螺杆泵故障诊断.docx
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螺杆泵故障诊断
螺杆泵故障诊断
摘要：
介绍了螺杆泵采油系统的结构特点、工作原理等。
总结了螺杆泵系统在使用过程中出现的主要故障并重点分析了影响螺杆泵故障的自身因素和外界因素。
结合当前最新技术介绍了四种非常实用的螺杆泵故障诊断方法。
关键词：
螺杆泵；故障;分析；诊断
引言
螺杆泵采油系统是近些年发展起来的一种先进的采油技术，因其系统设备尺寸小、维护和管理方便、系统效率高等优点，受到了人们的日益关注，并在油田上逐步得到广泛的推广和使用。
螺杆泵按驱动方式分为电动潜油螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵,油田上常用的螺杆泵为地面驱动井下螺杆泵。
随着我国地面驱动螺杆泵采油系统在油田上的应用，越来越多的故障出现在现场生产过程中。
导致故障出现的原因是多种多样的，除去人为因素，螺杆泵采油技术理论的不完善是其主要根源。
但是由于螺杆泵采油的发展时间相对不长，在以后较短的时间内开发出完整的故障诊断系统是存在很大难度的。
因此，建立地面螺杆泵采油系统故障诊断的初步方法，既能解决油田的生产问题，又能为以后的研究提供资料。
一．螺杆泵结构及原理
1.1螺杆泵结构
螺杆泵采油系统按驱动方式分为地面驱动和井下驱动两大类。
在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也比较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率，国内正处于试验阶段，国内各油田现用的螺杆泵采油系统，一般都选取地面驱动方式，其结构图如下：
1——光杆；2——驱动装置；3——抽油杆；4——油管
5——套管；6——扶正器；7——井下螺杆泵
图1-1地面驱动螺杆泵
地面驱动螺杆泵采油系统主要由地面驱动、螺杆泵和抽油杆组成。
地面驱动部分由电动机、减速箱和光杆密封器等组成。
采油动力由电动机输出，带动抽油杆旋转，连接在抽油杆底部的螺杆泵转子随之一起转动。
井下螺杆泵由转子和定子组成，转子由高强度钢材料制成的单头螺旋线体，具有坚硬耐磨、光滑镀铬表面；定子是一个在钢管内硫化成型的双头螺旋线体，其内橡胶定子具有柔软的弹性。
螺杆泵是各种井下抽油泵中结构最简单的一种。
1.2螺杆泵采油原理
地面驱动装置将动力通过抽油杆传递给井下螺杆泵转子，驱动螺杆泵转子转动，在螺杆泵转子与定子之间形成一个个密闭的空腔。
当转子在定子内转动时，封闭腔就沿轴向由吸入端向排出端运移，封闭腔在排出端消失，同时吸入端形成新的封闭腔，其中腔内所盛满的液体也就随着它的运移由吸入端推挤到排出端，由于封闭腔的不断形成、运移、消失、这就起到泵送液体的作用，完成输送原油的动作。
从上述工作原理可以看出，螺杆泵有以下特点：
a）螺杆泵结构原理简单。
b）螺杆泵的排出流量均匀,并且可通过地面改变驱动头的皮带轮大小，调节转子的转动来调节排出的流量。
c）螺杆泵的输出压头大,无单流阀，故宜于输送粘度大的液体,而且不会产生气锁现象,适合于高气油井。
d）螺杆泵自吸力较强，由于能均匀地排液和吸液，溶解气不易从原油中分离，减少了气体对泵效的影响。
