酒東油田桿管偏磨研究及對(duì)策

周妍，吳曉旭，趙全，梁佳瑩，朱林(中國(guó)石油玉門油田分公司酒東采油廠，甘肅 酒泉735200)

0 引言

酒東油田隨著開發(fā)的深入，泵掛不斷加深至2 800 m左右，部分油井含水也不斷升高，近兩年因偏磨造成斷脫檢泵占總檢泵的比例較高，維修作業(yè)頻繁，油井免修期短，作業(yè)費(fèi)用增加，采油成本升高，綜合效益降低。通過統(tǒng)計(jì)偏磨井情況，偏磨的部位為抽油桿接箍和本體，位置主要集中在抽油桿的中下部。因此，針對(duì)酒東油田桿管偏磨的機(jī)理分析和防治措施研究顯得十分必要。

1 酒東油田桿管偏磨現(xiàn)狀及影響因素

抽油機(jī)井的桿管偏磨是由于抽油桿在上下沖程中與油管相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相互接觸而形成的，它受井眼軌跡、桿柱組合、采出液含水等眾多因素的綜合制約[1-2]。

1.1 桿管偏磨深度

通過統(tǒng)計(jì)，偏磨位置在1 500～2 100 m范圍內(nèi)，且泵掛深度2 200 m的偏磨井次比泵掛深度2 800 m要高，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，泵掛越深，供液越好，抽油桿與油管之間潤(rùn)滑充分，偏磨率比較低。泵掛及偏磨井次統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 泵掛及偏磨井次統(tǒng)計(jì)

1.2 井眼軌跡的影響

井斜較大的抽油井，生產(chǎn)時(shí)抽油桿柱與油管之間存在較大摩擦力。上沖程時(shí)，抽油桿與油管的上側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，下沖程時(shí)，抽油桿與油管的下側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦。距離井口越近磨損越嚴(yán)重，油管傾斜角度越大磨損越嚴(yán)重。

在狗腿度較大的地方，油管內(nèi)壁與抽油桿桿本體發(fā)生磨擦，由于偏磨面積較小，油管磨損較嚴(yán)重。抽油桿柱上部，表現(xiàn)為單面偏磨，這種偏磨能夠把油管磨穿，是偏磨現(xiàn)象中最常見也是損傷最嚴(yán)重的一種?，F(xiàn)場(chǎng)分析得出，井斜、方位角、狗腿度變化都會(huì)引起偏磨現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 抽油桿接箍影響

抽油桿接箍的外徑比抽油桿本體大，所以一旦抽油桿和油管產(chǎn)生接觸時(shí)，抽油桿接箍和油管優(yōu)先產(chǎn)生接觸，抽油桿接箍位置對(duì)油管側(cè)向壓力增大，于是摩擦力增大，長(zhǎng)時(shí)間的線面摩擦使得抽油桿接箍出現(xiàn)磨損傷害，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致脫扣。在檢泵時(shí)對(duì)酒東油田抽油桿出現(xiàn)偏磨的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)偏磨的部位大多是抽油桿接箍。接箍偏磨屬于磨損機(jī)理中的磨料磨損[3]。

磨料磨損是指硬的磨(顆)粒物或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的磨損，是表面材料發(fā)生消耗，其特征是在摩擦副對(duì)偶表面沿滑動(dòng)方向形成劃痕。國(guó)外學(xué)者提出了以切削作用為主的磨粒磨損量，其公式[4]如式(1)所示：

式中：W為法向載荷；H為硬度，其值為載荷與壓痕投影面積之比，即

1.4 油井生產(chǎn)參數(shù)的影響

偏磨井沖次多集中于3.5 次/min以上油井，說明沖次較大偏磨較嚴(yán)重。分析認(rèn)為，沖次越大，泵充滿程度相對(duì)較低，造成桿管摩擦相對(duì)較大，增加偏磨幾率。因此，對(duì)于供液能力相對(duì)較差的油井，建議對(duì)油井進(jìn)行詳細(xì)普查，將間歇供液的油井，在保證產(chǎn)量前提下，適當(dāng)增加沖程，隆低沖次。偏磨井沖次分布如圖1所示。

