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[摘 要]根据螺杆泵井驱动杆柱受力和旋转规律，设计了驱动杆扶正器。对螺杆泵井驱动杆扶正器结构进行了研究与探讨
[关键词]螺杆泵 驱动杆 偏磨 扶正器
中图分类号：TE933.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0091-01
1.前言
地面驱动螺杆泵采油系统是油田常用的一种采油系统，采用驱动杆旋转运动方式由地面向井下螺杆泵传递动力，带动螺杆泵转子旋转。驱动杆在油管内旋转运动，如果驱动杆和油管内壁接触，就会发生驱动杆和油管磨损，这种现象称为杆管偏磨。在油井含水较低、转速较低、泵排量较小时，偏磨问题不太严重；当螺杆泵采油系统应用于高含水、大排量，以及用于聚驱见效井时，偏磨造成杆管损坏问题成为制约其应用的难题之一。
统计2011年上半年我厂螺杆泵检泵井中有77.6%的井是由于偏磨检泵的。偏磨问题亟待解决。
2.螺杆泵偏磨原因及应用扶正器概况
螺杆泵结构中存在偏心距，螺杆泵转子的运动是一个行星运动，就是在自转的同时还做同步水平的往复摆动，产生了一个简谐的位移激励，底部驱动杆的运动规律与转子相同。
利用瞬态动力学模型，模拟理想的垂直井中旋转杆柱的变形情况。可以看出，驱动杆横向摆动位移由上至下明显增大，这与实际偏磨段大部分发生在杆柱的下部结果相符，而且这种变形是杆管偏磨的主要因素，是无法消除的。因此，为了防止偏磨，已经有多种扶正器在螺杆泵井上得到应用。
现阶段应用扶正器有以下几种：
⑴短接式扶正器
原理：在杆体与接箍之间安装扶正短接，短接的杆体上浇注可转动的尼龙扶正体，工作时短接的杆体在扶正体中旋转，保证接箍不与管内壁接触磨损。
优点：可较好地保护杆接箍。
缺点：成本较高，对偏磨严重井段，杆体中部与管内壁的 磨损不起预防作用，同时长期工作后扶正体将短接杆体磨细，造成短接杆体扭断。
⑵快装式扶正器
原理：将尼龙扶正体直接扭卡在杆体上，可上下串动。工作时杆体在扶正体中旋转，保证扶正体附近的杆体不与管内壁接触磨损。
优点：成本较低，安装方便。
缺点：由于可上下串动，不能有效保护接箍不被磨损，磨损较严重时容易掉落造成卡泵。
⑶固体润滑式扶正器
原理：该结构扶正器为短接式扶正器的改进型，在扶正套内孔固化金属滑动轴承，轴承接触面镶嵌多组固体润滑剂，在井内工作时起到自润滑减磨作用。
优点：可较好地保护杆接箍，耐磨、使用寿命长。
缺点：成本较高，对偏磨严重井段，杆体中部与管内壁的磨损不起预防作用。
⑷复式防偏磨扶正器
原理：同一材料（增强尼龙6）接触摩擦，降低材料摩擦系数，增强耐磨性。在杆体上任意部位浇注成型一个扶正衬套，浇注后它与杆成为一体，随后在扶正衬套上再次浇注扶正体，扶正体与扶正衬套可相对转动，存在一定的间隙。也可采取一次浇注后直接在扶正衬套上安装扭卡式扶正器的方式。
优点：耐磨性大幅提高，浇注的位置个数随意确定，定向井和垂直井都可应用，成本低。
缺点：后期的维护更换较复杂，需改进。
3.新型扶正器的设计
3.1 杆柱的受力分析计算
根据现场测试数据对杆柱受力情况进行分析，并建立螺杆泵扭矩，定子与转子，驱动杆与井液、油管间的摩擦扭矩计算模型以及驱动杆的惯性扭矩计算模型。
