（机械设计及理论专业论文）抽油杆偏磨机理及防偏磨对策研究.pdf

摘要 随着油田开发进入中后期，杆管偏磨现象愈演愈烈，严重影响油田生产。针对油井 的偏磨问题，国内外石油工作者作了大量的理论研究，取得了一定的成果，各种防偏磨 措施也应运而生。但由于杆管偏磨机理的理论模型不够完善以及防偏磨措施不适等原 因，防偏磨失败的现象仍占很大比例。因此，有必要针对杆管偏磨问题开展进一步研究。 本文在分析目前杆管偏磨理论所存问题的基础上，探讨了井液流动以及接箍对抽油 杆柱受力的影响，给出了井液在抽油杆柱和油管组成环状空间中流动时产生作用力( 简 称压差力) 的计算模型，并对其影响因素进行了分析。 综合考虑杆柱的各种受力，给出了杆柱中和点以及轴向力的计算方法，分析了井斜 等井身因素，冲程、冲次等运动动力学因素，井液粘度等井液因素对杆柱受力的影响。 并通过石油矿场实例验证了压差力对悬点载荷以及杆柱中和点有较大影响，因此压差力 不可忽略。这些分析对揭示抽油机井的杆管偏磨机理有重要作用。 在机理研究的基础上对解决杆管偏磨的技术及配套工艺技术进行研究。提出了一种 新的基于动压润滑原理的防偏磨技术，通过特定结构的防偏磨工具，使抽油杆和油管之 间形成收敛楔形间隙。通过建立动压润滑方程以及实例验证，证明了基于动压润滑原理 的防偏磨技术能阻止抽油杆柱与油管直接接触，可以提高油井的免修期。 关键词：杆管偏磨，井液流动，中和点，轴向力，动压润滑 s t u d yo nt h em e c h a n i s mo fs u c k e rr o dp a r t i a l w e a ra n d t h ec o n t r o lm e a sur e l i uc h u n h u a ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f l i uf e n g a b s t r a c t a st h eo i l f i e l dd e v e l o p m e n te n t e r i n gi n t om i d d l ea n dl a t e rp e r i o d s ，t h ep h e n o m e n o no f r o da n dt u b ep a r t i a l - w e a rg r o wi n t e n s e l y ，s e r i o u s l ya f f e c to i lp r o d u c t i o n t o w a r d i n gt h e p r o b l e mo fr o da n dt u b ep a r t i a l w e a r ，t h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lp e t r o l e u mw o r k e r sh a v e m a d eal a r g ea m o u n to ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，h a v i n gm a d ec e r t a i na c h i e v e m e n t v a r i o u sk i n d s o fm e a s u r e sa n t i - p a r t i a lw e a re m e r g e d b u tb e c a u s et h et h e o r e t i c a lm o d e la b o u tt h e m e c h a n i s mo fr o da n dt u b ep a r t i a l w e a rw a sn o tp e r f e c te n o u g h ，a n dt h em e a s u r e sa n t i - p a r t i a l w e r en o ts u i t ，t h ep h e n o m e n o no fa n t i - p a r t i a lf a i l e ds t i l lt a k el a r g ep r o p o r t i o n s o ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yf u r t h e rt o w a r d i n gt h ep r o b l e mo fr o da n dt u b ep a r t i a l w e a l t h i sa r t i c l ew a so nt h eb a s i so fa n a l y s i so fr o da n dt u b ep a r t i a l w e a l a tp r e s e n t ，h a v i n g p r o b e di n t ot h ee f f e c to fo i lf l o wa n dc o l l a ro nt h er o d sf o r c e ，p r o v i d e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l