圖1 偏磨井沖次分布

1.5 采出液含水影響

統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映偏磨井含水普遍較高，其中含水50%的偏磨井占60%。油井含水上升，會(huì)使產(chǎn)液由原來的油包水型轉(zhuǎn)變?yōu)樗托?，因?yàn)槭ピ偷臐?rùn)滑保護(hù)，油管與抽油桿之間的接觸面磨損速度加快。同時(shí)油井井底高溫，液體中含有礦物質(zhì)、CO2、H+、Cl-及細(xì)菌等腐蝕介質(zhì)，直接與桿管接觸，會(huì)產(chǎn)生腐蝕。

在偏磨的影響下，首先抽油桿表面保護(hù)層及金屬處理層被磨去，然后偏磨處與腐蝕介質(zhì)直接接觸，再加上磨擦產(chǎn)生的熱使腐蝕加劇，增大了偏磨的破壞程度。偏磨井含水分布如圖2所示。

圖2 偏磨井含水分布

1.6 沉沒度的影響

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，沉沒度過高(過低)都會(huì)增加抽油桿與油管偏磨的幾率，沉沒度相對(duì)合理時(shí)，機(jī)抽井發(fā)生偏磨的現(xiàn)象相對(duì)較少?？梢缘贸?，沉沒度越大，抽油泵柱塞受到向上浮力也越大，油井桿管的偏磨越厲害。相對(duì)而言沉沒度太低，就容易出現(xiàn)供液不足，上沖程過程中液體不能及時(shí)進(jìn)入泵筒導(dǎo)致泵筒空載，下沖程時(shí)柱塞會(huì)空載一段距離后突然撞擊油液。同時(shí)沉沒度低，溫度下降快，液體溶解蠟的能力下降，增加抽油桿下行阻力，也會(huì)加劇桿管偏磨。

1.7 管桿結(jié)蠟影響

存在偏磨的結(jié)蠟井，結(jié)蠟厚度大部分大于3.8 mm，最厚到達(dá)10 mm，表面采出液析蠟是影響酒東油田桿管偏磨的原因之一。油井結(jié)蠟?zāi)Y(jié)減小油管及桿柱間環(huán)形空間面積，加劇“活塞效應(yīng)”，增加抽油桿柱受壓段長(zhǎng)度，即增加抽油桿與油管間的接觸幾率，使抽油桿下行時(shí)與油管間產(chǎn)生嚴(yán)重的碰撞摩擦，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致抽油桿蠟卡、管桿偏磨。偏磨井結(jié)蠟厚度分布如圖3所示。

圖3 偏磨井結(jié)蠟厚度分布

1.8 桿柱結(jié)構(gòu)的影響

目前，酒東采油廠采用的抽油桿組合結(jié)構(gòu)為三級(jí)組合結(jié)構(gòu)，直徑分別為19 mm、22 mm、25 mm。根據(jù)桿柱組合的等強(qiáng)度準(zhǔn)則，要求抽油桿組合順序必須從下到上依次是191 mm、22 mm、25 mm。在下沖程中，中和點(diǎn)以上的抽油桿始終處于拉伸狀態(tài)不會(huì)發(fā)生彎曲變形，偏磨幾率小；中和點(diǎn)以下的抽油桿，受慣性力、浮力、摩擦力等組成的向上的阻力，易發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生彎曲，此部分產(chǎn)生偏磨的幾率較大。

2 桿管偏磨措施研究

2.1 抽油桿扶正措施

抽油桿采取扶正措施，是防治桿管偏磨直接有效的一種形式[5]。

扶正抽油桿采用熱塑成型固定式，按照井斜大小設(shè)計(jì)配下，井斜在5～10°之間配下一桿一扶，井斜在10～20°配下一桿二扶，井斜在20°以上配下一桿三扶。

2.2 加重桿優(yōu)化

上沖程過程中抽油桿受到合力向上，整個(gè)抽油桿處于拉伸狀態(tài)，在此認(rèn)為不會(huì)發(fā)生桿管偏磨現(xiàn)象；下沖程過程中整個(gè)抽油桿受力不均，從而存在一個(gè)合力為零的中和點(diǎn)，中和點(diǎn)以上的抽油桿合力向上，處于拉伸狀態(tài)不發(fā)生偏磨；而中性點(diǎn)以下部分，由于受到壓力作用會(huì)發(fā)生彎曲，從而造成桿管偏磨的現(xiàn)象。因此盡量將桿柱中和點(diǎn)位置下移，能夠降低桿管偏磨現(xiàn)象的發(fā)生。

