有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨磨損效率試驗(yàn)研究

劉曉旭，喬海波，黃 梅，王亞輝

（中國石油 冀東油田公司，河北 唐山063004）①

在有桿泵抽油系統(tǒng)中，桿管偏磨會導(dǎo)致抽油桿或油管損壞，造成井下事故，降低油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)行桿管偏磨磨損量預(yù)測的研究可以預(yù)知井下桿管偏磨情況、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，有利于延長桿管柱的使用壽命。桿管偏磨時(shí)的磨損效率是磨損量預(yù)測的重要參數(shù)。不同生產(chǎn)條件下磨損效率的大小需要通過試驗(yàn)確定，目前針對這方面的試驗(yàn)研究還比較少。本文采用正交試驗(yàn)法研究了有桿泵抽油系統(tǒng)的桿管偏磨磨損效率，為預(yù)測抽油桿和油管的磨損量提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 磨損效率的理論計(jì)算

有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨時(shí)，由摩擦力產(chǎn)生的摩擦功Ut一部分轉(zhuǎn)化為摩擦熱，另一部分表現(xiàn)為金屬的磨損。金屬磨損吸收能量為U，關(guān)系式為：

式中：Ut為摩擦功，J；Frt為抽油桿柱與油管之間的摩擦力，N；Lz為摩擦力作用的路程，m；μ為抽油桿柱與油管之間的摩擦因數(shù)，無因次；N為抽油桿柱與油管之間的正壓力，N；U 為磨損吸收能量，J；V為金屬的磨損量，m3；H 為布氏硬度，N／m2。

磨損效率E為

由式（3）可知，磨損效率的大小與磨損量、正壓力、摩擦副及摩擦力作用的路程有關(guān)，對于某一確定生產(chǎn)條件下抽油桿與油管間的磨損，抽油桿與油管的磨損效率相同。磨損效率的大小很難通過理論計(jì)算得出。因此，本文對不同條件下的桿管偏磨進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)測得的油管試樣的磨損量來確定桿管偏磨時(shí)磨損效率的大小。

2 磨損效率的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)參數(shù)及工況

摩擦磨損試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模擬抽油機(jī)井中抽油桿的往復(fù)運(yùn)動，抽油桿試樣為運(yùn)動件，油管試樣為靜止件。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 500r／min可調(diào)，試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)由計(jì)數(shù)器來測量。試驗(yàn)前，從抽油桿上截取30mm長的試樣，將油管加工成長65mm、寬30mm的試樣。

圖1 磨損試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇混合型正交表L16（44×23）作正交試驗(yàn)表。試驗(yàn)指標(biāo)為油管試樣的磨損量，選擇圓盤的材質(zhì)類型、油管材質(zhì)類型、試驗(yàn)介質(zhì)類型、原油中的含砂量、桿管間的接觸正壓力以及圓盤的轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)的因素。各因素及其水平值的確定如下：

1） 圓盤的材質(zhì)類型 本次試驗(yàn)中圓盤的材質(zhì)類型選擇普通D級抽油桿材料（硬度為22～28HRC）和1種扶正器材料（硬質(zhì)合金材料，硬度為89HRA）。

2） 油管的材質(zhì)類型 本文選擇現(xiàn)場使用較多的鋼級為J55和N80的油管進(jìn)行試驗(yàn)。

3） 試驗(yàn)介質(zhì)類型 隨著油田開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，定向井和水平井的數(shù)量增加，油田開采中后期以后，含水量增加進(jìn)一步加劇了桿管偏磨。為模擬油田現(xiàn)場實(shí)際情況，試驗(yàn)中采用油井產(chǎn)出液作為潤滑介質(zhì)，并在試驗(yàn)室調(diào)配其含水量。分別在純水、含水80%的原油、含水60%的原油和不含水的原油中進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

4） 介質(zhì)中的含砂量 產(chǎn)出液從地下巖石中攜帶上來的砂子具有較強(qiáng)的磨礪性，使抽油桿與油管發(fā)生磨粒磨損。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際含砂量的變化范圍，選用現(xiàn)場提取的油井產(chǎn)出液，通過配比對含砂量分別為0‰、0.4‰、0.8‰、1.2‰的情況進(jìn)行試驗(yàn)。

5） 正壓力 抽油桿與油管間正壓力的變化可以通過調(diào)節(jié)配重砝碼的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)抽油桿和油管發(fā)生失穩(wěn)摩擦?xí)r的工況分析，選擇摩擦副的正壓力分別為50、100、150、200N的情況進(jìn)行試驗(yàn)［1］。