o ff o r c eg e n e r a t e db yt h eo i lf l o w i n gi nt h ea n n u l a rs p a c em a d eu po fs u c k e rr o da n dr u b e ( a b b r e v i a t e da sd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef o r c e ) ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fd i f f e r e n t i a l p r e s s u r ef o r c e c o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l yv a r i o u sf o r c eo fs t r i n g ，h a v ep r o v i d e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f s t r i n g sn e u t r a lp o i n ta n da x i a lf o r c e ，a n a l y z e dt h ew e l lb o r ef a c t o r s ，s u c ha sw e l ld e f l e c t i o n ， e t c t h ed y n a m i c a lf a c t o r s ，s u c ha ss t r o k ea n dp u m p i n gs p e e d ，e t c t h eo i lf a c t o r s ，s u c ha s v i s c o s i t y , e t c h a v ei n f l u e n c eo nt h es t r i n g sf o r c e b e s i d e s ，t h i sa r t i c l eh a sp r o v e dt h a tt h e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef o r c eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep o l i s h e dr o dl o a da n dt h es t r i n g sn e u t r a l p o i n t ，s o ，t h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef o r c ec a n tb en e g l e c t e d t h e s ea n a l y s i sa r ei m p o r t a n tf o r r e v e a l i n gt h em e c h a n i s mo fr o da n dt u b ep a r t i a l - w e a ro fp u m p i n gw e l l o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ep a r t i a l - w e a rm e c h a n i s m ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h e t e c h n o l o g ya n t i p a r t i a lw e a ra n dr e l a t e dt 0 0 1 t h ea r t i c l eh a sp u tf o r w a r dan e wt e c h n o l o g y a n t i p a r t i a lw h i c h u t i l i z e dt h ep r i n c i p l eo fh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，u s i n gt o o l 谢t 1 1s p e c i a l s t r u c t u r e ，e n a b l e dt h ec o n v e r g e n tw e d g e l i k eg a pf o r m e db e t w e e nr o da n dt u b e f i n a l l y , t h r o u g hs e t t i n gu pe q u a t i o no fh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o na n de x a m p l ea n a l y s i s ，h a sp r o v e d t h et e c h n o l o g ya n t i p a r t i a lw h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nc a n p r e v e n tr o