楊井作業(yè)區(qū)管桿偏磨機(jī)理分析及防治措施

陳世棟，惠 芳，陳 立

（中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710200）

目前，由于多方面原因，大斜度井不斷增加，油井含水也不斷上升，管桿的偏磨問題也越來越突出，同時因管桿偏磨造成的油井維護(hù)井次也逐年上升，免修期縮短，作業(yè)量增加、管理難度加大，而且因油井磨損造成了管、桿過早報廢，使人力、物力的投入急劇增加，成本上升。所以，這些分析影響油井偏磨的主要因素，制定相應(yīng)的對策，以便必須做到有的放矢。

1 偏磨現(xiàn)狀

目前全區(qū)共有油井338 口，地關(guān)32 口，應(yīng)開井306口，采油時率98.8 %，平均抽汲參數(shù)2.7 m×4.2 r/min×35 mm×1 687 m，泵效49.6 %，平均動液面1 497 m，沉沒度197 m，檢泵周期494 天。

目前共發(fā)現(xiàn)偏磨井106 口，占全區(qū)開井總數(shù)的34.9 %，其中偏磨嚴(yán)重井共47 口。各區(qū)塊普遍存在偏磨現(xiàn)象，偏磨嚴(yán)重井主要集中在含水較高的元72 區(qū)塊和胡117 區(qū)塊，以及抽汲參數(shù)偏大的A21 區(qū)塊（見表1）。

表1 各區(qū)塊偏磨井情況

2 油井管桿偏磨造成的危害

在影響抽油機(jī)井正常生產(chǎn)的諸多因素中，偏磨是重要因素之一，油井偏磨主要危害具體表現(xiàn)在以下方面[1]：

2.1 影響油井開井時率，維護(hù)成本加大

管桿偏磨主要造成油管偏磨漏失或抽油桿斷引起油井生產(chǎn)不正常。因偏磨造成的頻繁躺井不僅增加作業(yè)費(fèi)用，而且也會因躺井作業(yè)量增加造成油井停產(chǎn)或減產(chǎn)，影響開井時率。

2.2 桿管報廢率高，桿管材料費(fèi)用增大

偏磨另一個重要的危害是加快管桿報廢速度。在正常情況下，抽油桿的破壞形式是疲勞破壞，理論上認(rèn)為抽油桿的破壞次數(shù)為107 次，使用壽命約在4.7 年左右，但是在斜井中抽油桿受偏磨影響后，易發(fā)生應(yīng)力集中造成桿斷，大大降低了抗疲勞破壞的能力。部分偏磨嚴(yán)重井，更換新抽油桿或油管使用不到一年就會因偏磨而無法繼續(xù)使用，報廢量大，偏磨嚴(yán)重的甚至造成井下事故。例如元72 區(qū)塊的元74-13、元73-8 井偏磨嚴(yán)重，每次檢泵需更換泵上600 米油管桿，使用不到半年都因偏磨更換報廢。

3 管桿偏磨機(jī)理分析

3.1 井斜對桿管偏磨的影響

由于井斜變化較大形成“拐點(diǎn)”，使油管產(chǎn)生彎曲。在油井生產(chǎn)時，抽油桿的綜合拉力F 或綜合重力W 產(chǎn)生了一個水平分力N（正壓力）的作用，油管和抽油桿在“拐點(diǎn)”處接觸，產(chǎn)生摩擦（見圖1）[2]。

圖1 井下抽油桿桿柱受力分析

（1）式中，N 由F 引起的抽油桿對油管內(nèi)壁的正壓力；θ 油管的傾斜角度；F 為抽油桿的拉力和各種阻力的合力，方向向上；W 為抽油桿的重力和各種阻力的合力，方向向下。

