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摘 要：文中对螺杆泵采油技术应用中抽油杆柱失效问题进行了分析，并利用钻杆与螺杆泵运动的相似原理，研制开发出螺杆泵用锥螺纹抗扭矩抽油杆，很好地解决了抽油杆柱脱断问题，结果表明，增加连接螺纹防松能力，可起到提高上扣扭矩，增大预紧力的目的。
关键词：螺杆泵 扭矩抽油杆 设计
中图分类号：TF762 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（c）-0-02
自从20世纪80年代，螺杆泵采油技术被国内外油田广泛应用以来，螺杆泵举升技术应用得到快速发展，已基本能够满足油田的需要。但是随着地面驱动大排量螺杆泵采油技术进一步推广应用，尤其是聚驱井中的应用，使得抽油杆柱失效问题越来越突出，主要表现在常规D级、H级抽油杆或空心抽油杆驱动时的断裂、脱扣和撸扣等问题，已严重制约着采油效率的提高。主要原因是在螺杆泵采油井中，抽油杆除了承受轴向拉力之外，主要承受周向的扭矩作用，其受力状态比在抽油机井中差，与在抽油机井中相比，更容易杆体断裂、脱扣和撸扣等事故。为了解决抽油杆柱脱扣、撸扣、断裂发生，为满足市场需求，我们根据锥螺纹连接中，第一口螺纹处于锥螺纹大端，用较高的中径来承受较大的预紧力，在一定条件下能够用较低的预紧力产生较大的上扣扭矩或卸扣扭矩，而且大端自锁力更强。锥螺纹连接与直螺纹相比，应具有较强的抗扭能力的特点，研制开发出锥螺纹防脱抽油杆即扭矩抽油杆。
1 国内外相关技术的现状与发展趋势
螺杆泵采油技术近年来得到快速发展，螺杆泵采油技术是人工举升工艺中的一项革命性的新技术，和常规游梁式抽油机相比，耗电量大幅度降低，工作载荷非常平稳，适合稠油开采和含沙井开采。螺杆泵采油是利用扭矩杆柱旋转运动实现采油，可以弥补其它举升技术的不足，具有较好的经济效益及应用前景。
螺杆泵采油除对扭矩杆要求有超高的强度外，还要求有较高的抗扭性能及防脱扣功能，才能保证螺杆泵采油杆柱的使用性能，避免杆体断裂、脱扣和撸扣等事故的发生。
目前国内外油田螺杆泵采油使用的扭矩杆，都是API标准的常规抽油杆的基础上进行改进设计，适合螺杆泵旋转采油使用，扭矩杆不仅要有较高的抗拉强度，而且还要有较好的抗扭性能。国内外一些企业已开始研制、使用和推广扭矩杆产品，该产品尚无行业和国际标准。
2 研制目标、技术创新点
通过扭矩杆头部连接结构的改变，解决螺杆泵采油杆柱脱扣问题。扭矩杆螺纹选用钻杆数字型螺纹，螺纹代号NC13和NC16，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较好，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，能传递较大的轴向载荷和扭矩。该扭矩杆抗扭强度高，疲劳寿命长，螺纹上扣扭矩大，卸载扭矩也越大，起到了防脱扣的作用。
3 研制内容
3.1 扭矩抽油杆产品结构分析
螺杆泵采油应用中，抽油杆柱主要运动方式是旋转运动，主要承力方式也由抗拉变成抗扭。要求杆体强度高：杆体、接箍材质选用CrMo钢，经过整体镦锻工艺，调质热处理工艺，杆头加工锥螺纹工艺，抽油杆综合机械性能好，产品质量容易控制；驱动螺杆泵用扭矩杆螺纹选用钻杆数字型螺纹，螺纹代号NC13和NC16，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，能传递较大的轴向载荷和扭矩。
因此利用钻杆与螺杆泵运动的相似原理，将抽油杆头部普通英制螺纹连接改为钻杆锥螺纹连接，靠增大上扣扭矩的方法，把卸扣扭矩提高到接近杆体的强度，从而起到了防脱扣的目的。
3.2 设计原理分析
由于扭矩抽油杆在井下工作时，同时做旋转运动和轴向运动，承受的运动载荷比较负责，内外压差也比较大，要求螺纹连接处不仅能够密封、还应传递驱动螺杆泵时所需的动扭矩，其工作状态类似于钻杆工作状态。对于钻杆锥螺纹连接，特点是螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，由于预紧力由端面和锥面共同承担，所以螺纹的加工精度要求较高，这种螺纹不仅具有良好的密封性，还能传递较大的轴向载荷和扭矩，尤其是数字型螺纹连接，在井下复杂的条件下具有较高的疲劳强度。
经过优化设计后，扭矩杆锥螺纹选用数字型螺纹，螺纹代号NC13，螺纹牙型V-0.055，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。