e）螺杆泵定子通常采用耐油橡胶张贴在钢管内壁制成，它和转子密封为柔性面接触，当螺杆泵正常生产时，遇砂粒在密封面时，砂粒将压迫柔性的定子一面，随着转子的旋转和液体一起被挤在上一腔体内，因此，螺杆泵可在出砂井中使用。
f）螺杆泵不允许空转，空转可导致泵报废。
二．螺杆泵主要故障
螺杆泵一般用于高粘度、高含砂井采油，螺杆泵工作时，一方面杆柱承受拉力，一方面管柱、杆柱还承受很大的扭矩。
因此，如果选井选泵不当，管柱和杆柱设计不当，泵质量不合格，防砂、防蜡措施不力，或生产时监测不力，都将会导致螺杆泵发生故障。
有时是开机后没见出油就已发生故障，有时是生产一段时间后出现故障。
螺杆泵的故障形式通常有抽油杆断脱、油管断脱、油管漏失、定子脱胶、转子脱离、输油管线堵塞、定子橡胶溶胀、结腊、供液不足等。
抽油杆断脱。
抽油杆断脱在螺杆泵油井发生率较高，抽油杆断脱占重复作业率的50%，抽油杆断脱后，产量为零，由于电机负载几乎接近为零，所以其运行电流小于其正常运行时的电流。
泵和油管液体漏失。
由于油管出现问题或泵的运行时间比较长，磨损严重，也会产生液体漏失，主要表现在流量小于理论流量，效率低，运行电流低于正常运转电流。
卡泵或油管堵塞。
油井由于含砂量较大，会导致卡泵或管线堵塞，发生上述情况后，泵吸入口压力会升高，流量减小，运行电流值增大。
这种情况极易导致螺杆泵抽油杆断脱。
供液不足。
由于螺杆泵的结构独特，工作时如果发生供液不足，将会导致转子和定子之间发生干磨，产生过热使橡胶定子烧毁；或者由于螺杆泵进口压力很低（低于气蚀压力），发生气蚀，流量效率下降，消耗功率增加。
判断供液不足主要根据螺杆泵进口压力和油井流量来考虑。
三．螺杆泵故障因素分析
影响螺杆泵故障的因素很多，既有其自身因素，也有外界的因素。
3.1螺杆泵自身因素分析
1.过盈量的影响
螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使定转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子之间的过盈量。
一方面，过盈量大可获较高的泵效，但是抽油杆的扭矩增加，容易出现油管、抽油杆断脱现象，并且定子橡胶磨损加剧，影响泵的寿命；另一方面，过盈量小虽然不会出现上述问题，但泵的容积效率过低，将降低泵的系统效率。
因此，要对过盈量进行合理地选择。
所谓合理的过盈量，就是在能够保证一定的举升压力和容积效率条件下的过盈量值。
2.转子转速的影响
螺杆泵转速对螺杆泵抽油系统影响较大，提高螺杆泵的转速有很多有利的地方，也有其不利的地方：
（1）螺杆泵转速越高，增加螺杆泵定转子的磨损。
（2）转速越高，单位长度内定转子间的生热量越大，引起橡胶热胀，定转子之间的扭矩增加，整个抽油系统的负荷上升。
（3）螺杆泵转速大，抽油系统抽油杆与油管的摩擦力增大，加剧油管、抽油杆的磨损。
（4）螺杆泵转速提高，杆管系统受力的疲劳程度增加。
地面驱动装置受力条件变差，电机功率变大。
3.转子直径、导程的影响
螺杆泵的转子直径、导程对于螺杆泵的主要性能参数有许多影响，同时又受诸多因素的限制。
螺杆泵的理论排量为
Q
=1440×4eDT·n×10
分析得到螺杆泵的转子直径、导程对泵的理论排量有影响，从而对螺杆泵的输出功率也有影响。
转子在正常工作时所能承受的扭矩大小将直接影响螺杆泵的使用寿命。
然而，转子的直径、导程又受泵筒尺寸的限制，因而不能无限制的增加转子的直径和导程。
4.驱动螺杆泵抽油的合理电机功率