6） 轉(zhuǎn)速 由于試驗(yàn)機(jī)采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動代替往復(fù)運(yùn)動模擬抽油機(jī)井中抽油桿在油管中的運(yùn)動情況，因此，結(jié)合井下實(shí)際工況，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)摩擦對偶的相對線速度與抽油桿和油管發(fā)生偏磨的線速度相等的原則確定試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速。本試驗(yàn)選擇的轉(zhuǎn)速分別為70、80、90、100r／min。

由以上分析可以看出：6種因素中，對圓盤材料和油管材質(zhì)2種因素選擇2個(gè)水平值；而對其他4種因素選擇4個(gè)水平值，如表1。

本文試驗(yàn)中，不同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)摩擦力作用的路程Lz為：

式中：d為圓盤的直徑，m；nm為試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。將式（4）代入式（3）得

式中：B＝ρtμN(yùn)nmπd／Ht；Δm 為不同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)對應(yīng)的油管質(zhì)量磨損量，kg；ρt為油管材料的密度，kg／m3； Ht為油管材料的布氏硬度，N／m2。

表1 試驗(yàn)中6種因素的水平值

按上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)共進(jìn)行16組磨損試驗(yàn)，每組試驗(yàn)總轉(zhuǎn)數(shù)為5×104圈，每轉(zhuǎn)5 000圈采用精度為0.1mg的天平測定試驗(yàn)前后油管試樣的磨損質(zhì)量損失，即磨損量。考慮到摩擦因數(shù)的測量誤差較大，且已有很多學(xué)者對摩擦因數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，本文僅根據(jù)前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對摩擦因數(shù)取值［2－5］。通過式（5）可知，Δm與B為線性關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)測得的16種試驗(yàn)條件下在不同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的磨損量數(shù)據(jù)，擬合出16組試驗(yàn)條件下的磨損效率值，具體結(jié)果如表2。

表2 各組試驗(yàn)中磨損量數(shù)據(jù)及摩擦因數(shù)和磨損效率

3 磨損效率的應(yīng)用

通過試驗(yàn)確定不同工況下的磨損效率后，可計(jì)算出有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨時(shí)，抽油桿和油管的體積磨損量以及油管和抽油桿的最大磨損深度，從而較好地預(yù)測井下桿管偏磨情況，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

抽油桿和油管的體積磨損量預(yù)測公式為

油管最大磨損深度［6］為

式中：s為沖程，m ；n為沖次，min－1；t為給定的時(shí)間，s；Nu為上沖程時(shí)抽油桿柱與油管之間的正壓力大小，N；N為下沖程時(shí)抽油桿柱與油管之間的正壓力大小，N；Ht為油管材料的布氏硬度，N／m2；k為抽油桿柱軸線與油管軸線之間的距離，m；Rr為抽油桿半徑，m；Rt為油管內(nèi)圓半徑，m；ht為油管的最大磨損深度，m。

通過二分法確定k值后，可由式（9）求得油管的最大磨損深度。

抽油桿最大磨損深度［6］為

式中：Hr為抽油桿材料的布氏硬度，N／m2；hr為抽油桿的最大磨損深度，m。

由式（10）并采用二分法求解抽油桿的最大磨損深度。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)能量法原理確定了磨損效率的計(jì)算方法，同時(shí)應(yīng)用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨的模擬試驗(yàn)，模擬了16種試驗(yàn)條件下抽油桿與油管的磨損情況。通過試驗(yàn)測得油管磨損量數(shù)據(jù)，擬合出了各試驗(yàn)條件下的磨損效率，為有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨磨損量的預(yù)測以及油管和抽油桿最大磨損深度的預(yù)測奠定了基礎(chǔ)，從而為較好地了解井下桿管偏磨情況、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

2） 本文僅對16種情況進(jìn)行了試驗(yàn)，考慮到影響桿管偏磨因素的復(fù)雜性，建議針對具體油田的情況對現(xiàn)場更多生產(chǎn)條件下的偏磨進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從而確定更多條件下的桿管間的磨損效率并消除誤差的影響，為更好地預(yù)測不同生產(chǎn)條件下的磨損量提供依據(jù)。

［1］Long S W.Measured rod string／tubing wear and associated side loading［R］.SPE37502.

［2］王旱祥，隋允康，張金中.抽油桿和油管材料在油田污水介質(zhì)中的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（5）：467－470.

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