根據(jù)（1）式“拐點(diǎn)”離井口越近，F(xiàn) 或W（為正時）越大，N 也越大，磨損越嚴(yán)重；摩擦力與傾斜角度θ 的正弦值成正比。因此，油管的傾斜角度θ 越大，正壓力也越大，磨損越嚴(yán)重。根據(jù)（2）式可以看出，摩擦力除了與傾斜角度有關(guān)外，與桿管間的摩擦系數(shù)成正比，因此當(dāng)含水升高，桿管間摩擦系數(shù)增大后，桿管間摩擦力就越大，磨損越嚴(yán)重。

3.2 失穩(wěn)彎曲對油井管桿偏磨的影響

抽油機(jī)井的桿柱偏磨的主要原因是在抽油桿的下行程過程中由于受到流體通過游動閥的阻力、泵活塞與襯套之間的摩阻、抽油桿與油管之間的摩阻以及抽油桿與液體之間的摩阻的作用，產(chǎn)生一個阻礙抽油桿下行的方向向上的阻力，使得抽油桿的下部受壓，而上部抽油桿柱則由于抽油桿柱自身重力的作用而受拉，因此抽油桿在其下行阻力和自身重力的雙重作用下，其結(jié)果是抽油桿在下行過程中上部的運(yùn)行速度要大于下部桿柱的速度，從而產(chǎn)生抽油桿的彎曲變形，而且在抽油桿上必然存在既不受壓也不受拉的一點(diǎn)，此點(diǎn)即中和點(diǎn)[3]。中和點(diǎn)位置的高低主要取決于抽油桿的下行阻力，而在影響下行阻力的諸因數(shù)有哪個因素發(fā)生變化，導(dǎo)致下行阻力增加，那么中和點(diǎn)的位置就要相對上移，單根8 m 抽油桿的臨界載荷計算結(jié)果（見表2）。

表2 抽油桿的臨界載荷

抽油桿臨界載荷計算結(jié)果可以說明抽油桿柱底部第一根將極易發(fā)生失穩(wěn)彎曲。從理論上講，這段抽油桿的彈性穩(wěn)定臨界載荷不會大于表中的數(shù)值。抽油機(jī)井泵上第二根到中和點(diǎn)的抽油桿柱比底部第一根抽油桿更容易發(fā)生受壓失穩(wěn)彎曲。這就從理論上解釋了現(xiàn)場存在的深井泵泵上10 m～500 m 均發(fā)生管桿偏磨，且在30 m～400 m 這段偏磨特別嚴(yán)重的根本原因。因此，油井偏磨是抽油過程中客觀存在的。

3.3 井液介質(zhì)對油井桿管偏磨的影響

油井偏磨是任何抽油機(jī)井都必然發(fā)生的，但是現(xiàn)場的實際情況是隨著油井含水的上升，油井偏磨的情況逐漸加劇，因為偏磨導(dǎo)致的桿斷、管漏等檢泵作業(yè)井次不斷上升。其原因是，當(dāng)油井產(chǎn)出液含水大于74.02 %時產(chǎn)出液換相，由油包水型轉(zhuǎn)換為水包油型。管、桿表面失去了原油的保護(hù)作用，產(chǎn)出水直接接觸金屬，腐蝕速度增加。摩擦的潤滑劑由原油變?yōu)楫a(chǎn)出水，由于失去原油的潤滑作用，桿管間的摩擦系數(shù)隨著油井含水升高而增大，尤其當(dāng)含水大于90 %時摩擦系數(shù)提高到低含水時的6 倍，摩擦力也增大到6 倍（見表3），從而造成油管內(nèi)壁和抽油桿磨損速度加快，磨損嚴(yán)重（見表4）。

