率，KW； Pg光杆输出功率，KW； d螺杆泵地面驱动装置机械效率，由室内检测得到，一般其机械 效率d=80%90%； 电动机额定功率的确定应满足以下要求： 电动机额定功率PN略大于电动机的负载功率Pl，一般情 况下额定功率裕度为10%左右。 为了保证螺杆泵采油系统能顺利启动和在运行中电动机不 致过热，电动机功率应进行启动性能校验，校验公式为 MMmin电动机的最小启动扭矩，Nm； Mlmax启动或者运行过程中可能出 现的最大扭矩，Nm；Ks全启动时加速转矩系数，可以取Ks=1.73。 11. 优化设计实现过程 优化设计分为新投产井的优化设计和正在使用螺杆泵 生产井的工作参数调整设计两大类。 新井设计是油井作为研究对象，以各子系统协调为基 础，以油层生产能力为依据，以整个抽油系统的效率最 高为优化目标，配置油井生产设备，调整抽油工作参数 ，使油井生产系统处于最佳工作状态，充分发挥油层和 抽油设备的工作能力。 对于正在使用螺杆泵生产的油井，由于泵型号、下入 深度和产液量已定，主要是通过在一定范围内改变转速 的大小，得到合理的地面工作参数和系统效率，以指导 现场工作人员进行工作参数调整。 地面驱动螺杆泵井定产量定泵型优化设计框图 地面驱动螺杆泵井定产量不定泵型优化设计框图 地面驱动螺杆泵井不定产量不定泵型优化设计框图 12.设计结果 n采油指数 4.21728 （m3/dMPa） n井底流压 6.7499 （MPa） 泵入口压力： 5.9499 （MPa） 泵出口压力： 13.35 （MPa） 泵挂深度： 1080 （m） 工作参数设计 利用所开发的优化设计软件对二连油田5口新投产 井进行了设计, 新投产井设计结果见表1-9； 13. 软件应用情况 表1-9b 螺杆泵新井优化设计结果（杆柱参数） 表1-9a 螺杆泵新井优化设计结果（工作参数） 对目前30口螺杆泵井进行了模拟设计，设计结果见表 1-10，并将设计结果与测试数据进行了对比分析，其 平均轴向力误差0.55%，有功功率误差5.12%，井下效 率误差5.96%，扭矩误差5.12%，电流误差8.92，系统 效率误差5.96%。 表1-10 优化设计结果误差分析（30口井） 表1-10 优化设计结果误差分析（续上表） 应用所编制的软件对11口螺杆泵井进行了调参 设计，通过对转速的调整，系统效率平均提高 5.87%。 表1-11 螺杆泵井调整工作参数前后对比表（11口井） 第二部分 螺杆泵井工况诊断 1. 螺杆泵井工况类型的划分 图2-4 螺杆泵井工况分类 工况类型总体分为正常和故障两类，根据故障发生部 位的不同，将故障类型分为井下泵故障、抽油杆故障 和油管故障三个部分，细分为11种. 1.1泵漏失 螺杆泵的定子在工作的过程中定子受到磨损, 定子和转子过盈减小,泵的承压能力下降,就会产生漏 失,定子磨损的越严重泵漏失量就越大。 特征描述为:油井产量降低,泵效也随之降低,动 液面逐渐上升,电流下降,扭矩和轴向力都低于正常范 围。 1.2 抽油杆断脱 造成抽油杆断脱的原因主要有：抽油杆负载 过大，磨损或误操作。 特征描述为:抽油杆断脱时，油井无产量，在 短时间内，泵效迅速下降，动液面迅速上升，电流 下降接近空载电流。光杆扭矩的值要远小于正常范 围, 轴向力小于正常范围。 1.3油管漏失 造成油管漏失的原因有:抽油杆的偏磨或是 由于油管壁上存在裂缝等。 特征描述为:油井的产量降低,泵效下降,动液 面上升,电机的工作电流减小, 光杆扭矩低于正常范 围,液压力产生的轴向力减小,光杆轴向力低于正常 范围。 1.4结蜡严重 在开采原油的过程中随着温度的降低，蜡质成 分会凝结，堵塞油流通道，严重时会产生蜡堵。 特征描述为：油井的排出能力下降，动液面会 随着上升，同时电机的电流会上升，抽油杆上的载 荷高于正常范围，扭矩值高于正常范围，电机停机 后再启动困难。 1.5 定子溶胀 橡胶在定子中作为内衬，体积随环境温度 变化而变化，也与采出液的性质有关。 