dc o n t a c tf r o mt u b e ，a n dc a l li m p r o v e t h er e p a i rf r e ep e r i o do fo i lw e l l k e yw o r d s ：r o da n dt u b ep a r t i a l - w e a r , o i lf l o w ，n e u t r a lp o i n t ，a x i a lf o r c e ，h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：r 期：2 0 0 年6 月2 日 学位论文使用授权书 本入完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：立1 3 盔盏 指导教师签名：室： 坐垒 j 日期：2 0 0 宇年6 月2 日 日期：姗多年6 , 9 21 9 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 本文研究的目的及意义 第一章绪论 有杆抽油是采油工程中占主导地位的人工举升方式。抽油杆是有杆抽油系统的 重要设备，是抽油机和抽油泵间承受载荷、传递运动的重要部件。由很多根抽油 杆和接箍组合而成的抽油杆柱，上端与抽油机驴头下部的悬绳器相连接，下端与 抽油泵柱塞相连接，使抽油泵柱塞随着抽油机驴头悬点一起作上下往复运动，达 到抽汲地下原油的目的。 抽油井中的摩擦与磨损是近年被广泛讨论的困扰油井生产的热点问题。抽油 杆与油管间的相对运动是发生在冲程范围内的往复运动，运动通常在1 。5m s 以 下，属于低速运动，在此范围内如果发生杆管间的接触，则将产生摩擦现象，即 通常所说的杆管偏磨。由于抽油杆柱承受交变载荷的作用，以及井斜套变、采油参数 等因素的影响，由理论分析和矿场的使用情况表明：在有杆泵抽油系统中，大部分抽油 机井均存在不同程度的杆管偏磨现象。 在油田开发初期，井液含水较低，杆管的偏磨不太严重，只有在少数斜井中才会出 现，并没有引起人们足够的重视。目前我国大部分油田都已经进入开发中、后期，油井 含水在7 5 以上。油田井液含水大幅度上升，使得抽油井杆、管之间的润滑环境逐渐恶 化，加上侧钻井、斜井的增多等多种因素的综合作用，使得偏磨现象曰趋严重，甚至在 直井中杆管的偏磨也相当严重。 由抽油机井杆管偏磨造成的直接后果就是油井的免修期大大缩短，大量的杆管材料 早期报废，增加了大量额外的油井作业工作量及作业费用；作业停产还造成了油井的产 量降低；偏磨还会增加杆、管之间的摩擦阻力，造成能耗增加，抽油井系统效率降低。 以胜利油田为例，据统计，胜利油田现开井约1 3 万口，其中抽油机井占到了8 5 左右， 存在杆管偏磨的井占抽油井开井数的3 0 左右，因抽油杆、油管偏磨造成的油井维护工 作量占油井全部维护工作量的5 0 6 0 ，并造成每年约上亿元的杆管材料费的损失乜1 。 针对油井的偏磨问题，国内外石油工作者作了大量的理论研究，取得了一定的成果， 各种防偏磨措施也应运而生。目前，各油田对杆管偏磨的治理已经取得了一定成效，但 由于各种原因，防偏磨失败的现象仍占很大比例，杆管偏磨问题仍然是影响油田生产的 主要问题。其中有防偏磨措施不适的原因，但归根结底是由于对杆管偏磨力学机理认识 第一章绪论 不清造成的。已有杆管偏磨机理的理论模型不够完善，尚不能很好的满足油田生产的实 际需要。 可见，开展偏磨机理研究，特别是开展杆、管受力基本情况的研究，对指导杆管偏 磨治理，有着重要意义。本文将针对不同条件下的抽油机井偏磨问题进行研究，探讨接 箍效应以及井液的流动对抽油杆柱受力的影响规律，分析井斜等井身因素，冲程、冲次 等运动动力学因素，井液粘度等井液因素对偏磨的影响，探究抽油杆失稳的规律，在此 基础上，揭示出抽油机井的杆管偏磨机理。 在机理研究的基础上对解决杆管偏磨的新技术及配套工艺技术进行研究。提出了利 用液体动压润滑原理进行防偏磨的新技术，在抽油杆和油管之间形成液体动压膜，该动 压膜不但可以阻止抽油杆柱与油管直接接触，而且具有润滑作用，可以降低杆、管之间 的摩擦系数，理论上可以消除杆管偏磨，以实现延长高含水期偏磨井免修期的目的。 1 2 杆管偏磨研究现状 1 2 1 杆管偏磨特点 研究杆管偏磨的机理以及防治技术，首先要了解杆管偏磨的特点。杆管偏磨的程度、 位置等特点虽然因各个油田而异，但也有以下几个共同特征吲： 1 ) 井液含水在7 5 以上的油井，不论是直井还是斜井，普遍存在杆、管偏磨现象。 井深、井斜度大，套管井段存在拐点的油井偏磨严重。 2 ) 随着泵挂深度的增加，偏磨井数及其在同类井中所占的比例均大幅度增加。 3 ) 从沉没度的分布情况来看，偏磨井主要集中在低沉没度的油井上。 4 ) 抽油杆偏磨井的抽汲参数( 冲程和冲次的乘积) 相对较高。 5 ) 从偏磨的深度范围来看，抽油杆柱和油管柱偏磨位置主要集中在杆、管柱的中、 下部，一般在泵以上8 0 0 m 以内。 6 ) 在抽油井的偏磨井段抽油杆接箍大多存在偏磨，本体偏磨严重的仅占一少部分， 接箍偏磨严重的井段所对应的油管存在明显磨损。 7 ) 从偏磨部位外观看，抽油杆表现为接箍或本体一侧被磨平，严重者抽油杆螺纹 被磨平；油管表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽，甚至被磨穿。 