結(jié)蠟油井示功圖跟蹤測(cè)試與分析

王海文 趙雷 趙輝 楊峰

1中國(guó)石油大學(xué)（華東） 2勝利油田東辛采油廠

結(jié)蠟油井示功圖跟蹤測(cè)試與分析

王海文1趙雷2趙輝2楊峰2

1中國(guó)石油大學(xué)（華東） 2勝利油田東辛采油廠

根據(jù)抽油機(jī)井基本工作原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)油井示功圖所反映出的懸點(diǎn)受力進(jìn)行分析，從而得到油井工況的詳細(xì)信息。結(jié)蠟造成油流空間減小，增加了油流阻力和壓力梯度，造成泵上壓力增大，作用在泵上的液柱載荷增加是上沖程載荷增大的主要原因，增大的泵上壓力對(duì)抽油桿的浮力增加是下沖程載荷減小的主要原因。摩擦力變化不是結(jié)蠟井載荷變化的主要原因。結(jié)蠟越嚴(yán)重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，應(yīng)根據(jù)示功圖上分析出的結(jié)蠟信息，對(duì)結(jié)蠟油井及時(shí)采取措施，減輕對(duì)生產(chǎn)的影響，避免事故發(fā)生。

油井；抽油機(jī)；示功圖；結(jié)蠟；測(cè)試

產(chǎn)液沿井筒上升過(guò)程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，當(dāng)溫度低于結(jié)晶溫度后，溶解的石蠟結(jié)晶、長(zhǎng)大聚集并沉積在管壁等固相表面上，即出現(xiàn)所謂的結(jié)蠟現(xiàn)象。油井結(jié)蠟影響流體舉升的過(guò)流斷面及抽油設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時(shí)井下或地面油管也蠟堵，造成生產(chǎn)中斷。含蠟油井的結(jié)蠟監(jiān)控、防蠟和清蠟是生產(chǎn)中需要解決的重要問(wèn)題。以往對(duì)結(jié)蠟油井示功圖僅定性地描述成示功圖變“胖”，沒(méi)有提供定量計(jì)算載荷的模型和評(píng)價(jià)結(jié)蠟程度的方法。有些文獻(xiàn)認(rèn)為，結(jié)蠟造成油管內(nèi)徑減小，抽油桿與蠟接觸增加了抽油桿的運(yùn)動(dòng)阻力，這種觀點(diǎn)誤導(dǎo)了對(duì)結(jié)蠟井抽油桿受力分析和示功圖的診斷。

在生產(chǎn)中，示功圖是油井常測(cè)的數(shù)據(jù)，隨著油井自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程在線測(cè)試示功圖已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，給利用示功圖進(jìn)行工況分析提供了方便[1]。本文建立抽油桿受力分析模型，分析結(jié)蠟井載荷變化的主要原因，提出定量計(jì)算結(jié)蠟示功圖載荷的方法，根據(jù)實(shí)測(cè)示功圖驗(yàn)證了所建的分析模型。

1 抽油機(jī)井上、下沖程的載荷

上沖程懸點(diǎn)載荷表示為

式中Pu為上沖程載荷（N）；Wr為抽油桿柱重量（N）；Wl為作用在泵柱塞上的液柱載荷（N）；Iu為上沖程桿柱和液柱慣性載荷（N）；FXi為第i級(jí)抽油桿柱所受的浮力（N）；Fu為上沖程中的摩擦載荷（N）；Pv為振動(dòng)載荷（N）；Pi為上沖程中泵內(nèi)壓力作用在柱塞底面向上的載荷（N）。

下沖程游動(dòng)閥打開(kāi)后懸點(diǎn)載荷表示為

式中Pd為下沖程懸點(diǎn)載荷（N）；Id為下沖程桿柱慣性載荷（N）；FXn為底部桿受到的浮力（N）；Fd為下沖程摩擦載荷（N）。

抽油機(jī)懸點(diǎn)可以分為動(dòng)載荷和靜載荷，靜載荷是指抽油機(jī)停機(jī)時(shí)測(cè)試的懸點(diǎn)載荷，懸點(diǎn)靜載荷與抽油機(jī)停機(jī)時(shí)懸點(diǎn)的位置和停機(jī)上下沖程過(guò)程有關(guān)[2]。對(duì)于直井，懸點(diǎn)靜載荷包括抽油桿柱自重和液壓力，液壓力作用在柱塞上、下兩面以及抽油桿柱各截面發(fā)生變化的位置。

抽油機(jī)上沖程停機(jī)測(cè)取的載荷稱為上靜載荷，去掉式（1）中與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)載荷，就得到上靜載荷的計(jì)算公式

相似地，抽油機(jī)下沖程停機(jī)測(cè)取的載荷稱為下靜載荷，去掉式（2）中與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)載荷，得到下靜載荷的計(jì)算公式