特征描述为：定子溶胀后，造成定子和转 子的过盈量增大，工作电流上升，光杆扭矩增加 ，定子溶胀严重时会造成定子和转子抱死，螺杆 泵停机 。 2.故障诊断方法 传统诊断方法 2）扭矩法诊断 1）电流法诊断 4）憋压法诊断 5)液量法 3)载荷法 2.1 电流法 电流诊断法是通过测试电机的工作电流 来诊断工况，首先确定出螺杆泵正常工作时 的电流范围，用测试出的电流与之对比，就 可以大致判断出工况类型。这种诊断方法需 要的仪器简单，测量简便，但是不能准确的 确定出螺杆泵的工况，需要与其他方法配合 效果会更好。 电流法诊断故障表 2.2 扭矩法 扭矩法诊断就是对光杆进行扭矩测试，以光 杆扭矩的变化来诊断螺杆泵油井工况。光杆的实测 扭矩M有三部分组成，它们分别是：举升液体产生 的扭矩MP，克服定子，转子间的摩擦扭矩Mf,抽油杆 与举升液体之间的摩擦扭矩My。 扭矩法诊断故障表 2.3 载荷法 载荷法诊断就是对光杆进行载荷测试， 以光杆工作载荷的变化诊断螺杆泵的工况。 载荷法诊断故障表 2.4 憋压法 机采井憋压是在油井开采时，关闭井口生产闸 门（或者不完全关闭形成节流），使采油泵至井口 的油管内在较短的时间内憋起较高压力的操作过程 。 生产中憋压的主要目的是： 通过憋压来判断螺杆泵井是否出现抽油杆断 脱等故障 作为分析螺杆泵工作状况的依据 故障诊断憋压的重要目的是判断产生故障的类 型。 憋压法诊断故障表 2.5 液量法 产液量是螺杆泵的基本生产参数之一，它不仅 测量简便，而且可以直观的看出它变化趋势，从而 观察出油井是否出现了故障。通过大量的统计分析 ，确定出油井在正常工作时的产量范围，作为判断 依据，用测得的数据与之对比，就可以分析出油井 的工作状态是否出现问题。 1).工况界限的确定 根据螺杆泵抽油井的协调原理，在选择每口抽油井采用的泵型时主要从产 量适配考虑，因此油井正常生产时排量应与泵型的理论排量相符合。对于一口正 常生产的井，它的产量范围为理论产量Qs的40%-110%，低于40%理论产量的井 为产量过低井，高于110%理论产量的井为产量过高井。 2).电流界限的确定 螺杆泵抽油井的生产电流是螺杆泵载荷的一个主要表现形式，载荷的大小 直接影响电流的大小，因此我们可以由电流来判断油井载荷的情况。按照常规的 电机效率为30%-70%,得出各种常用电机额定功率下的正常工作电流范围 如表1 ： 3).动液面界限的确定 油套环空中动液面的高低反应了油井产量与产能的 适应程度，同时动液面也是保证油井正常生产、螺杆泵正 常工作的必要条件。以螺杆泵采油井的下泵深度为依据， 介于10%-80%下泵深度的动液面深度视为正常的动液面深 度，动液面过高或过低，都是螺杆泵故障的表现。 4).扭矩和轴向力界限的确定 扭矩和轴向力是判断螺杆泵故障的两个重要条件， 作为螺杆泵采油的力学特征，扭矩和轴向力的判断条件是 相通的。高于扭矩理论值的130%的，则说明螺杆泵抽油井 井筒中存在非正常情况的摩擦 ，低于扭矩理论值的60%， 则说明油井载荷损失严重，出现了故障，出现这种情况通 常是由于杆断脱、管断脱或是泵漏失引起的。 实例应用 n油井X4-21-613生产数据如下: n 泵的实际转数196 转/min-1 ，实际产液量 为17t/d ，下泵深度821 m,动液面深度32.4 m，电机功率30 kw，电 流为8 A,测试扭矩为123.2 Nm, 22 mm单级抽油杆，油压 0.28 MPa，套压0.37 MPa。 n1.一次诊断工况 n（1）工况界限的确定 n 经计算理论产量 为56.4 t/d ，则其泵效为 对于一口正常生产的井，它的产量范围为理论产量 的40%-110%。 由此可知这口井泵效偏低 （2）电流界限的确定 此井电机功率30 kw时查表2可知标准 电流范围为2541 A 。 而实际电流为8 A；由上表可知电流偏低。 