螺杆泵受力扭矩可按下式计算：
式中：M1—扭矩，M2—定子与转子间摩擦扭矩，M3—驱动杆柱在井液中旋转所受阻力矩，M4—驱动抽油杆与油管间的摩擦扭矩，—流体粘度，mPa.s；—抽油杆半径，m；—油管内半径，m；—抽油杆接箍直径，m；—抽油杆材料的密度，kg/m3；—螺杆转子截面直径，m；—摩擦系数；—井斜角；—初始过盈量，mm；—转速，r/min。
此外，启抽或停泵引起的抽油杆的惯性扭矩按下式计算：
式中：—抽油杆直径，m；—单位长度抽油杆柱质量，kg/m；—启动或停泵时间。
3.2 扶正器结构设计
螺杆泵井驱动杆柱作旋转运动，扶正器可以设计成类似轴承结构，扶正器心轴随抽油杆柱一起转动，而扶正体能够相对油管不运动，扶正体上设有油流通道。这种扶正器的扶正体与油管接触，并相对固定，因此称为支撑式扶正器。
支撑式扶正器由扶正器杆体.承磨层.承磨滚动轴承筒.支撑件（扶正体）和接箍组成，结构如图1所示。
图1 扶正器结构图
⑴扶正器杆体：扶正器杆体与常规抽油杆材料、结构和性能相似，只是扶正器杆体的圆柱直径根据需要可以改变。
⑵承磨层：扶正器杆体的圆柱表面及轴承凹槽上加工有均匀承磨层，该承磨层可采用喷涂、粉末冶金等方式加工，承磨层与扶正器杆体圆柱同心，表面光洁，用抛光处理能提高性能。承磨层的作用是承受磨损，因此其制造主要考虑其耐磨性能。工作时，扶正器杆体及承磨层随驱动杆柱作旋转运动。
⑶承磨滚动轴承筒：承磨滚动轴承筒套在承磨层外面，内层结构与滚动轴承相同，加工方式与轴承的加工相同，另需增加耐磨处理（随承磨层转动滚珠防磨损要高）。承磨滚动轴承筒的作用是连接支撑件，承受承磨层转动带来的磨损并将面摩擦转换为线摩擦，因此轴承筒的制造也重点考虑耐磨性能。
⑷支撑件：支撑件是由圆筒套和支撑棱组成，支撑棱之间是油液流动通道，支撑件可采用橡胶材料制造。支撑件的元套筒在承磨滚动轴承筒外，可依靠过盈连接或胶粘加强连接。支撑件的支撑棱支撑在油管内壁上，工作时，承磨滚动轴承筒与支撑件不旋转。
⑸接箍：接箍内螺纹与扶正器上线连接螺纹配合，连接抽油杆与扶正器。
3.3 工作原理
支撑式扶正器安装在2根驱动杆之间，下入油井需要扶正的位置。由于橡胶与油管内壁金属之间的摩擦力远大于承磨层与承磨滚动轴承筒之间的摩擦力，因此其外径大于、等于或者略小于油管内径都可以保证支撑件及其与之相连的承磨滚动轴承筒不跟随扶正器杆体旋转。支撑件端部应加工成圆锥状，最大外径处小于油管内径，便于扶正器随抽油杆柱下入油管内。支撑棱内部加工有弹簧，能够有效吸收因转子旋转而产生的偏心振动。
4 结论
⑴支撑式扶正器的支撑件采用橡胶材料制造，有一定弹性，支撑在油管内壁上，支撑件与承磨滚动轴承筒相连接，橡胶材料的支撑件与油管内壁摩擦大于金属与金属间的摩擦力，保证支撑件与轴承筒不旋转。
⑵扶正体不旋转，液体流动通道位置固定，避免了扶正体旋转对液体流动的影响，降低了油流阻力。
⑶支撑件中装有弹簧装置，有效吸收偏振所带来的横向力，更好的保护驱动杆，延长使用寿命。
参考文献
[1] 陈实，王海文，赵伟，等.螺杆泵井偏磨机理研究.断石油气田.2007.14（1）.80-28.
[2] 程鹏，顾学林，胡才志，等.地面驱动单螺杆泵抽油杆失效分析与预防措施.石油机械.2000.28（4）.26-27.