1 2 2 杆管偏磨产生机理的定性分析 理论研究表明，杆管磨损速度受井身结构、杆管组合、生产参数、原油物性等诸多 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因素的影响，是各种因素共同作用的结果。 1 、井身结构造成杆管弯曲偏磨 在无技术套管的油井中，实际的井身结构并非完全是直线，油层套管在一定程度上 存在螺旋弯曲，因此油管、抽油杆在井筒中所呈现的工作状态是直线状态或曲线状态， 完全受井身结构的约束。在呈现空间曲线的套管中，油管是弯曲的，抽油杆与油管相互 接触是不可避免的h 1 。 油田生产油井有直井和斜井两种，直井与垂直方向一致，而斜井与垂直方向成一定 角度。对于斜井，在造斜点一定范围内，油管是弯曲的，抽油泵一般安置在造斜点以下， 因此在造斜点处，抽油杆与油管必然发生接触摩擦，导致杆管磨损。对于直井，由于目 前钻井技术的限制，在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差， 井筒成为一条弯曲扭转的曲线，出现自然井斜，由此造成杆管磨损阳1 。 开发地层段如果在盐层或盐膏层，在地下高温、高压和地面注水的影响下这种地层 会发生蠕变，形成对套管的挤压作用。这种压力在2 0 0 0 m 以下井段中可达1 9 0 m p a 以上， 远远超过上覆地层岩石的压力，使原来较直的井眼轨迹发生变形而弯曲田3 。疏松砂层， 油藏地区出砂严重，引起地应力和局部变化所产生的均衡挤压力，也会使井眼轨迹发生 变形。其结果是造成油管弯曲变形，在采油过程中导致杆管偏磨。 2 、杆管弹性变形造成弯曲偏磨 抽油杆的纵横弯曲和失稳变形是造成杆管偏磨的基本原因。抽油机在运行过程中， 抽油杆柱在交变载荷的作用下会产生弯曲变形。上冲程时，液柱载荷由油管转移到抽油 杆上，中和点以下的这一段油管因卸载而发生弹性收缩产生螺旋弯曲，造成抽油杆、油 管相互接触摩擦。其相互接触摩擦又增加了抽油机光杆载荷，抽油杆接箍通过油管接箍 时将产生强烈的震荡产生振动载荷，同时又增加了抽油杆上行时对油管的横向压力，增 加了上行的摩擦阻力，加剧杆管的偏磨损伤n 0 | 。 下冲程时，液柱载荷由抽油杆柱转移到油管上，抽油杆卸载发生弹性收缩产生螺旋 弯曲。下行时还将受到柱塞与泵筒间摩擦阻力及液流通过柱塞产生的阻力和井液对抽油 杆的浮力，因此抽油杆柱下部容易发生失稳弯曲，造成杆、管相互接触摩擦形成偏磨。 这种相互接触摩擦所造成的偏磨损伤随泵深的增加、含水的上升( 矿化度增高) 、沉没度 的降低、生产参数( 冲次偏高) 、管柱的原始压缩弯曲等因素的影响越来越严重。 3 、采出液的影响造成偏磨 产出液含水率越高，偏磨越严重。含水率高造成井液密度增加，从而增大了抽油杆 第一章绪论 柱的浮力，使抽油杆柱屈曲的临界压力降低，抽油杆柱较容易弯曲，增加了杆管偏磨的 可能性。原油含水的升高对抽油杆偏磨的影响主要表现在两个方面1 ： 第一方面，含水升高，使抽油杆腐蚀加重。腐蚀破坏是由抽油杆表面部分的金属与 井液中的腐蚀成分产生化学反应造成的。井液中包含着不同的腐蚀成分，并随地层条件 的不同自然腐蚀危害也不断变化。基本的腐蚀成分有：脱硫油液、含硫液、电解和细菌。 在低含水条件下，没有或只有少部分游离水与抽油杆表面接触，产生的腐蚀很小；而随 着含水的升高，当油井产出液含水大于7 4 0 2 时，产出液由油包水型转换为水包油型n 羽， 杆、管表面失去了原油的保护作用，产出水直接接触抽油杆和油管，水中离子和细菌的 存在使井液对抽油杆的腐蚀加重。 第二方面，含水升高，增大了抽油杆与井液之间的摩擦系数。原因是产出液含水率 低时，杆管摩擦处于良好的油润滑状态。动摩擦因数较小，磨损较轻；产出液含水高时， 杆管摩擦处于水润滑状态，动摩擦因数大大增加，加快了杆管磨损。在理想状态下( 产 出液混合均匀) ，当产出液含水大于7 4 0 2 产出液由油相转为水相，动摩擦因数加大。 而且摩擦的润滑剂由原油变为产出水，失去了原油的润滑作用，抽油杆和油管内壁磨损 速度加快，磨损严重。 偏磨和腐蚀并不是简单的叠加，而是相互作用，相互促进，二者结合具有更大的破 坏性。杆、管偏磨使表面氧化膜保护层或防腐层脱落，在井温和摩擦产生的热能作用下， 使杆、管表面铁分子活化，而产出液具有强腐蚀性，使偏磨处优先被腐蚀n 引。由于偏磨 表面被活化，成为电化学腐蚀的阳极，从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，而产出 液是强电解质具有强腐蚀性，对电化学腐蚀起催化作用，更加剧了腐蚀，阳极被牺牲， 即被腐蚀处偏磨加剧。由于腐蚀，使杆、管偏磨表面更粗糙，从而磨损更严重。 4 、油井参数的影响造成偏磨 冲程、冲次、沉没度以及泵径都会影响杆管偏磨。在理想状态下，抽油杆全部重量 应该加载到抽油机驴头上，上、下冲程换向时抽油杆下行速度与驴头速度同步，抽油杆 柱处于拉伸状态。但在实际生产中，抽油杆下行受到井液的阻尼作用、杆管以及柱塞与 泵筒之间的摩擦阻力。为了提高产液能力，由于生产参数不合理，相当一部分油井由于 冲次过快，抽油杆下行速度滞后于驴头的运动速度，造成中和点以下的抽油杆几乎全部 处于受压状态，产生失稳屈曲变形，弯曲变形的抽油杆与油管发生接触摩擦，进一步加 剧了偏磨的严重性丛h “1 。