n（3）动液面界限的确定 n 通常情况下为了保证油井的正常工作 ，动液面不能过低，以螺杆泵采油井的下泵 深度为依据，介于10%-80%下泵深度的动 液面深度视为正常的动液面深度，动液面过 高或过低，都是螺杆泵故障的表现。 n 此井下泵深度821 m,所以正常生产 时动液面深度为82.1 m656.8m ，而实际 动液面深度32.4 m ，可知此井的动液面深 度偏低。 表3 螺杆泵工况诊断准则 n可知：这口井泵 效偏低，电流偏低 ，动液面深度低于 正常的下限10%， 液面偏高。 则根据表3一次工 况诊断的结果为可 能存在漏失，杆断 脱或定子容胀 2.需进一步用二次工况诊断进行分析。 n（1）扭矩和轴向力界限的确定 抽油杆柱的理论负载扭矩 n 式中 转子的有功扭矩， 定子与转子间的摩擦扭矩， 抽油杆柱与井液的摩擦扭矩， 抽油杆柱与油管间的摩擦扭矩， 抽油杆的惯性扭矩 ， 测试扭矩为123.2 Nm，是正常扭矩的44.2% 低于 60%，偏低。 n（2）油压，套压对比。 n 此井油压0.28 MPa，套压0.37 MPa，不相等。 表4 螺杆泵工况诊断准则 可知：测试扭矩 偏低，油压和套 压不等由表4可 知诊断结果为抽 油杆断脱 综合诊断法 （1）光杆扭矩、轴向力的合理区间 图2-5 螺杆泵井的光杆扭矩和轴向力分析 （2）光杆扭矩的极限区间 在合理区间的基础上，将泵进出口压差放至最大，即 将动液面降至泵口，得到最大泵进出口压差对应的扭 矩极限最大值；把泵的定转子之间的摩擦扭矩作为极 限最小值，如图2-6中的红线。 极限最大 合理上限 合理下限 极限最小 图2-7 油井工作正常的扭矩、轴向力曲线 工况正常：所谓正常，即油井的产量、动液面及力学特 征等符合安全生产的要求，各状态变量处于适中的范围 内。泵效在30%100%范围内；三相电流基本平衡 ，三相电流的不平衡度应小于8；动液面在下泵深度 的10%80%左右；轴向力和扭矩测试数据曲线能够 分布在合理区间的范围。 抽油杆断脱：当杆断脱后，反映地面驱动螺杆泵 油井抽油杆断脱的最明显的特征参数是轴向载荷 ，它要小于或者等于抽油杆在液体中的重量，即 轴向力曲线位于载荷下限的下方，如图2-8所示。 图2-8 抽油杆断脱时的扭矩、轴向力曲线 油管断脱：泵下部油管锚失效或其它原因，致 使泵和油管脱落，无论抽油杆是否被拉断，抽 油杆下部约束均被解除，因此，该类故障与下 部抽油杆断脱的测试曲线相似。 泵漏失：由于泵定子橡胶磨损，造成定转子过盈 减小，承压能力下降，漏失量增加。反映泵漏失 或油管漏失的最明显、直观的特征参数是油压测 试曲线。 油压测试曲线分析 油压测试曲线分析是分析启抽、正常工作、停抽阶段压力变 化数据，判断泵和油管组成的井下生产系统是否存在漏失。 当油管内有较多的自由气存在时，泵向油管内排液时， 因液体的压缩系数远远小于气体的压缩系数，油管内流体 的压缩主要反映的是气体的压缩规律，因此，油压与时间 的关系为： 图2-10泵存在漏失时的压力测试曲线 当油管内气体很少或无气体时，压力随时间变化反映液 体的压缩。在启抽过程中，压力上升，液体被压缩，进入 油管的体积等于油管内液体压缩的体积。该阶段压力与时 间呈线性关系 油管漏失：油管漏失是由于杆与油管壁长期 偏磨造成裂缝，或油管丝扣刺坏导致漏失。基 本现象为泵效下降，油压与套压接近或相等。 反映油管漏失的最明显、直观的特征参数仍是 油压测试曲线的形状。 当油管螺纹不紧或者油管被刺时，管柱存在漏失 时，启抽过程井口压力上升或者停抽后井口压力 下降与时间应满足以下质量守衡方程： 该方程的解为对数形式，即 图2-11 油管存在漏失时的压力测试曲线 启抽过程，井口压力上升随时间的变化为压力恢复曲 线；停抽后，井口压力下降随时间的变化为压力降落 曲线。 定子脱胶：由于脱胶后定转子之间发生不规则摩擦 ，光杆扭矩会出现不规则波动。当定子橡胶没有完 全脱落时，泵的举升能力下降，泵效降低，光杆扭 矩位于扭矩合理区间的下限与扭矩极限区间的下限 之间，并伴有不规则跳动。 