實(shí)測(cè)的油井示功圖載荷是式（1）和式（2）中各種載荷的綜合反映，懸點(diǎn)靜載荷反映了油井基本情況。對(duì)式（3）和式（4）中的液壓力計(jì)算時(shí)，液體密度按油、水加權(quán)平均密度估算，進(jìn)而計(jì)算柱塞上、下兩面以及抽油桿柱各截面變化位置的液壓力。懸點(diǎn)靜載荷標(biāo)在實(shí)測(cè)示功圖上，提供示功圖變化趨勢(shì)的基準(zhǔn)，對(duì)示功圖分析具有重要參考價(jià)值。根據(jù)抽油機(jī)井基本工作原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)示功圖所反映出的懸點(diǎn)受力進(jìn)行分析，從而得到油井工況的詳細(xì)信息。

2 結(jié)蠟井基本數(shù)據(jù)

為方便建立分析模型，結(jié)合一個(gè)典型實(shí)例井進(jìn)行分析。DXY72X5井采用塑料內(nèi)襯復(fù)合油管，由于塑料內(nèi)襯管的親油性和親蠟性，導(dǎo)致該井結(jié)蠟較用普通油管時(shí)更加嚴(yán)重。復(fù)合油管內(nèi)徑67.8 mm，泵徑?50 mm，下泵深度998.00 m，沖程4.79 m，沖次1.4 min-1，日液7.8 t，含水89.4%，動(dòng)液面952 m，沉沒(méi)度46 m，油黏度556 mPa·s，油密度0.932 8。桿柱組合：光桿?32 mm×9.00 m+D級(jí)?25 mm×149.00 m+D級(jí)?22 mm×780.00 m+加重桿?38 mm×60.00 m。

由式（3）和式（4）估算得到DXY72X54井上靜載荷為53.42 kN，下靜載荷為34.47 kN。

跟蹤測(cè)試DXY72X54井在結(jié)蠟不嚴(yán)重、結(jié)蠟嚴(yán)重和蠟堵造成桿斷3種情況下的示功圖，一并繪制在圖1中，圖中橫線表示上靜載荷和下靜載荷。

圖1 DXY72X54井示功圖

3 結(jié)蠟過(guò)程與示功圖變化規(guī)律

DXY72X54井屬于低液量、高含蠟井，由于液量低、溫度低，不容易把蠟質(zhì)溶解或攜帶出，雖然含水達(dá)到89.4%，但含水對(duì)油井結(jié)蠟情況沒(méi)有明顯影響[3]。因此采用內(nèi)襯塑料復(fù)合油管不能解決結(jié)蠟問(wèn)題[4]，管壁上結(jié)蠟減少了井液的流動(dòng)空間，這樣就增加井液的流動(dòng)阻力。

3.1 結(jié)蠟井的懸點(diǎn)載荷分析

從圖1中示功圖1可以看出，油井結(jié)蠟還不嚴(yán)重的情況下，最大載荷是65.60 kN，最小載荷是18.70 kN，上靜載荷線距離最大載荷為12.18 kN，下靜載荷線距離最小載荷為15.77 kN。圖1中示功圖2是結(jié)蠟嚴(yán)重時(shí)的功圖，最大載荷是74.90 kN，最小載荷是15.00 kN，最大載荷明顯增大，最小載荷降低，上靜載荷線距離最大載荷為21.48 kN，下靜載荷線距離最小載荷為19.47 kN。最大載荷增加量為9.30 kN，最小載荷減小量為3.70 kN。3種情況載荷值見(jiàn)表1。

造成示功圖1和示功圖2兩種情況下的載荷差異有兩種可能的原因，一是液柱載荷，二是摩擦力。下面通過(guò)定量分析找出確切原因。

油井生產(chǎn)過(guò)程中，不改變生產(chǎn)參數(shù)，由式（1）分析，導(dǎo)致上沖程載荷增大的因素有Wl和Fu。在上沖程中，由于游動(dòng)凡爾關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱引起的懸點(diǎn)載荷為

表1 DXY72X54井載荷數(shù)據(jù)

式中 p泵上為泵出口壓力（Pa）； fp為泵柱塞截面積（m2）； fr為與泵連接的抽油桿截面積（m2）。

結(jié)蠟蠟質(zhì)附著在油管內(nèi)壁或抽油桿上，減少了井液的流動(dòng)空間，增加了井液的流動(dòng)阻力，流動(dòng)阻力導(dǎo)致 p泵上增加，按式（5）計(jì)算的液柱載荷Wl增加[5]。

油井井身軌跡并非一條直線，直井的最大全角變化率要小于1°/30 m。由于井身軌跡的變化，油管在油井中也是彎曲的，油管里的抽油桿也受油管的約束，具有相似的軌跡，抽油桿與油管接觸是不可避免的。油管內(nèi)壁結(jié)蠟，減小了油管內(nèi)徑，在一定程度上加劇了抽油桿與油管內(nèi)壁的接觸，但比起油管1°/30 m的全角變化率，油管內(nèi)徑變小造成抽油桿全角變化率最大只有0.03°/30 m，不是主要因素。另外，用蠟作為中間介質(zhì)，抽油桿與油管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)減小到0.2以下，結(jié)蠟造成抽油桿與油管之間的摩擦力不會(huì)增加。

