偏磨治理措施研究及偏磨與能耗關(guān)系淺析

于海山 王慶太 張建（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

桿管偏磨是影響抽油機(jī)能耗的井下節(jié)點(diǎn)，但在抽油機(jī)能耗治理措施中往往從抽油機(jī)機(jī)型、平衡度、節(jié)能控制柜等角度出發(fā)，而忽視了井下偏磨造成能耗增加的治理。隨著油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中定向井比例攀升、油田含水升高，油井桿管偏磨問(wèn)題突出，偏磨不僅成為抽油機(jī)能耗增加的重要因素，而且成為造成油井檢泵的最重要原因之一[1]。治理偏磨問(wèn)題，對(duì)降低抽油機(jī)井能耗和作業(yè)維護(hù)成本具有重要意義。因此，文章通過(guò)對(duì)偏磨機(jī)理及影響因素分析，針對(duì)偏磨治理措施進(jìn)行了深入研究，對(duì)油田生產(chǎn)降本增效具有重要的參考價(jià)值。

1 偏磨機(jī)理

偏磨是指抽油桿與油管發(fā)生滑動(dòng)摩擦，造成抽油桿及油管磨損。所以，偏磨必須同時(shí)具備相互接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)及具有摩擦系數(shù)三個(gè)條件。抽油桿與油管發(fā)生相互接觸，主要是抽油桿或油管變形所致；抽油桿與油管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也是抽油機(jī)井原油舉升的必要條件，不能避免；抽油桿外壁與油管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)取決于二者的材質(zhì)、變形大小、產(chǎn)液含水程度。在抽油桿與油管材質(zhì)不變的情況下，產(chǎn)液含水控制難度大，因此，分析桿管偏磨機(jī)理要從抽油桿與油管受力變形的角度出發(fā)，分析整個(gè)原油舉升過(guò)程中變形發(fā)生的主要原因及位置。

上沖程過(guò)程中，抽油桿承受抽油桿自身、連桿、活塞、液柱的重力，抽油桿、液柱的慣性力，井口回油壓力，活塞與泵筒的摩擦力，液柱對(duì)抽油桿的浮力等。在這些力的綜合作用下，抽油桿被拉直伸長(zhǎng)，一般不會(huì)發(fā)生彎曲；但油管受上載荷影響發(fā)生縮短甚至彎曲，并且發(fā)生變形使得偏磨的概率與上載荷大小成正比例關(guān)系。

下沖程過(guò)程中，抽油桿承受抽油桿自身、連桿、柱塞、液柱的重力，柱塞擊打液體的沖擊力、慣性力、振動(dòng)力，抽油桿和液柱的摩擦力等。在這些力的綜合作用下，抽油桿上下受力不均，出現(xiàn)速度差，使下部抽油桿發(fā)生彎曲，并且在振動(dòng)力的疊加下彎曲程度加大，進(jìn)而導(dǎo)致偏磨的發(fā)生；但油管主要受自身重力作用，向下伸長(zhǎng)，一般不會(huì)發(fā)生彎曲。

因此，偏磨主要是受力不均引起變形的基礎(chǔ)上疊加振動(dòng)載荷導(dǎo)致的，大部分偏磨的位置發(fā)生在抽油桿下部[2-7]。但對(duì)于斜井而言，造斜段抽油桿和油管發(fā)生彎曲，也是偏磨發(fā)生的重要位置[8-9]。

表1 油井桿管偏磨影響因素分析

2 偏磨影響因素

從油田生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)，總結(jié)出影響油井桿管偏磨主要有4 大類(lèi)8 項(xiàng)因素（表1）。

產(chǎn)液及含水、井斜是影響偏磨的固有因素，產(chǎn)液量下降、含水上升，桿管摩擦缺少潤(rùn)滑，加劇了磨損；斜井比例上升，造斜段偏磨較為嚴(yán)重。

結(jié)蠟、出砂、化學(xué)藥劑是影響偏磨的地域因素，受原油物性及儲(chǔ)層影響，結(jié)蠟及出砂現(xiàn)象影響油井負(fù)荷，不僅增加運(yùn)行能耗，而且加劇了桿管偏磨，影響桿管壽命；應(yīng)用化學(xué)藥劑降黏，在緩解結(jié)蠟影響的同時(shí)，化學(xué)藥劑與桿管材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶蝕表面結(jié)構(gòu)，加速了桿管之間的磨損。

舉升參數(shù)和泵掛深度是影響偏磨的參數(shù)因素，舉升參數(shù)的設(shè)置決定了偏磨的速度，通過(guò)舉升參數(shù)的調(diào)整只能被動(dòng)地減緩桿管之間的疲勞損傷；泵掛深度不僅影響桿管的長(zhǎng)度，而且還影響井底流壓，使桿管變形復(fù)雜，加速了桿管間的磨損。