图2-12 定子脱胶时的扭矩、轴向力曲线 油管结蜡：原油中的蜡质成分凝结出来，使抽油杆旋 转难度增加。同时，由于杆与析出的蜡间存在不均匀 转动摩擦，光杆扭矩产生波动，从图中可以看出，当 油管结蜡时，光杆扭矩曲线在合理范围上限的上方， 并且伴有不规则跳动。轴向载荷基本正常，处于载荷 允许区间之内。 图2-13 油管结蜡时的扭矩、轴向力曲线 定子溶胀：在井温和井底产液的浸泡下，逐渐发生 溶胀，造成定转子过盈增加，此时产量基本正常， 但电流较高，动液面也较正常。由于过盈使定转子 的初始扭矩增加，因此光杆扭矩超过扭矩合理范围 的上限，严重时会造成定转子抱死，轴向力基本正 常，如图2-14所示。 图2-14 定子溶胀时的扭矩、轴向力曲线 工作参数偏低：工作参数偏低时，油井排出能力小 于流入能力，具体表现为泵效较高（在90%以上 或大于100%），动液面很浅或在井口，电流偏低 。光杆扭矩位于扭矩合理区间的下限与扭矩极限区 间的下限之间，动液面深度小于30%的泵深，轴 向载荷基本正常，位于合理区间内，如图2-15所 示。 图2-15 工作参数偏低时的扭矩、轴向力曲线 工作参数偏高：具体表现螺杆泵转速太高，超出 了油井的生产能力，油井排出能力大于流入能力 ，环空动液面很低，沉没度很小甚至接近泵吸入 口，螺杆泵抽吸压力不足，泵效降低。具体判断 依据是光杆扭矩在扭矩合理上限与扭矩极限上限 之间，动液面深度大于65%的泵深，轴向载荷基 本正常，位于合理区间内。 根据以上诊断准则，并结合现场实际，给出地 面驱动螺杆泵工况诊程序断框图，如图2-16所示 。 图2-16 地面驱动螺杆泵工况诊断程序框图 2. 电机工况诊断 （1）电机负载率 电机的负载率P*是指运行中电动机的实际输出功率P（ kW）与额定功率PN（kW）的比值。 （2）三相电流不平衡度 电流不平衡度 三相电流不平衡度指三相电力系统中三相不平衡的程度 ，用电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示 。 标准规定电机连续运行允许三相电流的不平衡度应不大 于8。 3. 螺杆泵井效率计算 （1）输入功率 （2） 地面效率 （3）井筒效率 （4）螺杆泵井系统效率计算公式 4系统效率敏感性因素分析 转速对系统效率的影响 粘度对系统效率的影响 主要选择了转速、粘度、温度、含水等因素对系统效率 的影响。计算中所用参数均为B18-25井2003-09-26的测 试数据。 含水对系统效率的影响 敏感性因素分析 敏感性因素分析 不同粘度下转速对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同含水下转速对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同井口温度下转速对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同转速下粘度对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同含水下粘度对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同井口温度下粘度对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同转速下含水对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同转速下含水对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同转速下井口温度对系统效率的影响 敏感性因素分析 不同粘度下井口温度对系统效率的影响 现场应用 应用所开发的软件对华北油田采油五厂和二 连油田38口井57井次螺杆泵井进行了工况分析， 结果见附表2-1。所诊断的故障有：抽油杆断脱 、泵漏失、油管漏、定子脱胶、定子定子溶胀、 工作参