抽油井管桿偏磨應(yīng)力計(jì)算分析與治理措施

王鵬

摘 要：抽油機(jī)深井泵采油中，油管與抽油桿偏磨是造成抽油機(jī)井躺井的一項(xiàng)主要因素，通過(guò)對(duì)油管與抽油桿之間偏磨損傷機(jī)理的分析研究，找出了影響偏磨速度的因素，提出了減緩偏磨速度的方法，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：偏磨機(jī)理；應(yīng)力分析；減緩；對(duì)策

隨著油田不斷深入開(kāi)發(fā)，綜合含水逐漸上升，油井的偏磨、腐蝕等情況不斷加劇。有桿泵油井生產(chǎn)過(guò)程中，由于井身結(jié)構(gòu)限制、管柱失穩(wěn)和管桿彈性變形、產(chǎn)出液性質(zhì)影響等因素，造成抽油桿與油管之間總是存在接觸磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致油井油管磨損漏失、抽油桿磨損斷脫等問(wèn)題，嚴(yán)重影響油井檢泵周期。而且隨著油田開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，低品位油藏相繼投入開(kāi)發(fā)，油井泵掛深度加大，同時(shí)，老油田高含水期開(kāi)發(fā)產(chǎn)出液物性逐漸變差等因素都從不同程度上加劇了油井管桿偏磨問(wèn)題的發(fā)生。消除或減緩抽油桿及油管的偏磨速度，延長(zhǎng)檢泵周期是提高油田開(kāi)發(fā)效益的重要路徑。

1抽油桿與油管偏磨損傷機(jī)理

偏磨損傷的成因是抽油桿與油管之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)在抽油桿與油管接觸面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力大于油管與抽油桿的表面接觸疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致接觸面的損耗，接觸應(yīng)力越大，油管與抽油桿的損耗越快。損耗的直接結(jié)果是導(dǎo)致油管裂縫或抽油桿接箍斷或抽油桿脫。治理管桿偏磨損傷的核心是如何減小油管與抽油桿表面的接觸應(yīng)力，減緩管桿磨損的速度。

2偏磨影響因素分析

2. 1接觸應(yīng)力分析根據(jù)赫茲公式接觸應(yīng)力計(jì)算方法如下：

式中：σH、Fn、b、ρ、E分別代表：最大接觸應(yīng)力，作用在接觸面上的載荷，接觸長(zhǎng)度，綜合曲率半徑，綜合彈性模量其中綜合曲率半徑ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1） ，正號(hào)用于外接觸，負(fù)號(hào)用于內(nèi)接觸，ρ2代表油管偏磨點(diǎn)內(nèi)半徑，ρ1代表抽油桿偏磨點(diǎn)外半徑。由上式可以看出，影響油管與抽油桿接觸面接觸應(yīng)力大小的主要是四種因素，作用在接觸面上的載荷、綜合曲率半徑、綜合彈性模量、和接觸長(zhǎng)度。

2.2接觸面載荷分析假設(shè)節(jié)箍作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，那么抽油桿在偏磨點(diǎn)附近的運(yùn)動(dòng)，可以認(rèn)為是質(zhì)點(diǎn)圍繞油管摩擦點(diǎn)作向心運(yùn)動(dòng)，向心力即是接觸面上的載荷。計(jì)算如下：

式中： m， n， s， r， ，fυ分別代表：抽油節(jié)箍質(zhì)量，沖次，沖程，偏磨點(diǎn)拐彎半徑，向心力，摩擦系數(shù)。由上式可以看出，在同一口井的同一偏磨點(diǎn)，偏磨接觸面上的載荷的大小與沖次的平方成正比，沖次變小，作用在接觸面上的載荷也隨之變小，接觸應(yīng)力σH也將變小，偏磨減輕。

2.3綜合曲率半徑分析在采油生產(chǎn)中，抽油桿是在油管內(nèi)部來(lái)回做上下運(yùn)動(dòng)的，屬于內(nèi)接觸，在公式ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1）中適用于負(fù)號(hào)，因此當(dāng)抽油桿偏磨點(diǎn)外半徑ρ1越接近于油管偏磨點(diǎn)內(nèi)半徑ρ2時(shí)，綜合曲率半徑ρ越大，接觸應(yīng)力σH則越小，偏磨將隨之減輕。

2. 4綜合彈性模量分析綜合彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力，是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，與材料的化學(xué)成分有關(guān)。

2.5接觸長(zhǎng)度分析從赫茲公式可以看出，接觸應(yīng)力的大小與接觸長(zhǎng)度呈反比，接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)度愈大，接觸應(yīng)力愈小。在油管和抽油桿偏磨的過(guò)程中，油管偏磨部位為油管內(nèi)面，偏磨軌跡為線狀，長(zhǎng)度為抽油機(jī)沖程，在油田一般4.8米，而抽油桿偏磨部位通常為抽油桿節(jié)箍，長(zhǎng)度一般為0.2米，其有效的接觸長(zhǎng)度為抽油桿節(jié)箍長(zhǎng)度，對(duì)油管和抽油桿來(lái)說(shuō)，接觸應(yīng)力是相同的，但由于油管和抽油桿偏磨行程的不同，會(huì)造成油管抽油桿偏磨速度的不同。在一個(gè)單向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，抽油桿節(jié)箍每一點(diǎn)的偏磨行程是4. 8米，而油管每一點(diǎn)的偏磨行程是0. 2米，油管偏磨面