桿管材質(zhì)是影響偏磨的材料因素，自身的耐磨、防腐及摩擦系數(shù)，影響發(fā)生偏磨的概率及壽命。

3 偏磨治理措施

3.1 優(yōu)化工作制度

由于地層供液能力差，泵充不滿(mǎn)，液擊現(xiàn)象導(dǎo)致抽油桿彎曲，加劇偏磨。針對(duì)供液不足井實(shí)施間歇采油，并優(yōu)化工作制度，實(shí)現(xiàn)單井個(gè)性化間歇采油制度，既保證油井在合理流壓下生產(chǎn)，避免液擊現(xiàn)象造成的偏磨問(wèn)題，又達(dá)到節(jié)能降耗目的。

3.2 優(yōu)化舉升參數(shù)

針對(duì)舉升參數(shù)過(guò)大造成的低流壓井，以“長(zhǎng)沖程、慢沖速”為運(yùn)行原則，優(yōu)化舉升參數(shù)，必要時(shí)采取換小泵措施，使抽油機(jī)井在合理沉沒(méi)度及合理抽汲參數(shù)下生產(chǎn)，既保持合理生產(chǎn)壓差，又保持較高泵效，防治偏磨。并且，針對(duì)日產(chǎn)液為2～3 t、運(yùn)行參數(shù)無(wú)法降低的井，通過(guò)采用長(zhǎng)沖程智能抽油機(jī)舉升技術(shù)和過(guò)渡輪二次減速技術(shù)，有效防治偏磨。

3.3 優(yōu)化桿管匹配

統(tǒng)計(jì)近年偏磨位置得出，偏磨主要發(fā)生在桿柱下部400 m 左右的區(qū)域，尤其集中在下部150 m 區(qū)域（表2）。所以，治理偏磨必須在桿管匹配的源頭，加強(qiáng)偏磨重點(diǎn)位置的監(jiān)測(cè)予以預(yù)防。

表2 2011—2018 年偏磨位置統(tǒng)計(jì)

對(duì)于抽油桿，采用四級(jí)桿組合（表3），對(duì)泵上易偏磨部位應(yīng)用加重桿并匹配防偏磨接箍，加重桿的應(yīng)用使桿柱中性點(diǎn)下移，降低桿柱的交變應(yīng)力，減緩彎曲變形幅度；接箍部位是桿、管偏磨的主要發(fā)生部位，防偏磨接箍的應(yīng)用強(qiáng)化了抽油桿連接部位的耐磨度。

對(duì)于油管，采用27/8in（1 in=25.4 mm）外加大油管掛短接+外加大油管+J55 平式油管+激光熔覆納米高分子涂層油管組合，對(duì)1～600 m 油管應(yīng)用外加大油管，增加油管抗拉強(qiáng)度；對(duì)泵上300 m 左右的油管應(yīng)用激光熔覆納米高分子涂層油管及多元共滲油管接箍，通過(guò)增加油管及接箍強(qiáng)度并改善管桿間摩擦性質(zhì)，達(dá)到了加強(qiáng)油管耐磨性及化學(xué)腐蝕性、降低管桿磨損的目的（表3）。

表3 抽油機(jī)舉升機(jī)、泵、桿、管優(yōu)化匹配

3.4 優(yōu)化扶正

近年來(lái)，油田開(kāi)發(fā)采用的定向井比例逐年升高，已占到應(yīng)開(kāi)井的50%以上，在這類(lèi)定向井造斜段位置的桿管偏磨情況較為嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)“十二五”以來(lái)，由于偏磨發(fā)生檢泵的井有839 口，定向井所占偏磨比例由31.0%上升到70%以上（表4），必須采用優(yōu)化扶正器的措施予以重點(diǎn)治理。同時(shí)，對(duì)直井扶正措施也需加強(qiáng)，進(jìn)一步降低檢泵比例。

表4 2011—2018 年偏磨井井別統(tǒng)計(jì)

為有效避免桿管摩擦，對(duì)抽油桿合理匹配雙作用扶正器和防滑竄扶正器，改善抽油桿彎曲軸向力的作用。一般情況下，對(duì)偏磨井200～500 m 處每根抽油桿加1 個(gè)防滑竄扶正器與2 個(gè)雙作用扶正器，500～1 000 m 處每根抽油桿加1 個(gè)防滑竄扶正器，1 000～1 500 m 處每根抽油桿加1 個(gè)防滑竄扶正器與1 個(gè)雙作用扶正器；對(duì)油管使用油管錨，抑制油管彈性伸縮變形，減小油管震蕩造成的管桿偏磨概率。