驱动螺杆泵电机功率的配备除考虑正常条件外，还应考虑特殊条件下的需要。
（1）电机驱动功率应考虑螺杆泵光杆所需实际功率，也就是正常工作时的功率。
（2）一般电机的启动电流是电机正常电流的三倍，为了保证在电机启动时不烧电机，应留有保险系数。
（3）螺杆泵停泵，用防反转制动，扭矩不释放，再启动电机时，实际是满载启动，这时启动扭矩较大。
考虑上述因素后，电机功率不能取太小，以免特殊情况时会烧电机。
若选择电机过大，电机在工作时利用率太低，电机效率低。
另外，油井启抽时多数泵抽压差较小，负荷较小，综合各种因素考虑，选择电机功率应是正常工作时功率的1.5～2倍。
5.合理的沉没度
螺杆泵抽油沉没度是螺杆泵抽油系统的一个重要参数，沉没度过高，影响油井产量。
若控制的过低，影响泵的吸入状况，使泵效降低。
螺杆泵定子橡胶发热，定、转子间的摩阻增大，使抽油系统工况变差，螺杆泵定子破坏加快。
因此在抽油过程中，必须控制好泵的沉没度。
6.螺杆泵的合理压头
泵的压头是螺杆泵抽油系统正常运行的最基本参数，它是维持螺杆泵能否正常运转的关键指标。
若螺杆泵的压头低于油井所需压头，油井不能生产。
螺杆泵的压头，由单级承压能力和级数决定，由水力特性曲线可以查出，但在油田应用中，抽吸介质的粘度、螺杆泵有效的工作级数、螺杆泵单级承压能力等都是影响螺杆泵工作压头的因素。
3.2外界因素分析
1.油井出砂对螺杆泵采油的影响
油井在生产过程中，大部分井出砂。
虽然螺杆泵对含砂有较好的适应性，但在连续不断的运转中，带砂液体通过螺杆泵空腔可将砂粒带走，此时砂粒对定子和转子长期磨损，同样使定子和转子表面破坏，使螺杆泵使用寿命缩短。
（1）油井出砂加快螺杆泵定、转子的磨损，使螺杆泵过早漏失，压头下降。
定、转子之间的摩擦扭矩增加，易出现断杆，使驱动头负荷增大。
（2）油井出砂严重，长期不冲砂会埋泵吸入口，造成螺杆泵供液不足，使油井液面上升、油井产量下降。
油管流体不流动，油管流体中含砂下沉，堆在泵出口处，易卡泵，使电流增大，主要危害是易烧泵。
（3）油井出的部分砂镶嵌在定子橡胶中，使橡胶表面破裂。
镶嵌的砂粒越来越多，橡胶弹性过早失效，使螺杆泵定子橡胶过早破坏，压头降低，漏失量增加。
（4）油井出砂在螺杆泵停泵时，油管内流体停止流动，流体含砂下沉。
停泵后再次启抽时，易出现卡泵，易使抽油杆、地面驱动系统破坏；沉砂易堵塞油管流体，形成憋泵现象，易出现破坏地面系统及烧泵现象。
2.油井结蜡对螺杆泵采油的影响
一般原油含有石蜡质、胶质、沥青质，只是不同油井含蜡量不同。
在原油从井底通过螺杆泵沿油管举升到地面的过程中，原油的温度随地层温度降低而降低。
当蜡质达到结蜡温度时，蜡质从油液中析出，并粘结在油管壁和抽油杆上。
（1）井口、地面管线结蜡，使井口回压增大，增大泵的实际压头。
（2）泵出口以上结蜡，不但会有上述的危害，还会使油管沿程损失增大，抽油杆旋转磨阻增大，抽油杆及地面驱动系统负荷增大，使产量降低，增加事故率。
该部位结蜡，除上述影响外，泵的抽吸状况变差。
（3）泵吸入口以下结蜡，影响更严重，除上述影响外，泵吸入状况变差，液面上升，产液下降，严重时造成供液不足、泵效降低、易烧泵。
（4）预防油井结蜡，是保证螺杆泵采油井长期正常运转的主要途径之一。
因此要制定合理的洗井周期，保证洗井彻底，同时也可以对油井定期加药防止结蜡。
3.游离气对螺杆泵采油的影响