在非偏磨的直井中，無(wú)論稠油還是稀油，抽油桿柱與油管、柱塞與襯套之間的摩擦力數(shù)值都不大。在稠油井內(nèi)，液體與抽油桿之間的摩擦所引起的摩擦載荷比較大，這是造成最大載荷增大，最小載荷減小的主要原因，稠油井與結(jié)蠟井在載荷變化趨勢(shì)上有相似性，但其內(nèi)在原因是不一樣的，分析圖1中的示功圖可以論證這一觀點(diǎn)。

圖1中A點(diǎn)載荷是63.5 kN，B點(diǎn)載荷是48 kN，兩點(diǎn)間的載荷差值是15.5 kN；A′點(diǎn)載荷是75 kN，B′點(diǎn)載荷是57 kN，兩點(diǎn)間的載荷差值是18 kN。注意，B點(diǎn)游動(dòng)閥尚未打開(kāi)，A、B點(diǎn)載荷差值約等于上、下沖程摩擦力之和，下沖程游動(dòng)閥打開(kāi)前，作用在懸點(diǎn)上的摩擦載荷方向都向上，稠油井B點(diǎn)懸點(diǎn)載荷應(yīng)該減小，而DXY72X54井結(jié)蠟示功圖B點(diǎn)的載荷反而增加了9 kN；另外，示功圖1和示功圖2的A、B點(diǎn)和A′、B′點(diǎn)的差值變化只有2.5 kN。這兩因素說(shuō)明，摩擦力不是造成結(jié)蠟井最大載荷增大，最小載荷減小的主要因素。

在分析摩擦載荷時(shí)，沒(méi)有考慮液柱與油管之間的摩擦力，這個(gè)力并不直接作用在抽油桿上，而是通過(guò)液壓力作用在泵柱塞上；結(jié)蠟造成油流空間變小，管壁形狀復(fù)雜，增加了液柱垂直管流流動(dòng)阻力，造成液柱壓力梯度增加，使泵柱塞承受更大的液柱壓力。

如果假設(shè)DXY72X54井結(jié)蠟嚴(yán)重造成的上沖程載荷增加9.30 kN主要是由于泵上液柱壓力增加造成的，就可以解釋B點(diǎn)載荷增加9 kN的原因，同時(shí)也可以解釋最小載荷的減小量。

根據(jù)式（5）和加重桿上端面受到的液壓力，計(jì)算出示功圖2比示功圖1泵出口壓力增加了5.89 MPa，相應(yīng)地由式（2） 計(jì)算下沖程浮力，浮力造成的載荷減小值為4.11 kN，與實(shí)測(cè)最小載荷減小量3.70 kN只差0.41 kN。

3.2 發(fā)生蠟堵桿斷示功圖

由于結(jié)蠟對(duì)懸點(diǎn)載荷有影響，結(jié)蠟嚴(yán)重時(shí)就應(yīng)該及時(shí)采取清蠟措施；否則，結(jié)蠟越嚴(yán)重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，此時(shí)應(yīng)力幅加大，桿柱更容易發(fā)生疲勞破壞。圖1中示功圖3是DXY72X54井桿斷的實(shí)測(cè)示功圖，這時(shí)候油井已經(jīng)不產(chǎn)液了。示功圖顯示，上、下載荷都大幅度減小，結(jié)合油井不產(chǎn)液，判斷抽油桿斷脫。提桿發(fā)現(xiàn)第63根桿本體斷，按照抽油桿柱組合，斷點(diǎn)以上抽油桿重20.96 kN，考慮浮力后與實(shí)測(cè)示功圖相符。

4 結(jié)論

（1）結(jié)蠟造成油流空間減小，增加了油流阻力和壓力梯度，造成泵上壓力增大，作用在泵上的液柱載荷增加是上沖程載荷增大的主要原因，增大的泵上壓力對(duì)抽油桿的浮力增加是下沖程載荷減小的主要原因。

（2）摩擦力變化不是結(jié)蠟井載荷變化的主要原因。

（3）結(jié)蠟越嚴(yán)重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，應(yīng)根據(jù)示功圖上分析出的結(jié)蠟信息，對(duì)結(jié)蠟油井及時(shí)采取措施，減輕對(duì)生產(chǎn)的影響，避免事故發(fā)生。

[1]趙新智，李永明，余小兵，等．利用示功圖疊加分析預(yù)警法預(yù)防油井蠟卡[J]．油氣田地面工程，2009，28（7）：36-37．

[2]王一平，王海文，張超．利用漏失曲線計(jì)算抽油機(jī)井懸點(diǎn)靜載荷[J]．西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：58-60．

[3]張琪．采油工程原理與設(shè)計(jì)[M]．東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2000．[4]王海文，趙雷，楊峰，等．HDPE內(nèi)襯油管防治抽油機(jī)井桿管偏磨研究[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（2）：74-77．

[5]熊偉，宋必軒，孫霞，等．超稠油生產(chǎn)井示功圖判別及工礦診斷[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，10（4）：30-32．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.011

（欄目主持 楊 軍）