而直井在井深與供液不足的影響下，在桿的下部同樣發(fā)生偏磨。在直井的管理中，新井投產(chǎn)時(shí)不配套扶正器，發(fā)生偏磨時(shí)在偏磨段增加相應(yīng)的扶正器。因無(wú)扶正器，抽油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致偏磨的發(fā)生，在新井投產(chǎn)時(shí)，將泵上200 m 處加扶正器，可較好地防治直井偏磨。

3.5 優(yōu)化防砂

堅(jiān)持高密度纖維防砂篩管的應(yīng)用，并對(duì)出泥漿、出細(xì)砂井應(yīng)用防砂抽油泵和防砂篩管組合；對(duì)壓裂井尾追樹(shù)脂陶粒防止壓后吐砂。此外，對(duì)儲(chǔ)層砂體問(wèn)題造成的易出砂井，開(kāi)展化學(xué)防砂技術(shù)及配套防砂舉升工藝的應(yīng)用，避免出砂引起的偏磨問(wèn)題。

3.6 優(yōu)化清蠟

為降低結(jié)蠟帶來(lái)的偏磨問(wèn)題，優(yōu)化加藥措施，單井按“含水、產(chǎn)量、載荷、電流”等參數(shù)分類(lèi)管理，突出個(gè)性化加藥量、加藥制度。針對(duì)加藥受效差井，實(shí)施超導(dǎo)熱洗、高溫?zé)嵯囱a(bǔ)充，避免結(jié)蠟造成桿管偏磨。同時(shí)，對(duì)化學(xué)藥劑優(yōu)化藥劑配方，提高閃點(diǎn)，降低腐蝕性。

表5 偏磨治理措施

綜上所述，偏磨治理措施可進(jìn)一步概括為2 大類(lèi)7 項(xiàng)措施（表5）。針對(duì)偏磨影響因素可采用對(duì)應(yīng)的措施來(lái)治理偏磨，主動(dòng)措施用來(lái)預(yù)防和治理偏磨，被動(dòng)措施用于治理和減緩偏磨。

4 偏磨與能耗關(guān)系

通過(guò)以上措施應(yīng)用前后的能耗對(duì)比，初步分析了幾種偏磨因素對(duì)能耗的影響情況（表6）。

表6 偏磨與能耗情況統(tǒng)計(jì)

由表6 可知，對(duì)治理偏磨，采取不停機(jī)間抽、優(yōu)化扶正器、優(yōu)化加藥、熱洗、防砂固砂、提高閃點(diǎn)、二次減速、優(yōu)化合理流壓等措施，能耗反映的不只是偏磨造成的能耗情況，單純偏磨引起的能耗很難測(cè)算出來(lái)。而激光熔覆納米高分子涂層油管的應(yīng)用，只是對(duì)偏磨段的油管進(jìn)行了更換，改變了桿管間的摩擦性質(zhì)，其他井況條件并未改變。治理前后日耗電節(jié)約3.2 kWh，具有一定的代表性。

所以，初步得出單純偏磨因素影響日耗電3.2 kWh，能耗影響不大，更重要的是偏磨問(wèn)題造成的桿、管損傷結(jié)果，會(huì)大幅增加作業(yè)維護(hù)成本。

5 結(jié)論

1）從偏磨機(jī)理可以分析出，上沖程過(guò)程中油管上部和下沖程過(guò)程中抽油桿下部都是易發(fā)生彎曲而造成偏磨的部位。

2）從油田生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)，總結(jié)出影響油井桿管偏磨的4 大類(lèi)8 項(xiàng)因素，主要是井斜、結(jié)蠟及出砂、產(chǎn)液及含水、化學(xué)藥劑、泵掛深度、舉升參數(shù)、桿管材質(zhì)等。

3） 通過(guò)偏磨影響因素分析，從預(yù)防摩擦發(fā)生、減少摩擦次數(shù)、提高材質(zhì)強(qiáng)度、降低摩擦系數(shù)等角度出發(fā)，可采取優(yōu)化工作制度、優(yōu)化舉升參數(shù)、優(yōu)化桿管匹配、優(yōu)化扶正、優(yōu)化防砂等針對(duì)性治理措施來(lái)防治偏磨。

4）根據(jù)22 口井的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，單純偏磨因素影響日耗電3.2 kWh，能耗影響不大，治理偏磨主要是解決桿管損傷會(huì)大幅增加作業(yè)維護(hù)成本的問(wèn)題。