螺杆泵抽油，由于进、排液都是连续进行，不会发生气锁现象，能够适应于相对气液比较高的油井。
正常抽油时气液比越高，泵效就越低。
造成产液量波动或产量下降。
如果气液比过高，将有大量气体进入泵内，对定子橡胶造成气浸溶胀，增加摩擦扭矩后，产生大量热又不易被含气量较高的液体带走，引起泵温升高；同时引起定转子得不到充分润滑，易损坏定子和转子。
4.泵深对螺杆泵采油的影响
一般下泵越深，要求的举升压头越大，同时管柱及杆柱受力越大，对杆、管的强度要求也越高。
要求泵定子和转子不但要有足够的刚度，还要提高泵定子的承压能力，保证密封不漏失。
同样的单级承压能力，泵越深要求泵的级数越多；同样级数要求单级承压能力越大，对定子橡胶的耐温要求也高；下泵越深，地层温度越高，对定子橡胶影响越大。
5.温度的影响
目前多数螺杆泵定子橡胶的耐温能力达到80C以上。
高温橡胶，耐温可超过120C以上。
若地层温度超过橡胶的许用温度，定子橡胶会加快损坏，降低螺杆泵的性能指标，大大降低使用寿命。
橡胶温度越高，定、转子间的摩擦力增加量也越大，使系统工况变差。
井温高对螺杆泵有好的一面，也有坏的一面。
螺杆泵不工作时，允许的温度偏高，螺杆泵在工作过程中不允许存在超过定子橡胶许用的温度。
下泵后，螺杆泵定子橡胶温度变化是一个重要因素，不容忽视。
6.压头对螺杆泵采油的影响
对于螺杆泵采油井，所选用螺杆泵的级数决定泵的压头。
压头越大，举升液体的能力就越高。
如果因外界因素造成举升压力增加，并超过泵的举升能力，则会导致泵举升困难或烧泵。
在螺杆泵采油过程中，井况常常发生变化。
如结蜡严重，形成蜡堵憋压，泵的压力就无法满足举升要求。
若泵的举升压头不够，使泵抽液量过小，将易出现螺杆泵升温较快，易出现烧泵。
四．螺杆泵故障诊断方法
随着地面驱动螺杆泵采油系统在油田中的应用,越来越多的油井故障出现在生产过程中,其原因多种多样,除去人为因素,螺杆泵采油技术理论不完善是主要根源。
由于螺杆泵采油的发展时间相对不长,在较短时间内建立完整的故障诊断系统存在很大难度。
因此,建立地面驱动螺杆泵采油系统故障诊断的方法,既能解决油田的生产问题,又能为将来的研究提供必要的基础。
如何加强螺杆泵生产系统工况诊断是提高螺杆泵油井科学管理水平的关键。
螺杆泵油井工况诊断可以使油井生产管理者全面监测螺杆泵生产井的井下工作状态，判断分析有无故障及故障原因，从而挖掘油井潜力，保证设备安全、可靠、有效地工作，延长检泵周期，最终达到科学化管理螺杆泵生产井的目的。
随着螺杆泵应用规模的扩大，时间的延长，诊断方法会越来越多，其技术水平也将会越来越高。
下面就目前正在使用的一些诊断方法做一些介绍，主要包括电流诊断法、憋压法、液量变化法和扭矩法。
4.1电流诊断法
电流诊断法是通过测试驱动电机的电流变化来诊断泵工作状况，电流综合了螺杆泵油井系统的受力变化。
这种诊断方法的好处是仪器简单，测量方便，其缺点是不能区分整个采油系统各部分受力对电流的影响，也就不容易判断故障的原因。
表4-1电流法诊断故障汇总表
工作电流
工况特征
故障形式
接近电机空载电流
无排量，油套管不连通
抽油杆断脱，定子脱胶
油管和套管连通，无排量或排量小
油管断脱或油管严重漏失
接近电机正常运转电流
排量很小，液面较浅
油管漏失；泵定子长期运转磨损严重，漏失
排量很小，液面较深
油管出液少、含气量大，造成脱气、供液不足等严重的影响
电机电流周期性波动
脉动性产液
转子不连续性转动，过盈量偏大