泵径越大，抽油杆下行受到的阻尼力越大，抽油杆发生弯曲变 形的可能性越大，杆管偏磨的几率也越大。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 5 、井口回压和井口盘根对偏磨的影响 油井井口回压的存在，无疑增加了抽油时的悬点载荷，当井口回压增加时，相当于 增加了抽油杆的重力，上冲程悬点载荷增加，下冲程载荷降低。井口回压过高，悬点载 荷增大，亦可造成泵的漏失。在井偏角作用下，会导致抽油杆与油管偏磨加剧n 引。当井 口盘根压得过紧，盘根与光杆间摩擦力增大，上冲程时加剧了抽油杆的弯曲。特别是在 杆较细，下泵较深，泵柱塞与衬套配合间隙较小时更会加剧杆管的偏磨。生产中，应使 盘根上紧程度适中，既保证不漏油也不过紧，以减缓偏磨。 6 、油井结蜡对偏磨的影响 油井结蜡对抽油杆柱受到的液体摩擦力、柱塞与泵筒间的摩擦力以及液体通过游动 阀时的阻力影响较大。当抽油杆或油管结蜡时，油管内径与抽油杆外径比值减小，致使 经过结蜡点的抽油杆所受的液体摩擦力大于其它部位受到的摩擦力，极易导致结蜡点上 部的抽油杆柱产生弯曲，从而发生偏磨n 们。 1 2 3 杆管偏磨机理的定量分析 杆、管偏磨机理的定量分析就是应用力学知识分析抽油杆柱的偏磨机理、压杆稳定 性，验证杆管偏磨点以及抽油杆柱屈曲是否与实际相符，确定中和点及偏磨段长度随泵 径、泵深、沉没度、生产参数、原油物性等因素的变化情况。 1 9 5 0 年，l u b i n s k i n 刀首先研究了钻柱在垂直井眼中的平面( 正弦) 屈曲，并根据钻柱 的受力和变形分析，导出了钻柱的屈曲方程： 害似a y ，+ c l ：0 ( 1 - 1 ) 出3出 17 同时给出了方程( 1 1 ) 的级数解。并利用边界条件推导出了该方程的临界屈曲载荷： f c , = k m q ( 1 - 2 ) l u b i n s k i 还给出了钻柱在井眼中的屈曲形状、切点位置的确定方法、屈曲后钻柱的变形、 弯矩的变化以及弯曲应力等。 后来，l u b i n s k i 和w o o d s n 踟对管柱在斜直井中的屈曲进行了模拟实验，经过实验观 察到了管柱在井眼中的螺旋屈曲现象以及井斜角对管柱临界屈曲载荷有较大影响。他们 通过对实验数据的拟合，得到了管柱在斜直井发生螺旋屈曲临界载荷的计算公式： f c r = z s 5 ( e i ) 0 5 0 4 q 0 4 0 6 f 业1 ( 1 - 3 ) 第一章绪论 1 9 6 4 年，p a s l a y 、b o g y n 鲫等利用能量法对管柱在斜直圆井中的稳定性进行了理论分 析，导出了管柱在斜直井眼中发生正旋屈曲的临界载荷计算公式： 耻尚尚( 毋+ 嘉警( 圳 m 4 ， 其中，r 泊松比，一般取v = l 3 。他们指出，由于轴向压力随着油井深度增加而增大， 杆柱压力失稳后的振幅也随着杆的深度增加而增加，而振荡周期则随着杆的深度增加而 减小。 1 9 7 5 年l u b i n s k i 等人求出了杆柱在垂直并下产生一、二次螺旋屈曲的临界载荷； 但对杆柱产生多次屈曲的临界载荷没有进行研究。在实际作业中，因杆柱下部所受力远 大于二次屈曲临界载荷，杆柱已发生了多次螺旋屈曲，这时多次屈曲临界载荷和偏磨点 位置已无法确定。 8 0 年代以来，有不少学者分析受压杆柱在水平井、斜井和竖直井中的失稳螺旋屈曲 问题。他们的研究都证实了井下杆柱在压力屈曲后，随着载荷的增加，杆轴线逐渐由正 旋曲线形状变为螺旋线形状。其中m i t c h e l l 呦3 等虽然对杆柱在井眼中的稳定性及螺旋屈 曲进行研究，得出了发生多次螺旋屈曲的临界载荷，但却无法得出杆柱屈曲变形后偏磨 点的位置，以及杆柱屈曲变形后的形状和屈曲变形规律。m i t c h e l l 还得到了在大变形情 况下受压杆柱屈曲后的挠度曲线的微分方程。 进入9 0 年代，随着丛式井、定向井及水平井钻井、完井技术以及挠性油管技术的 不断完善和发展，开展了管柱在水平井眼以及弯曲井眼中的稳定性和屈曲行为的分析和 研究。 j i a n gw u 、j u v k a m w o l d 乜妇对水平井中管柱的扭曲行为进行了理论分析和实验研究， 发现管柱在由稳定性状态一正弦屈曲一螺旋屈曲的形成过程中，摩擦力的影响可以忽略 不计，然而一旦完全形成螺旋屈曲后，摩擦力将急剧增加，严重时会发生自锁现象。后 来他们又对斜井中的管柱屈曲和自锁进行了研究，分析了斜井中的正弦屈曲和螺旋屈曲 以及由于屈曲引起的自锁。 x i a o j u n h e 、k y l l i n g t a d 心通过类比分析认为：屈曲前井壁对管柱作用的法向支反力 是决定管柱临界载荷的一个主要因素。并且得到管柱在弯曲井眼中相应的临界载荷的计 算公式： 以= ( 等) ( q s i n ( a + f 詈) 2 + ( f s i n 伊警) ( 1 - 5 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 = 4 时为正弦屈曲，= 8 时为螺旋屈曲。 1 9 9 4 年，s u r y a n a r a y a n a 和m c c a n n 瞳3 1 对摩擦影响受横向限制的屈曲和后屈曲行为进 行了实验研究。