[3] 师国臣，陈卓如，李修文.螺杆泵采油井杆柱断裂机理及其对策.石油机械.2000.28（9）.42-44.
[关键词]螺杆泵 驱动杆 偏磨 扶正器
中图分类号：TE933.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0091-01
1.前言
地面驱动螺杆泵采油系统是油田常用的一种采油系统，采用驱动杆旋转运动方式由地面向井下螺杆泵传递动力，带动螺杆泵转子旋转。驱动杆在油管内旋转运动，如果驱动杆和油管内壁接触，就会发生驱动杆和油管磨损，这种现象称为杆管偏磨。在油井含水较低、转速较低、泵排量较小时，偏磨问题不太严重；当螺杆泵采油系统应用于高含水、大排量，以及用于聚驱见效井时，偏磨造成杆管损坏问题成为制约其应用的难题之一。
统计2011年上半年我厂螺杆泵检泵井中有77.6%的井是由于偏磨检泵的。偏磨问题亟待解决。
2.螺杆泵偏磨原因及应用扶正器概况
螺杆泵结构中存在偏心距，螺杆泵转子的运动是一个行星运动，就是在自转的同时还做同步水平的往复摆动，产生了一个简谐的位移激励，底部驱动杆的运动规律与转子相同。
利用瞬态动力学模型，模拟理想的垂直井中旋转杆柱的变形情况。可以看出，驱动杆横向摆动位移由上至下明显增大，这与实际偏磨段大部分发生在杆柱的下部结果相符，而且这种变形是杆管偏磨的主要因素，是无法消除的。因此，为了防止偏磨，已经有多种扶正器在螺杆泵井上得到应用。
现阶段应用扶正器有以下几种：
⑴短接式扶正器
原理：在杆体与接箍之间安装扶正短接，短接的杆体上浇注可转动的尼龙扶正体，工作时短接的杆体在扶正体中旋转，保证接箍不与管内壁接触磨损。
优点：可较好地保护杆接箍。
缺点：成本较高，对偏磨严重井段，杆体中部与管内壁的 磨损不起预防作用，同时长期工作后扶正体将短接杆体磨细，造成短接杆体扭断。
⑵快装式扶正器
原理：将尼龙扶正体直接扭卡在杆体上，可上下串动。工作时杆体在扶正体中旋转，保证扶正体附近的杆体不与管内壁接触磨损。
优点：成本较低，安装方便。
缺点：由于可上下串动，不能有效保护接箍不被磨损，磨损较严重时容易掉落造成卡泵。
⑶固体润滑式扶正器
原理：该结构扶正器为短接式扶正器的改进型，在扶正套内孔固化金属滑动轴承，轴承接触面镶嵌多组固体润滑剂，在井内工作时起到自润滑减磨作用。
优点：可较好地保护杆接箍，耐磨、使用寿命长。
缺点：成本较高，对偏磨严重井段，杆体中部与管内壁的磨损不起预防作用。
⑷复式防偏磨扶正器
原理：同一材料（增强尼龙6）接触摩擦，降低材料摩擦系数，增强耐磨性。在杆体上任意部位浇注成型一个扶正衬套，浇注后它与杆成为一体，随后在扶正衬套上再次浇注扶正体，扶正体与扶正衬套可相对转动，存在一定的间隙。也可采取一次浇注后直接在扶正衬套上安装扭卡式扶正器的方式。
优点：耐磨性大幅提高，浇注的位置个数随意确定，定向井和垂直井都可应用，成本低。
缺点：后期的维护更换较复杂，需改进。
3.新型扶正器的设计
3.1 杆柱的受力分析计算
根据现场测试数据对杆柱受力情况进行分析，并建立螺杆泵扭矩，定子与转子，驱动杆与井液、油管间的摩擦扭矩计算模型以及驱动杆的惯性扭矩计算模型。
螺杆泵受力扭矩可按下式计算：