確定加重桿直徑dz，公式如式(2)所示：

式中：pμ為下沖程過程中所有向上的阻力之和(除壓差力)(N)。Lγ為單級(jí)抽油桿長(zhǎng)度，取8 m。E是抽油桿的彈性模量，大小為210 000 MPa。

計(jì)算出一個(gè)dz后，通過查詢標(biāo)準(zhǔn)加重桿直徑，以確定合適的加重桿直徑dz，標(biāo)準(zhǔn)加重桿直徑及相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)加重桿參數(shù)對(duì)照表

如式(3)所示，確定單根抽油桿的允許承受的最大壓力Pcr：

如式(4)所示，計(jì)算所需加重桿長(zhǎng)度LZ：

2.3 防偏磨接箍

根據(jù)文獻(xiàn)[6]資料，主要對(duì)不同金屬材料、不同硬度的接箍零部件進(jìn)行磨損。

試驗(yàn)方法：將兩種不同類型的接箍與J55型電阻焊接油管，放置于專用磨損裝置進(jìn)行試驗(yàn)，考慮到井下抽汲介質(zhì)的影響，采用水潤(rùn)滑并施加側(cè)向載荷。在測(cè)定摩擦力的磨損試驗(yàn)時(shí)，利用電阻應(yīng)變片測(cè)定軸向力，該力與側(cè)向載荷和摩擦方式有關(guān)，總重以重量減少來衡量接箍的磨損。試驗(yàn)各部件測(cè)量物性參數(shù)，如表3所示。

表3 試驗(yàn)各部件物性參數(shù)

(1)兩種接箍磨損量對(duì)比，表明硬質(zhì)合金鋼接箍的耐磨性高于225 HV標(biāo)準(zhǔn)接箍。

(2)油管磨損量對(duì)比，表明硬質(zhì)合金接箍與油管的磨損量更小，其耐磨性更好。

(3)側(cè)向載荷對(duì)不同接箍磨損量對(duì)比，表明硬質(zhì)合金接箍磨損量幾乎與側(cè)向載荷無關(guān)。

(4)摩擦系數(shù)對(duì)不同接箍磨損量對(duì)比，表明標(biāo)準(zhǔn)接箍磨損越來越嚴(yán)重，表面粗糙度增大。硬質(zhì)合金接箍隨著側(cè)向載荷的增大，其摩擦系數(shù)變化趨于平緩。由于硬質(zhì)合金接箍表面涂層發(fā)揮作用，所以使接箍表面粗糙度穩(wěn)定，表面摩擦系數(shù)幾乎不變。

3 防偏磨措施建議

(1)偏磨井中接箍偏磨現(xiàn)象較為普遍，因此建議防偏磨措施、優(yōu)選接箍類型，適度使用硬質(zhì)合金接箍。對(duì)于高含水、狗腿度變化大的油井，建議采用扶正注塑抽油桿減少偏磨；對(duì)于供液能力不足的油井，在不影響正常生產(chǎn)的前提下，合理調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)；對(duì)于結(jié)蠟較嚴(yán)重的油井，建議采用加藥，配合合理清蠟制度，從而達(dá)到減緩偏磨。

(2)通過中性點(diǎn)計(jì)算，2 200 m泵掛深度油井中性點(diǎn)在1 100 m深度附近，2 800 m泵掛深度油井中性點(diǎn)在1 500 m深度左右，加重桿直徑宜采用D38 mm。

(3)做好桿管設(shè)備臺(tái)賬，追蹤桿管使用年限，合理替換長(zhǎng)期服役桿管，降低檢泵頻率，延長(zhǎng)油井免修期，節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

通過分析酒東油田的桿管偏磨現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有防偏磨技術(shù)，提出可行的防偏磨措施，比如加扶正器、加重桿、防偏磨接箍等，確實(shí)有效減少了偏磨現(xiàn)象的發(fā)生，但是并不能從根本上解決任何成因的偏磨。因此，結(jié)合文章研究?jī)?nèi)容，針對(duì)單井偏磨情況具體分析，采取針對(duì)性的防偏磨措施，并優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理，從多方面入手，降低因桿管偏磨引起的檢泵作業(yè)次數(shù)，保障油田效益生產(chǎn)。