由管柱在定向井和水平井中的数字信号的分析表明，摩擦极大地延迟了 屈曲( 包括正弦屈曲和螺旋屈曲) 的开始，对后屈曲行为也引起了显著的滞后现象，与 此对应，卸载力往往小于加载力。他们在实验研究基础上对已有理论进行了重新修正， 并对实际操作和油田应用的限制进行了讨论。 p a s l a y 对钻柱的应力问题作了分析，他将重点放在受扭的钻柱上，对钻柱静力、动 力的应力均作了分析，同时也指出了以前工作中存在的缺陷。1 9 9 8 年，w e i y o n gq i u 啤3 运用拉格朗日算子逼近法( l a g r a n g em u l t i p l i e ra p p r o a c h ) 分析了直井、斜井和连续弯曲 井眼中的管柱和井壁的作用力，给出了管柱发生正弦屈曲和螺旋屈曲时对应的管柱和井 壁之间的接触力( 压力) 的计算公式。同时w e i y o n gq i u 乜司用能量法对连续弯曲井眼中 的钻柱( 挠性管) 的屈曲行为进行了分析，给出了管柱开始发生屈曲时的载荷表达式： c = 等i ir r 2 w s i n a 1 。m 6 ， 稳定的正弦屈曲载荷的表达式： p = 半l 1 4r r 2 w s i n a ，i ( 1 - 7 ， 艘 il 7 以及临界螺旋屈曲载荷的表达式：i e ：讣r r 2 习w s i n a ( 1 - 8 ) 与国外研究成果相比，国内在这一方面的研究工作起步较晚。8 0 年代初，张宁生、 曾宪平、江汉采油工艺研究所等结合h a m m e r l i n d l 、l u b i n s k i 等人的文献对封隔器管柱 的受力、应力等变形分析方法进行了系统地介绍。1 9 8 8 年，龚伟安用弹性力学方法分析 了液压作用下管柱的屈曲问题。 9 0 年代期间，国内的高德利、高国华、崔孝秉乜榭1 也曾对井下管柱的力学屈曲问题 进行过深入研究，但主要研究的是单纯无重管柱的屈曲问题，而没有考虑管柱共同作用 下的力学屈曲运动配合问题。1 9 9 4 年以来，高国华啪3 教授对管柱在井眼中的屈曲行为进 行了较为系统的研究，建立了正弦和螺旋屈曲的数学、力学模型。通过对微元体的受力 分析，由静力平衡方程、变形几何方程和物理方程导出了管柱在弯曲井眼中的三维屈曲 方程： 7 第章绪论 警+ 芸 i 刍一6 ( 警) 2l 警 + 岳s t n 秒= 。 m 9 ， 这是一个四阶的非线性微分方程。该方程有三种不同形式的解，分别对应于管柱的稳定 状态、正弦屈曲状态和螺旋屈曲状态。 焦永树、张永宏、张焱等汹3 分别研究了流体流动、接触压力、振动对管柱屈曲行为 的影响，但没有考虑抽油杆的屈曲问题。1 9 9 9 年，刘凤梧和徐秉业咖3 曾研究了受压扭作 用的杆柱在水平井中的屈曲问题。 2 0 0 0 年，陈洁和李尧臣d 妇研究了在最一般情况下受压杆柱在水平井、斜井和竖直井 中的屈曲问题，并利用有限单元发求得了初始屈曲时的临界压力和杆柱的轴线形状。并 进一步利用最小势能原理研究了圆截面杆柱在曲线井中的屈曲问题，得到了受压杆柱在 圆弧形井中屈曲的非线性微分方程及相应的本质边界条件和自然边界条件，并利用有限 单元发求得了初始屈曲时的临界压力和杆柱的轴线形状。 最近，从蕊、董世民b 2 1 就直井中抽油杆柱产生多次螺旋屈曲变形的临界力、屈曲变 形后偏磨点的位置、抽油杆柱屈曲变形后的杆柱形状、屈曲变形规律和失稳临界条件等 进行了研究，但没有考虑管柱的屈曲问题和管柱内外流体压力和流动的影响，因此理论 模型也不完善，无法在实践中指导杆管偏磨问题的防治。 从上面的分析综合来看，目前对杆管偏磨机理的研究大多还只是简单地、定性地描 述了产生杆管偏磨的原因，而具体到实际某一口井产生了杆管偏磨，却不能定量地描述 各种偏磨原因对该井杆管偏磨的影响程度，而且不能准确表达各因素对偏磨的影响规律 和各因素间的相关关系。杆管偏磨主要是由于抽油杆、油管发生屈曲变形造成的，而目 前对抽油杆屈曲性能理论的研究大多是把抽油杆柱假设为一等截面积杆，忽视了接箍的 影响，以及井液流动对抽油杆柱受力的影响，导致得到的理论模型尚不能很好的指导杆 管偏磨的防治。可见，有必要进一步开展偏磨机理研究，特别是开展杆、管受力基本情 况的研究，这对指导杆管偏磨治理，有着重要意义。 1 2 4 防偏磨技术研究现状 有杆泵井的杆管偏磨问题，我国在9 0 年代初开始引起重视，1 9 9 0 年冯耀忠做过有 关延长有杆泵井免修期措施的研究。9 0 年代以来，随着我国大部分油田逐渐进入中、后 期开采阶段，有杆泵井的杆管偏磨问题日益突出，因此有关杆管偏磨防治对策的研究也 逐渐成为热点。国内外科研工作者对偏磨的防治对策作了大量的研究工作，各种各样的 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 防偏磨技术应运而生，这些防偏磨技术可以分为减小杆柱屈曲类、降低摩擦系数类、均 匀磨损类、抗磨类及其它方法，下面将分别加以介绍。 l 、减小杆柱屈曲类 杆柱的正弦屈曲和螺旋屈曲是产生杆管偏磨的直接原因，减小杆柱屈曲可以减少偏 磨。这类技术主要有抽油杆下部加重技术、油管锚定技术和低坐封封隔技术。 