式中：M1—扭矩，M2—定子与转子间摩擦扭矩，M3—驱动杆柱在井液中旋转所受阻力矩，M4—驱动抽油杆与油管间的摩擦扭矩，—流体粘度，mPa.s；—抽油杆半径，m；—油管内半径，m；—抽油杆接箍直径，m；—抽油杆材料的密度，kg/m3；—螺杆转子截面直径，m；—摩擦系数；—井斜角；—初始过盈量，mm；—转速，r/min。
此外，启抽或停泵引起的抽油杆的惯性扭矩按下式计算：
式中：—抽油杆直径，m；—单位长度抽油杆柱质量，kg/m；—启动或停泵时间。
3.2 扶正器结构设计
螺杆泵井驱动杆柱作旋转运动，扶正器可以设计成类似轴承结构，扶正器心轴随抽油杆柱一起转动，而扶正体能够相对油管不运动，扶正体上设有油流通道。这种扶正器的扶正体与油管接触，并相对固定，因此称为支撑式扶正器。
支撑式扶正器由扶正器杆体.承磨层.承磨滚动轴承筒.支撑件（扶正体）和接箍组成，结构如图1所示。
图1 扶正器结构图
⑴扶正器杆体：扶正器杆体与常规抽油杆材料、结构和性能相似，只是扶正器杆体的圆柱直径根据需要可以改变。
⑵承磨层：扶正器杆体的圆柱表面及轴承凹槽上加工有均匀承磨层，该承磨层可采用喷涂、粉末冶金等方式加工，承磨层与扶正器杆体圆柱同心，表面光洁，用抛光处理能提高性能。承磨层的作用是承受磨损，因此其制造主要考虑其耐磨性能。工作时，扶正器杆体及承磨层随驱动杆柱作旋转运动。
⑶承磨滚动轴承筒：承磨滚动轴承筒套在承磨层外面，内层结构与滚动轴承相同，加工方式与轴承的加工相同，另需增加耐磨处理（随承磨层转动滚珠防磨损要高）。承磨滚动轴承筒的作用是连接支撑件，承受承磨层转动带来的磨损并将面摩擦转换为线摩擦，因此轴承筒的制造也重点考虑耐磨性能。
⑷支撑件：支撑件是由圆筒套和支撑棱组成，支撑棱之间是油液流动通道，支撑件可采用橡胶材料制造。支撑件的元套筒在承磨滚动轴承筒外，可依靠过盈连接或胶粘加强连接。支撑件的支撑棱支撑在油管内壁上，工作时，承磨滚动轴承筒与支撑件不旋转。
⑸接箍：接箍内螺纹与扶正器上线连接螺纹配合，连接抽油杆与扶正器。
3.3 工作原理
支撑式扶正器安装在2根驱动杆之间，下入油井需要扶正的位置。由于橡胶与油管内壁金属之间的摩擦力远大于承磨层与承磨滚动轴承筒之间的摩擦力，因此其外径大于、等于或者略小于油管内径都可以保证支撑件及其与之相连的承磨滚动轴承筒不跟随扶正器杆体旋转。支撑件端部应加工成圆锥状，最大外径处小于油管内径，便于扶正器随抽油杆柱下入油管内。支撑棱内部加工有弹簧，能够有效吸收因转子旋转而产生的偏心振动。
4 结论
⑴支撑式扶正器的支撑件采用橡胶材料制造，有一定弹性，支撑在油管内壁上，支撑件与承磨滚动轴承筒相连接，橡胶材料的支撑件与油管内壁摩擦大于金属与金属间的摩擦力，保证支撑件与轴承筒不旋转。
⑵扶正体不旋转，液体流动通道位置固定，避免了扶正体旋转对液体流动的影响，降低了油流阻力。
⑶支撑件中装有弹簧装置，有效吸收偏振所带来的横向力，更好的保护驱动杆，延长使用寿命。
参考文献
[1] 陈实，王海文，赵伟，等.螺杆泵井偏磨机理研究.断石油气田.2007.14（1）.80-28.
[2] 程鹏，顾学林，胡才志，等.地面驱动单螺杆泵抽油杆失效分析与预防措施.石油机械.2000.28（4）.26-27.
[3] 师国臣，陈卓如，李修文.螺杆泵采油井杆柱断裂机理及其对策.石油机械.2000.28（9）.42-44.