3.3 主要技术指标
为提高扭矩抽油杆的机械性能，原材料采用35CrMoA，规格为Φ25×8000，按超高强度抽油杆HL级别进行热处理，使其达到扭矩抽油杆的强度和扭矩要求，原材料采购后依据YB/T 054—94标准要求。扭矩抽油杆要求抗拉强度、韧性和抗扭转强度等综合性能较高。
3.4 产品加工工艺的实现
扭矩抽油杆的技术路线为原材料复验、探伤、矫直、锻造、热处理、抛丸、探伤、打磨、机加、装配、包装、浸漆等。
扭矩抽油杆工艺流程与现有常规抽油杆一致，只是在锻造和机械加工工艺上有些不同。我们利用现有生产YG05.005抽油杆的模具YG.M2009A，对其中成型镶块尺寸稍作修改，以满足扭矩桿头部尺寸要求。
扭矩杆机加工序是扭矩杆制造的关键工序，也是工艺中的难点。因为锥螺纹的特点是螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，还能传递较大的轴向载荷和扭矩，由于预紧力由端面和锥面共同承担，所以头部锥螺纹的加工精度要求较高。由于抽油杆使用要求，又必须有一定的头部形位精度。
我们利用数控六角车床，编制数控加工程序，通过选择数控机夹刀具，配以适当的切削深度和速度，通过工艺试验，可以保证扭矩杆头部加工尺寸的精度。
4 效益分析
根据国内油田市场的需求情况，每年螺杆泵采油油井数量近1000余口，使用扭矩杆约25万根，根据该公司市场销售情况，可年生产销售扭矩杆3万根。以平均每根售价350元，可实现销售收入1050万元。按利润率10%计算，可年获利润105万元。
扭矩杆产品的研制与开发，进一步完善了抽油杆产品种类，增强了公司市场竞争力，市场前景广阔，同时解决了油田螺杆泵采油杆柱脱断问题，具有较好的社会效益。
5 结语
通过扭矩抽油杆的定型生产，已将批量扭矩抽油杆产品交付延长油田使用，在井下使用过程中，未发生产品脱扣、断裂等质量事故，使用情况非常好。
我公司研制生产的扭矩抽油杆具有良好的综合机械性能，表现为强度高、韧性好，同时具有较好的抗疲劳强度和扭转强度，满足设计要求及油田使用要求，较好地解决了螺杆泵抽油杆脱扣问题，延长了螺杆泵检泵周期，增加了油田产能，降低生产成本，具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 张佳民.螺杆泵抽油杆柱设计方法及其应用[M].北京：石油机械出版社，2002.
[2] 齐振林.螺杆泵采油技术问答[M].北京：石油机械出版社，2002.
关键词：螺杆泵 扭矩抽油杆 设计
中图分类号：TF762 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（c）-0-02
自从20世纪80年代，螺杆泵采油技术被国内外油田广泛应用以来，螺杆泵举升技术应用得到快速发展，已基本能够满足油田的需要。但是随着地面驱动大排量螺杆泵采油技术进一步推广应用，尤其是聚驱井中的应用，使得抽油杆柱失效问题越来越突出，主要表现在常规D级、H级抽油杆或空心抽油杆驱动时的断裂、脱扣和撸扣等问题，已严重制约着采油效率的提高。主要原因是在螺杆泵采油井中，抽油杆除了承受轴向拉力之外，主要承受周向的扭矩作用，其受力状态比在抽油机井中差，与在抽油机井中相比，更容易杆体断裂、脱扣和撸扣等事故。为了解决抽油杆柱脱扣、撸扣、断裂发生，为满足市场需求，我们根据锥螺纹连接中，第一口螺纹处于锥螺纹大端，用较高的中径来承受较大的预紧力，在一定条件下能够用较低的预紧力产生较大的上扣扭矩或卸扣扭矩，而且大端自锁力更强。锥螺纹连接与直螺纹相比，应具有较强的抗扭能力的特点，研制开发出锥螺纹防脱抽油杆即扭矩抽油杆。
1 国内外相关技术的现状与发展趋势
螺杆泵采油技术近年来得到快速发展，螺杆泵采油技术是人工举升工艺中的一项革命性的新技术，和常规游梁式抽油机相比，耗电量大幅度降低，工作载荷非常平稳，适合稠油开采和含沙井开采。螺杆泵采油是利用扭矩杆柱旋转运动实现采油，可以弥补其它举升技术的不足，具有较好的经济效益及应用前景。
螺杆泵采油除对扭矩杆要求有超高的强度外，还要求有较高的抗扭性能及防脱扣功能，才能保证螺杆泵采油杆柱的使用性能，避免杆体断裂、脱扣和撸扣等事故的发生。
目前国内外油田螺杆泵采油使用的扭矩杆，都是API标准的常规抽油杆的基础上进行改进设计，适合螺杆泵旋转采油使用，扭矩杆不仅要有较高的抗拉强度，而且还要有较好的抗扭性能。国内外一些企业已开始研制、使用和推广扭矩杆产品，该产品尚无行业和国际标准。
2 研制目标、技术创新点
