抽油桿柱與油管偏磨機理及偏磨點位置預(yù)測

王 帆，屈東海，張會宇

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著石油開采作業(yè)的不斷深入，石油在地層中的位置也變得更深，在一定程度上增加了石油開采的作業(yè)難度。同時，在石油開采過程中，抽油井摩擦和損耗也將會變得更加嚴重。需要注意的是，抽油桿柱和抽油管間沖運動并不十分激烈，但會不斷發(fā)生接觸和摩擦，同樣會發(fā)生較嚴重的磨損情況，這種磨損經(jīng)常發(fā)生在單側(cè)，稱為偏磨。

1 抽油桿柱與油管偏磨的原因分析

1.1 油井構(gòu)造引起偏磨

從我國采油的實際情況分析，許多油田早期開發(fā)時，油井結(jié)構(gòu)都十分簡單，以直井為主。隨著油田開采技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對該項內(nèi)容研究的不斷深入，為了更好實現(xiàn)石油資源的開采，經(jīng)常會設(shè)計一些有較大坡度的油井，這些油井在實際打鉆期間會存在構(gòu)造拐點，使原有的直徑構(gòu)造被打破，在一些特殊情況下，甚至會在井下出現(xiàn)螺旋構(gòu)造[1]。油井中的油管形狀要與井下構(gòu)造保持一致，而抽油桿柱間連接需要保持直線，這勢必會導致兩者發(fā)生接觸?？偟膩碚f，若井下出現(xiàn)了斜坡，井下的油管形狀就必須為彎曲，而抽油泵位于斜面下，也會導致抽油桿與油管會發(fā)生接觸；即使在開采作業(yè)期間采取直井方式，難以確保隨著井深增加，鉆頭與井口為同心圓，因此，直井本身在應(yīng)用過程中，也會形成向下扭曲螺旋[2]。

1.2 抽油桿柱變形

抽油桿柱材料會在長期滿負荷狀態(tài)下運行，長期運行，會導致金屬在應(yīng)用過程中呈現(xiàn)出疲勞狀態(tài)，在應(yīng)用期間會發(fā)生嚴重變形，這是作業(yè)中需要注意的一項內(nèi)容。抽油機運行期間，受外界因素影響，抽油桿柱的收縮性會變差，在實際作業(yè)過程中會加大晃動幅度，導致抽油桿與油管發(fā)生摩擦，最直觀的表現(xiàn)就是油井開采期間，抽油管運動幅度要大于抽油桿，因此，如果抽油桿在油井開采期間受外力影響出現(xiàn)了彎曲情況，在振動速度較快的情況下，兩者會形成橫向壓力，將引起偏磨情況[3]。

1.3 油井結(jié)蠟

油井結(jié)蠟現(xiàn)象是指石油蘊含的半固體和固體成分，常見的成分有瀝青、石蠟等，在石油中析出后與油管外部粘連，進而形成固體混合物。如果在石油開采期間油井發(fā)生結(jié)蠟現(xiàn)象，抽油桿應(yīng)用期間會受到液體摩擦力的影響，將會與抽油泵發(fā)生較大的摩擦阻力[4]。同時，油管內(nèi)徑與抽油桿柱外徑比例將不斷減小，這種情況會導致結(jié)蠟點摩擦力與其他部分相比更大，而抽油桿柱則會發(fā)生一定程度的彎曲，引起較為嚴重的偏磨現(xiàn)象。

1.4 其他原因

導致抽油桿柱與油管偏磨的因素有很多，除以上因素外，還包括采出采油設(shè)置、采出液影響等問題。采出液影響指的是石油物質(zhì)中的含水率，這也是石油開采作業(yè)后期無法避免的一種偏磨問題[5]。油管開采后期勢必會導致含水量增多，導致油液中水分含量不斷增多，造成井液密度不斷變大，導致抽油桿柱浮力變大；浮力變大會造成臨界壓力不斷降低，勢必造成抽油桿柱在石油開采期間發(fā)生扭曲變形。

2 抽油桿接箍與油管偏磨機理

2.1 機械磨損

受井身出現(xiàn)井斜、撓曲以及抽油桿作業(yè)期間軸向荷載影響而發(fā)生彎曲，會導致抽油桿接箍與油管直接接觸，在抽油桿上、下運動中發(fā)生機械磨損情況，嚴重影響石油開采作業(yè)的順利進行。

2.2 磨料磨損

采油作業(yè)時，油管內(nèi)充滿了大量流體，這些來自地層的流體中含有大量不同性質(zhì)的巖屑，巖屑會導致抽油桿接箍同油管發(fā)生磨損，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ夏p。

2.3 化學腐蝕

石油開采作業(yè)期間，流體內(nèi)通常含有大量的H2S、CO2等各種氣體及細菌，這些物質(zhì)都會對接箍和油管造成腐蝕，嚴重影響石油開采作業(yè)的順利進行[6]。

2.4 綜合腐蝕

各種不同類型的腐蝕作用都存在于抽油桿接箍與油管磨損中，同時，因為酸性和溫度的改變，為磨損的發(fā)生提供了良好條件，這些情況的存在都將加劇油管與接箍間的磨損。

針對抽油桿柱與油管系統(tǒng)來說，化學腐蝕和磨料磨損等問題都可以歸納為工作環(huán)境帶來的影響。需要相關(guān)人員在作業(yè)過程中特別注意的是，機械磨損是各種磨損中最為重要的一項因素，而機械磨損影響因素包括的主要內(nèi)容有井眼軌跡形狀、抽油桿柱結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)等內(nèi)容。