明显高于电机正常运转电流
排量小，油压均正常
结蜡严重
排量降低，油压明显增高
输油管线堵塞
投产初期排量正常
定子橡胶膨胀过大，产品不合格
排量正常
抽油杆磨油管
4.2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。
憋压在某些油田螺杆泵井生产的全过程中都得到了采用，并且要求井口憋压达到较高的压力值。
表4-2憋压法诊断故障汇总表
工作压力
工况特征
故障形式
油压不上升
无排量
抽油杆断脱
油管断脱
泵严重漏失
油管严重漏失
油管头严重漏失
油压上升，接近套压，或油压上升异常缓慢
无排量或者排量很小
油压上升缓慢
排量小、泵效降低、动液面深
泵严重漏失
气体影响
供液能力差
油、套压接近
排量小，油套偶尔连通
定子脱胶
油压升到某值稳定
排量小
螺杆泵压头不稳定
憋压法操作简单、快捷，不须停井，现场应用最频繁,能初步判断油井故障。
但安全性差,憋压过高不容易控制,对于含气高、抽油杆断脱、油管脱螺纹等憋压法故障分析困难。
4.3液量变化法
油井产液量是现场非常直观的资料，天天取、天天用，比较准确可靠，因此用它作为分析的依据比较现实。
表4-3液量变化法诊断故障汇总表
液流特征
出现问题
故障形式
无液流
驱动轴不动
皮带滑落；电机损坏
驱动轴以正常转速转动
抽油杆断落；油管脱落；转子损坏；定子脱胶
超过一定运转时间产量下降
泵失效，定子橡胶破碎或脱落；温度过高
产量低
产量不变，但比预计产量低（驱动轴转速不变）
泵吸入部分堵塞；转子尺寸不当；油井抽空；气液比过高；油管漏失
产液偏低或出液不稳定
驱动轴转速小于正常转速
皮带打滑；电机损坏
流速波动
气液比过高；转子靠近限位销；泵润滑不好
盘根漏失
液体从盘根处漏失
输油管线堵塞憋压；井口漏失；输油管线回压过高；盘根磨损
4.4扭矩法
扭矩法诊断就是对光杆进行扭矩测试，以光杆工作扭矩变化诊断螺杆泵的工况，测定光杆扭矩可以用系统效率测试车测试驱动电机的有效功率与转数间接获得。
可测动扭矩，也可测静扭矩。
理论上，井口的总扭矩为
M=M
=M
+M
+M
式中
M
——光杆实测扭矩，N·m；
M
——井口总扭矩，N·m；
M
——举升液体产生的扭矩，N·m；
M
——克服定转子间的摩擦扭矩，N·m；
M
——抽油杆与举升液体间的扭矩，N·m。
利用扭矩法诊断各类故障见表3-2。
表4-4扭矩法诊断故障汇总表
工作扭矩
工况特征
故障形式
M
=M
无排量、油套不连通
抽油杆底部断脱
无排量、油套连通
油管断脱（定子脱离转子）
M
=M
+M
无排量或者排量很小；油套连通
油管没脱落，油管漏失严重
M
≥M
+M
无排量或者排量很小；液面不在井口
泵严重磨损，举升能力不稳
排量正常，液面在井口
工况不合理
M变化异常
无排量，液面在井口
泵失效，定子橡胶破碎或脱落
排量小，泵效低，液面较深
泵漏失，举升能力不够，气体影响，油层供液能力低等
五．结论
螺杆泵应用范围和领域越来越大，对其技术要求越来越严格。
本文重点对螺杆泵故障的因素经行了分析，这些因素直接或间接的影响了螺杆泵的工况参数，是导致故障产生的本质因素。
着重介绍了四种螺杆泵故障诊断方法，这些方法在实际应用了已经取得了很大的进步，但仍有许多不足之处，可作为今后的研究方向。
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