抽油杆下部加重技术是在抽油杆柱底部下加重杆，使抽油杆柱中和点下移，确保杆 柱在上下冲程中始终处于受拉状态，减轻或消除抽油杆的螺旋屈曲。该方法可以改善杆 柱受力状况，对减缓杆管偏磨有一定的效果，但只适用于偏磨不严重的油井，而且目前 对加重杆的选用长度尚不能准确把握3 1 。 油管锚定技术是指通过锚定器，将油管下端锚定在套管上，保证油管在受交变载荷 作用时，油管的蠕动变形降到最低，减轻杆管偏磨；但该技术大多靠油管内外在抽吸条 件下逐渐建立起的液柱压差使油管锚定器动作，锚定于套管，所以可靠性差1 。 低坐封载荷封隔技术即在需要封层的油井应用低坐封载荷封隔器( 坐封载荷为 2 0 4 0 k n ) ，同时配套应用坐封吨位控制器，使泵上油管处于受拉状态，这样可防止泵 上油管因受压而屈曲，从而减轻杆管偏磨m 1 。 2 、避免杆管接触类 避免杆管接触的最好方法是在杆管偏磨段的抽油杆上安装抽油杆扶正器、扶正接箍、 以及扶正环等。通过扶正器与油管的接触来避免杆管直接摩擦。 由于科学技术的不断进步，防偏磨配套的扶正器也不断发展，由钢质的逐步发展到 耐高温、耐磨损的尼龙材料，并且结构发展更合理、更科学。先后出现的扶正器有：钢 质扶正器，尼龙扶正器，热固式扶正器。 1 ) 钢质滚轮式防偏磨扶正器，这种扶正器出现在2 0 0 0 年以前，原理很简单，完全 靠3 组滚轮的滚动和滑动实现防偏磨。虽然具有一定的防偏磨作用，但是滚轮轴很容易 磨坏，造成卡抽油杆的事故，同时也影响油井的正常生产，因此，这种扶正器的使用量 很小，基本没有推广。具体形状如图1 1 a 所示。在滚轮式扶正器结构上进一步改进，出 现了钢质滚珠式防偏磨扶正器副，具体形状如图1 1 b 所示。克服了滚轮扶正器的滚轮 轴易断的问题，在一定程度上延长了扶正有效期，但是随着有效期的延长，又出现了新 的问题，即滚珠槽被磨掉，使滚珠散落，扶正器失效，同时也可能造成卡抽油杆、卡泵 事故，所以这种抽油杆扶正器在现场的推广面也较小。 9 第一章绪论 a 滚轮式b 滚珠式 l 一短节；2 一滚轮：3 一主体：4 一滚珠 图1 - 1 钢质防偏磨扶正器 f i 9 1 - 1 t h es t e e lc e n t r a l i z e r a n t i - p a r t i a lw e a r 2 ) 尼龙扶正器是在钢质扶正器的基础上，彻底改变了材质，使扶正器的本身发生 了质的飞跃。分瓣尼龙扶正器( 见图1 - 2 a ) 是将尼龙扶正器分成两瓣，这两瓣尼龙扶正 器上分别有公母相互配合的凹凸槽，利用尼龙v 6 这种材料的弹性，可以卡在抽油杆的 任何一个需要的位置。短节式尼龙扶正器( 见图1 - 2 b ) 在分瓣扶正器的基础上进行了改 进，将扶正器整体固化，脱模后留在抽油杆短节上，并且整体可以旋转。尼龙扶正器与 钢质扶正器相比具有明显的特点：( 1 ) 尼龙的强度与油管相比要小一些，这样对油管无 伤害；( 2 ) 耐磨强度高；( 3 ) 磨后呈粉末状，粉末被油流携带走，因此无碎渣，不卡泵。 但尼龙扶正器被磨薄后抗挤强度变差，出现了磨薄后被挤碎的情况，而且在偏麽井段长 的情况下增加了许多连接部位，扶正间距过大，增加了抽油杆的断脱几率5 驯。 厂 厂f| 7 o n _ 、l1 j i 、 2 t ，、 a 分瓣式b 短节式 卜分瓣扶正体：2 一抽油杆；3 一旋转扶正体；4 一短节本体 图1 2 尼龙扶正器 f i 9 1 2 t h em y i o nc e n t r a l i z e r 3 ) 热固式尼龙扶正器口7 1 ( 见图1 3 ) ，根据热固工艺的原理，直接将扶正器固化在 l o 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 抽油杆上，使抽油杆与扶正器形成一个整体，并且根据井下的偏磨状况，将扶正器固化 粘结到距离抽油杆接箍1 1 5 m 处。这样，下到偏磨井段后扶正器均匀分布，使用后防 偏效果明显，而且还克服了磨薄后被挤碎的缺点。 卜尼龙扶正体；2 一抽油杆 图1 3 热固式尼龙扶正器 f i g l 一3t h et h e r m o s e t t i n gm y l o nc e n t r a l i z e r 这些扶正器虽然起到了防偏磨作用，但在结构设计，加工质量上存在许多缺陷，不 同程度地造成井下事故，主要缺陷是：钢质扶正器易造成卡抽油杆、卡泵事故；尼龙扶 正器被磨损后也容易造成泵卡；活动式扶正器的两部分紧锁在抽油杆体上，经过一段时 间磨损后，预紧力不够，扶正器易在杆体上滑动，最后脱落；旋转式扶正器以丝扣连接 在抽油杆上，拆装方便，价格偏贵，锯齿易破碎脱落，安装位置只有是在抽油杆接头上， 扶正器间距不易控制；扶正接箍是在抽油杆的接箍上，增加了尼龙扶正体，由于受抽油 杆接箍及油管内空间限制，尼龙体较薄，磨损后易从接箍上脱落造成泵卡口7 1 。 采用较软的抽油杆导向器，如注塑成型的或由树脂和惰性填充物制作的抽油杆导向 器，可以防止抽油杆接箍与油管壁直接接触。如图i - 4 为一种抽油杆万向导向器的结构 图，该装置的上、下体之间可以相对旋转，旋转幅度为圆周任意角度及无限的圈数； 同时上、下体还能轴向弯曲，沿轴线方向任意偏转倾斜成一定的角度；并能实现旋转及 弯曲的复合动作。使联接的抽油杆具有多变的活动铰点。但导致液流阻力大、出现新的 偏磨区等问题。 