3 科學預(yù)測偏磨點

3.1 工程概況

在當前的石油開采作業(yè)過程中，油管偏磨問題的研究得到了普遍重視。研究的重點內(nèi)容主要包括抽油桿組合、結(jié)構(gòu)、材料，地面參數(shù)配合、懸繩旋向等多個方面。從石油開采作業(yè)整體情況分析，抽油桿偏磨與斷脫問題將會變得更加突出，這也是相關(guān)人員在實際作業(yè)過程必須要特別注意的一項內(nèi)容。例如，某油田某年內(nèi)對泵進行了1258 次檢查，其間，抽油桿斷脫占總檢查次數(shù)的7.2%。第二年，對泵的檢查次數(shù)劇增到2425 次，抽油桿斷脫上升到了9.52%。通過對實際情況進行分析可以發(fā)現(xiàn)，導致該現(xiàn)象的主要原因與井眼軌跡的復(fù)雜情況有著緊密關(guān)系。在石油開采過程中，為了能更好的完成開采工作，應(yīng)對抽油桿嚴重偏磨點位置預(yù)測方法進行深入探討，并做好相應(yīng)的分析工作。

3.2 具體預(yù)測

從工程整體情況分析，大部分情況下，井眼剖面上支反力相對較小，許多井眼剖面上只有4 個區(qū)間內(nèi)支反力較大，預(yù)測嚴重偏磨點位置情況如表1 所示。

表1 預(yù)測嚴重偏磨點位置情況

實例分析：針對158 號抽油桿在石油開采過程中的受力情況進行全面分析。通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，158 號抽油桿所在位置井眼曲率為4.2°/30 m，而撓率為8.4°/30 m，對桿柱的情況進行觀察發(fā)現(xiàn)，其在石油開采過程中發(fā)生了螺旋屈曲，并產(chǎn)生了較大的彎曲應(yīng)力。在石油開采作業(yè)過程中，因發(fā)生了失穩(wěn)情況，導致桿與管之間存在較大接觸力。在一個周期內(nèi)，桿與管的接觸位置都會發(fā)生較大改變。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在該位置桿與管間摩擦位置相對來說都不集中，由此可見，發(fā)生磨損的可能性都較大，但從實際情況來看，發(fā)生的偏磨都較輕。

通過對作業(yè)過程中的桿序26 號和桿序59 號的計算結(jié)果來看，該處桿柱始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，并且彎曲應(yīng)力較大，分析造成該現(xiàn)象的原因時可以發(fā)現(xiàn)，該問題的發(fā)生是由于井眼曲率較大。在該處，石油開采期間，抽油桿與油管兩者的位置始終保持不變，因此，兩者在石油開采時發(fā)生摩擦的概率較大。

在本次實例分析期間，容易發(fā)生偏磨的位置共有4 個，其中最容易發(fā)生偏磨位置是因為桿柱失穩(wěn)造成的，因此，在實際處理過程中，可以將扶正器加設(shè)在151 號與157 號抽桿上，這能使早期石油開采過程中發(fā)生的各種磨損得到減輕或消除。但是，通過對其他3 個位置進行對比發(fā)現(xiàn)，通過加設(shè)扶正器的方式對其他3 個位置進行處理，無法使偏磨問題得到解決。因此，利用采取防止偏磨接箍，或應(yīng)用其他類型的防偏磨裝置，才能起到消除偏磨的作用，確保石油開采作業(yè)的順利進行。

從具體情況來看，因為套管和油管都具有一定剛度，因此在井眼內(nèi)會存在一定“拉直效應(yīng)”，通過對油管軸線軌跡觀察發(fā)現(xiàn)，軸線軌跡同井眼軌跡相比則更加光滑，但預(yù)測4 個位置主要以井眼軌跡為基礎(chǔ)進行的，因此導致最終預(yù)測結(jié)果過于保守。

此外，預(yù)測偏磨點的具體位置時，可以合理借鑒計算手段。一般來說，當油田開采進入后期，井下剖面已經(jīng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時將形成的剖面土作為實際依據(jù)，從而完成對偏磨點的合理分析，確保最終分析結(jié)果的準確性與合理性[7]。例如，在問題分析期間，可以依據(jù)油桿柱作業(yè)期間的受力情況，對井眼曲度、撓率、彎曲應(yīng)力等對設(shè)計造成影響的因素進行全面分析[8]。結(jié)合多項數(shù)據(jù)，判斷抽油桿和抽油管間出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。例如。在實際采油期間，油管的材料具有一定剛度，在合理應(yīng)用配合套管時能實現(xiàn)拉直?？梢?，計算測量期間，要對誤差作用進行適當考慮，進而提高最終測算結(jié)果的準確性，保障石油開采作業(yè)的順利進行。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國對石油能源的需求量不斷增大，在一定程度上促進了石油行業(yè)的發(fā)展。在石油開采過程中，經(jīng)常遇到抽油桿柱與油管偏磨問題，對石油開采作業(yè)造成不良影響，因此，需要做好相應(yīng)的分析工作。從以往的分析情況來看，單純從抽油桿柱材料屬性分析偏磨問題，無法得到準確結(jié)果，因此要從多方面入手，綜合考慮各項影響因素，提高油田開采效率，降低能耗，確保石油開采順利進行。