表3 原油含水與摩擦系數(shù)的關(guān)系

3.4 抽汲參數(shù)對油井桿管偏磨的影響

3.4.1 沖程沖次的影響 沖程短沖次快時抽油桿與油管相對摩擦部位的面積較小，摩擦的次數(shù)增多，磨損較快；沖程長沖次慢時，抽油桿與油管摩擦部位的面積相對較大，摩擦次數(shù)減少，磨損較慢，管桿使用壽命相對較長。因此，部分井為了提液高沖次生產(chǎn)是造成油井桿管偏磨的原因。工作參數(shù)不合理，造成泵充滿程度過低，下沖程抽油桿震動加大，造成液擊力增大，特別是高含水低沉沒度油井，最易形成高液擊力，而對于低含水低沉沒度油井由于溶解氣含量較高，生產(chǎn)中由于氣體的緩沖作用，下沖程抽油桿震動不大，因此液擊力一般不大。高液擊力易造成抽油桿彎曲，從而形成管桿偏磨。同時油井抽油泵的直徑越大，沖次越高，抽油桿的震動越厲害，也越容易造成管桿偏磨。由于受產(chǎn)量等因素的制約，例如A21 區(qū)塊平均抽汲參數(shù)2.5 m×5.0 r/min×37 mm，客觀上加劇了管桿偏磨的程度[4]。

3.4.2 泵徑大小與油井偏磨的關(guān)系 不同泵徑下柱塞與泵筒的摩擦力不同，泵徑越大，柱塞與泵筒之間的摩擦力越大。另外液體流經(jīng)游動閥的阻力與泵徑關(guān)系較大，泵徑越大，流經(jīng)游動閥的液體流量系數(shù)明顯增大，造成液體流經(jīng)游動閥時的過流阻力增大。因此，對于泵徑大的油井，中和點(diǎn)上移，下部抽油桿承壓發(fā)生彎曲變形的可能性增大，桿管磨損的影響就大。

3.4.3 沉沒度對桿管偏磨的影響

圖2 抽油桿在偏磨影響下桿斷

從圖2 中可知，上沖程時，在沉沒壓力和柱塞抽吸作用下，泵游動閥關(guān)閉，固定閥打開，泵吸入液體，當(dāng)沉沒度過大時，沉沒壓力增大，泵內(nèi)的吸入壓力也增大，于是會使抽油桿受到一個向上的頂力為：

式中：P1為在吸入壓力Pi 作用下，在柱塞上產(chǎn)生的載荷壓力；fP 為泵柱塞面積；Ps 為沉沒壓力；ΔPi 為液流通過泵入口設(shè)備產(chǎn)生的壓力降。式Ps = ρgh，代入式（3），得

由式（4）可見，P 隨沉沒度h 增大而增大；若忽略ΔPi 產(chǎn)生的阻力，則式（4）可化簡為P1=（ρgh）fP，假定ρ=860 kg/m3，沉沒度分別取10 m，300 m 代入式（4），用Φ38 mm 的泵計算可得，P1分別為95 N 和2 866 N。由此可知，在沉沒度h 增大時，P1增加幅度很大。由于桿柱綜合重力與受到的拉力相平衡，沉沒度增加的附加頂力會導(dǎo)致抽油桿受壓而彎曲，造成桿、管偏磨加劇。下沖程時，固定閥關(guān)閉，因此沉沒度對桿彎曲沒有什么影響，但由于固定閥關(guān)閉，此時沉沒度對油管下部產(chǎn)生向上頂力。

式中：fi 為油管截面積；D 為油管外徑。由式（5）可知，當(dāng)h 增大時，油管下部受到向上的頂力P2增大，當(dāng)h 從10 m 增加到300 m 時，若用Φ38 mm 的泵，內(nèi)徑Φ62 mm 的油管，P2由254.3 N 增加到7 629.5 N。力P2對長徑比很大的油管來說，足以使油管產(chǎn)生彎曲。實際生產(chǎn)中，在沉沒度較高時，無論上沖程、下沖程均會加劇桿管的偏磨，由此，可以看出油井沉沒度是否合理對桿管偏磨也有影響。

4 油井管桿防偏磨的措施及對策

在油井生產(chǎn)中抽油機(jī)井管桿偏磨問題是普遍存在的，遍及各類油藏，影響管桿偏磨的原因復(fù)雜多樣，有固定的硬因素，也有變化中的軟因素，因此管桿偏磨的治理綜合性強(qiáng)、難度大，通過上述分析針對具體狀況提出相應(yīng)的對策。