的接觸應(yīng)力屬于脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，與抽油桿節(jié)箍脫離接觸后接觸應(yīng)力就等于零，因而在材質(zhì)相同的情況下，油管的磨損速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抽油桿節(jié)箍，在厚度相同的情況下，理論上要磨壞20個(gè)以上的抽油桿節(jié)箍才能使油管損壞，可以通過(guò)定期更換抽油桿節(jié)箍來(lái)實(shí)現(xiàn)檢泵周期的延長(zhǎng)。

3減緩管桿磨損速度，延長(zhǎng)檢泵周期

3.1降低作用在偏磨接觸面上的載荷前面的公式已經(jīng)指出，造成偏磨的摩擦力的大小與沖次的平方成正比，降低沖次可以降低作用在油管、抽油桿接觸面上的載荷，減小接觸應(yīng)力，減緩磨損速度?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用：旋卡扶正器+普通抗磨副。加強(qiáng)新技術(shù)研究應(yīng)用，引進(jìn)彈力支撐定位扶正裝置、彈力支撐抗磨副技術(shù)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并取得了顯著效果。

3.2增大綜合曲率半徑接觸應(yīng)力的公式已經(jīng)指出，綜合曲率半徑的大小與接觸應(yīng)力成反比，在油管內(nèi)徑不變的情況下，增大偏磨點(diǎn)處的抽油桿本體與節(jié)箍直徑，可以有效地增大綜合曲率半徑，減小接觸應(yīng)力，減緩磨損速度。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，可以通過(guò)調(diào)整抽油桿組合解決這個(gè)問(wèn)題，在條件允許的情況下將偏磨部位的抽油桿提高一個(gè)級(jí)別使用，如將Φ19mm抽油桿改換為Φ22mm抽油桿，或者使用加大節(jié)箍，將原來(lái)的Φ19mm抽油桿節(jié)箍直徑加大為Φ22mm抽油桿節(jié)箍。抽油桿節(jié)箍加大，一是增大了綜合曲率半徑，二是增大節(jié)箍厚度，延長(zhǎng)了節(jié)箍完全損壞的時(shí)間。

3.3改變接觸面材質(zhì)，降低綜合彈性模量減少摩擦系數(shù)。上部近井地帶的偏磨可以通過(guò)定期更換抽油桿節(jié)箍來(lái)實(shí)現(xiàn)檢泵周期的延長(zhǎng)。針對(duì)采出液腐蝕嚴(yán)重，采取常規(guī)防偏磨技術(shù)效果差、生產(chǎn)周期短的井，選擇內(nèi)襯HDPE/EXPE油管+配套Ⅱ型接箍配套治理技術(shù)。該抗磨抗腐油管是在普通油管中內(nèi)襯高密度聚乙烯材料，內(nèi)襯層抗磨強(qiáng)度高，與鋼的滑動(dòng)磨擦系數(shù)為0·20，比鋼對(duì)鋼的磨擦系數(shù)降低0.13，能夠有效減少桿管間的磨擦磨損，內(nèi)襯材料的肖氏硬度為60～70m，耐磨性是金屬的3～5倍；內(nèi)襯材料耐腐蝕能力強(qiáng)：對(duì)酸、堿、鹽等眾多物質(zhì)具有很好的耐腐蝕性。

3.4油管損傷在線檢測(cè)。采用磁性檢測(cè)法，通過(guò)勵(lì)磁裝置磁化管桿后用磁敏感元件檢測(cè)磁場(chǎng)畸變，從而獲得局部橫向裂紋、孔洞及軸向溝槽三類缺陷信息，對(duì)偏磨腐蝕嚴(yán)重的油管予以報(bào)廢。自2010年應(yīng)用現(xiàn)已開(kāi)展22井次，油管報(bào)廢率為22·8%，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用首先避免了大段或全井更換油管造成的浪費(fèi)，其次極大減少了缺陷油管下井造成的短命井，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)結(jié)果精確定位偏磨段，增強(qiáng)了偏磨治理針對(duì)性。

3.5陀螺測(cè)斜。定向井在鉆井過(guò)程中，錄取了造斜曲線，給油井偏磨治理提供了依據(jù)，而對(duì)于地層蠕動(dòng)和鉆井過(guò)程中管柱失穩(wěn)造成的彎曲變形，部分老井則沒(méi)有錄取井身軌跡資料，陀螺曲線的測(cè)試正好填補(bǔ)了這一資料空白。應(yīng)用曲線測(cè)試數(shù)據(jù)，落實(shí)井斜角、方位角，變化明顯處加以治理，可以使方案的設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性，從而最大限度的提升治理效果。針對(duì)部分偏磨嚴(yán)重、采取治理措施效果不明顯，井深軌跡不明確井，陀螺測(cè)斜為偏磨井治理提供了有效技術(shù)支撐。

4 應(yīng)用效果

通過(guò)上述分析，2014年以來(lái)對(duì)38口抽油機(jī)偏磨嚴(yán)重井上進(jìn)行了治理，取得了較好的治理效果，平均檢泵周期延長(zhǎng)了105天，躺井井次減少17口，年創(chuàng)效益124萬(wàn)元。通過(guò)對(duì)接觸應(yīng)力的研究分析及結(jié)果的應(yīng)用，減緩了抽油機(jī)井的偏磨，降低了抽油機(jī)井躺井率，提高了檢泵周期，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)油井管桿偏磨問(wèn)題，認(rèn)真加以分析、分類，采取相對(duì)應(yīng)的配套治理技術(shù)加以解決，是治理油井偏磨，實(shí)現(xiàn)油井檢泵周期的有效延長(zhǎng)正確方法。