卜下接头；2 一止退销钉，3 一球盖；4 一导向球体；5 一上接头 图1 - 4 抽油杆万向导向器 f i 9 1 - 4 u n i v e r s a ls u c k e rr o dg u i d e 第一章绪论 3 、均匀磨损类 这类技术主要包括旋转抽油杆和旋转油管技术，通过井下油管定时旋转或抽油杆定 期转动，达到抽油杆、油管由径向单向点式磨损改为均匀周向磨损，延长偏磨并生产周 期的目的。 1 ) 抽油杆旋转器。抽油杆旋转器的原理如图1 5 所示。在抽油机换向的缸时间内， 抽油杆旋转器作直线往复运动，同时旋转一个角度，产生旋转力偶矩。其所具有的功 能有： ( 1 ) 使防脱器与旋转器之间的抽油杆柱产生旋转，防止抽油杆接箍偏磨，避免抽油 杆接箍被磨断； ( 2 ) 使抽油泵柱塞产生旋转趋势，避免井液中的固体颗粒卡泵，可延长抽油泵使用 寿命； ( 3 ) 由于旋转器相对运动两端不断给抽油杆柱上扣旋紧，有效地防止了抽油杆脱扣； ( 4 ) 具有井下减震器的功能，减小对地面及井下设备的冲击； ( 5 ) 具有超冲程效应，提高抽油机井泵效。 凸轮体 拨叉 移转轴 图1 5 抽油杆旋转器的原理图 f i g l 一5 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs u c k e rr o dr o t a t o r 后来又出现了抽油杆自动间歇旋转器1 ，其结构如图1 - 6 所示，主要由主体、方卡 子、及设于主体上并带动抽油杆间歇旋转的旋转机构组成。其工作原理为： 抽油机正常运转时，抽油杆作上下运动：当抽油杆下行时，固定在抽油井井口上部 的井口盘根密封器顶面抵在游动卡体底面，对游动卡体产生向上的顶抵力，经连杆带动 摇臂作逆时针旋转运动，再经间歇传动副及垂直轴传动副带动抽油杆转动；当抽油杆上 行时，固定在抽油井井口上部的井口盘根密封器顶面和游动卡体底面脱离，摇臂游动卡 体及连杆在重力作用下带动摇臂反向作顺时针转动，并带动间歇传动副反向进行空回 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 程；如此，在抽油机运转过程中，抽油杆作上、下连续的往复运动，使得抽油杆旋转器 带动抽油杆作自动间歇旋转，从而避免了抽油杆偏磨现象的发生，同时还避免了抽油杆 脱螺纹现象的发生。 1 0 9 8 7 卜棘爪；2 一间歇传动机构：3 一棘轮；4 一蜗杆；5 一垂直传动副；6 一摇臂：7 一井口光杆密封； 8 一光杆；9 一游动卡体；l o 一连杆；l 卜调节螺套；1 2 一连杆孔；1 3 一中心通孔；1 4 一开口绳槽； 1 5 一蜗轮；1 6 - 蜗杆孔；1 7 一花键段；1 8 一定位盘；1 9 一扶正卡体；2 0 一夹头：2 l 一推力轴承； 2 2 一扶正套；2 3 一毛辫子；2 4 一方卡子 图1 6 抽油杆自动间歇旋转器结构 f i g l - 6 t h es t r u c t u r eo f a u t o m a t i ci n t e r m i t t e n tr o t a t o r 抽油杆自动间歇旋转器本身具有抽油机悬绳器的功能，可以完全代替原悬绳器；安 装时只须将原悬绳器拆卸掉，将抽油杆自动间歇旋转器安装即可；操作简单、方便。但 安装的抽油杆自动间歇旋转器的游动卡体位置，应在当抽油机运行到下死点时，固定在 抽油井井口上部的井口盘根密封器顶面顶抵在游动卡体底面，对游动卡体产生向上的顶 抵力，使其向上运动的行程达到设计行程；行程太大时，因设备限制易造成抽油杆旋转 器游动卡体等部件损坏，行程太小时，抽油杆旋转速度太慢，起不到应有的效果。 2 ) 油管旋转器，旋转井口装置h 日是旋转井口萝卜头改变井下油管偏磨侧面以延长 油管寿命而开发的一种井口装置( 见图1 7 ) ，它具有结构简单，操作容易、省力的特点。 该装置井口转动3 2 圈，井下油管转动l 圈，可以通过地面人力每7 天转动l 圈井口来 孔貂乱鹊埔埔埔m培坛 l 2 3 4 5 6 第一章绪论 改变并下油管偏磨面，使磨损面均匀分布，从而达到延长油管使用寿命的目的。该装置 通过转动井口来改变油管和抽油杆的偏磨位置，取得了良好的效果。但由于是靠人力转 动，所施加的力矩不易把握，后又出现了能够自转的油管旋转器。 5 7 卜萝卜头；2 一盘根；3 一油管；4 一轴承；5 一盘根：6 - 法兰盖；7 一压帽 图1 7 转动井口示意图 f i g l - 7t h es c h e m eo fd e v i c er o t a t i n gw e l l h e a d 图1 8 为油管旋转器的结构图，其工作原理是陋3 ：油管旋转器使油管缓慢而持续旋 转，使其被磨损面从1 9 - 2 1 0 到3 6 0 0 ，减缓油管局部过度磨损，延长油管使用寿命。当 抽油机运行到接近下死点时，推动压杆下行，压杆推动离合器及蜗杆、蜗轮、悬挂器及 井下油管旋转。当抽油机上行时，复位弹簧推动压杆及离合器复位，实现油管间隙匀速 转动。 l o 卜提升接头；2 一压帽：3 一蜗轮；4 一壳体；5 一油管挂；6 一轴承；7 一压杆：8 一推杆； 9 一键；1 0 - 轴承座；1 卜蜗杆；1 2 - 驱动轮罩；1 3 一轴盖；1 4 - 弹簧