4.1 抽油桿使用注塑尼龍扶正桿

把高密度、高強(qiáng)度的注塑尼龍扶正塊通過機(jī)器“三點(diǎn)固定式”壓緊在抽油桿上。借助耐磨耐腐，吸收沖擊及自潤滑、且有足夠的過流面積的尼龍?zhí)滋自趯嵭妮S上以實現(xiàn)扶正抽油桿。變抽油桿與油管磨擦為注塑尼龍塊與油管磨擦。在一定程度緩解了抽油桿因井斜造成的桿體偏磨。在特殊偏磨井，可以試驗更換“五點(diǎn)固定式”防磨桿，以延緩偏磨情況。

4.2 抽油桿自旋懸繩器防偏磨技術(shù)

前期引進(jìn)抽油桿自旋懸繩器，抽油桿懸繩器防偏磨技術(shù)利用抽油機(jī)井上下沖程驢頭位移變換，通過傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)抽油桿順時針方向轉(zhuǎn)動，從而帶動整個抽油桿柱轉(zhuǎn)動。在實施過程中，因設(shè)備問題運(yùn)行效果不佳，且會造成深部抽油桿受力復(fù)雜化，引發(fā)疲勞桿斷。

4.3 高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)扶正器及AOC 雙向保護(hù)接箍的應(yīng)用

針對井眼軌跡復(fù)雜，油管桿偏磨嚴(yán)重，利用檢泵機(jī)會，在泵口、造斜點(diǎn)、井口等位置優(yōu)化高強(qiáng)度扶正器的應(yīng)用，延緩抽油桿接箍與管體接觸磨損，另一方面配套使用AOC 雙向保護(hù)接箍，該接箍采用特殊鍍層工藝，能最大限度保護(hù)抽油桿接箍不磨損，但運(yùn)行過對油管保護(hù)能力略有欠缺。目前該類措施是最常用的一種治理偏磨手段。

4.4 優(yōu)化桿柱系統(tǒng)

通過計算得出桿柱中和點(diǎn)位置，結(jié)合檢泵起出管桿偏磨情況，適量調(diào)整加重桿數(shù)量，減緩下沖程是下部桿柱受壓導(dǎo)致偏磨，2012 年共在全區(qū)試驗9 井次，實施后加重桿偏磨情況得到有效減緩還能減少深部抽油桿在交變載荷下的疲勞斷脫。

4.5 增加尾管減少管住蠕動

部分井抽汲參數(shù)偏大，起出發(fā)現(xiàn)管桿、母堵磨損嚴(yán)重，下泵時通過增加尾管數(shù)量加強(qiáng)深井泵運(yùn)行穩(wěn)定性，由尾管“2+2”組合調(diào)整為“4+2”，實施后效果不明顯，初步分析穩(wěn)定效果不佳，建議使用油管扶正器。

4.6 優(yōu)化油井生產(chǎn)參數(shù)

在現(xiàn)場運(yùn)行對比來看，生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化對治理偏磨效果顯著，在2012 年已優(yōu)化的4 口中，通過下調(diào)泵徑及沖次，治理效果顯著。

5 結(jié)論與認(rèn)識

防治偏磨井尤其是深抽井的管桿偏磨問題是長期而又系統(tǒng)的工作，只有深入現(xiàn)場，去掌握井的第一手資料，針對油井的不同情況，系統(tǒng)分析出綜合的防治措施才能達(dá)到防治偏磨的最佳效果，以便取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 李向東. 抽油桿斷脫及防治措施［J］. 生產(chǎn)一線，2011，33（5）：184-185.

［2］ 王春旭. 管桿偏磨技術(shù)研究與應(yīng)用［J］. 內(nèi)肛科技，2009，（11）：95-96.

［3］ 劉春花.抽油桿偏磨機(jī)理及防偏磨對策研究［D］.中國石油大學(xué)（華東），2009：5.

［4］ 王濤.深抽井抽油桿偏磨的分析與措施［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，（4）：136-137.