通过扭矩杆头部连接结构的改变，解决螺杆泵采油杆柱脱扣问题。扭矩杆螺纹选用钻杆数字型螺纹，螺纹代号NC13和NC16，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较好，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，能传递较大的轴向载荷和扭矩。该扭矩杆抗扭强度高，疲劳寿命长，螺纹上扣扭矩大，卸载扭矩也越大，起到了防脱扣的作用。
3 研制内容
3.1 扭矩抽油杆产品结构分析
螺杆泵采油应用中，抽油杆柱主要运动方式是旋转运动，主要承力方式也由抗拉变成抗扭。要求杆体强度高：杆体、接箍材质选用CrMo钢，经过整体镦锻工艺，调质热处理工艺，杆头加工锥螺纹工艺，抽油杆综合机械性能好，产品质量容易控制；驱动螺杆泵用扭矩杆螺纹选用钻杆数字型螺纹，螺纹代号NC13和NC16，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，能传递较大的轴向载荷和扭矩。
因此利用钻杆与螺杆泵运动的相似原理，将抽油杆头部普通英制螺纹连接改为钻杆锥螺纹连接，靠增大上扣扭矩的方法，把卸扣扭矩提高到接近杆体的强度，从而起到了防脱扣的目的。
3.2 设计原理分析
由于扭矩抽油杆在井下工作时，同时做旋转运动和轴向运动，承受的运动载荷比较负责，内外压差也比较大，要求螺纹连接处不仅能够密封、还应传递驱动螺杆泵时所需的动扭矩，其工作状态类似于钻杆工作状态。对于钻杆锥螺纹连接，特点是螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，由于预紧力由端面和锥面共同承担，所以螺纹的加工精度要求较高，这种螺纹不仅具有良好的密封性，还能传递较大的轴向载荷和扭矩，尤其是数字型螺纹连接，在井下复杂的条件下具有较高的疲劳强度。
经过优化设计后，扭矩杆锥螺纹选用数字型螺纹，螺纹代号NC13，螺纹牙型V-0.055，螺距为4.233mm，锥度为1∶8。
3.3 主要技术指标
为提高扭矩抽油杆的机械性能，原材料采用35CrMoA，规格为Φ25×8000，按超高强度抽油杆HL级别进行热处理，使其达到扭矩抽油杆的强度和扭矩要求，原材料采购后依据YB/T 054—94标准要求。扭矩抽油杆要求抗拉强度、韧性和抗扭转强度等综合性能较高。
3.4 产品加工工艺的实现
扭矩抽油杆的技术路线为原材料复验、探伤、矫直、锻造、热处理、抛丸、探伤、打磨、机加、装配、包装、浸漆等。
扭矩抽油杆工艺流程与现有常规抽油杆一致，只是在锻造和机械加工工艺上有些不同。我们利用现有生产YG05.005抽油杆的模具YG.M2009A，对其中成型镶块尺寸稍作修改，以满足扭矩桿头部尺寸要求。
扭矩杆机加工序是扭矩杆制造的关键工序，也是工艺中的难点。因为锥螺纹的特点是螺纹的锥度和螺距都比较大，螺纹牙齿刚度也比较大，能够承受较大的上扣扭矩和预紧力，同时具有良好的密封性，还能传递较大的轴向载荷和扭矩，由于预紧力由端面和锥面共同承担，所以头部锥螺纹的加工精度要求较高。由于抽油杆使用要求，又必须有一定的头部形位精度。
我们利用数控六角车床，编制数控加工程序，通过选择数控机夹刀具，配以适当的切削深度和速度，通过工艺试验，可以保证扭矩杆头部加工尺寸的精度。
4 效益分析
根据国内油田市场的需求情况，每年螺杆泵采油油井数量近1000余口，使用扭矩杆约25万根，根据该公司市场销售情况，可年生产销售扭矩杆3万根。以平均每根售价350元，可实现销售收入1050万元。按利润率10%计算，可年获利润105万元。
扭矩杆产品的研制与开发，进一步完善了抽油杆产品种类，增强了公司市场竞争力，市场前景广阔，同时解决了油田螺杆泵采油杆柱脱断问题，具有较好的社会效益。
5 结语
通过扭矩抽油杆的定型生产，已将批量扭矩抽油杆产品交付延长油田使用，在井下使用过程中，未发生产品脱扣、断裂等质量事故，使用情况非常好。
我公司研制生产的扭矩抽油杆具有良好的综合机械性能，表现为强度高、韧性好，同时具有较好的抗疲劳强度和扭转强度，满足设计要求及油田使用要求，较好地解决了螺杆泵抽油杆脱扣问题，延长了螺杆泵检泵周期，增加了油田产能，降低生产成本，具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 张佳民.螺杆泵抽油杆柱设计方法及其应用[M].北京：石油机械出版社，2002.
[2] 齐振林.螺杆泵采油技术问答[M].北京：石油机械出版社，2002.