（机械设计及理论专业论文）管杆屈曲分析及电化学腐蚀、干摩擦实验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 在有杆泵抽油系统中，抽油杆和油管的偏磨不仅降低抽油杆的强度，造成抽 油杆断裂，而且还会磨穿管壁，造成油管漏失，影响油井的正常生产。虽然只是 说偏磨造成的影响，但实际上偏磨中必然存在腐蚀问题。所以，有杆泵抽油系统 中的偏磨问题，实际上就是管杆的磨蚀问题。因此，对管杆磨蚀机理进行研究， 对丰富和发展管杆偏磨腐蚀理论，对延长偏磨井的平均免修期，降低油井维护工 作量和油田的降本、增效都具有重要的理论意义和实际意义。本文主要从四个方 面研究了管杆的磨蚀问题： 第一部分主要从管杆偏磨的力学机理进行研究，通过建立管杆屈曲理论模型， 综合考虑了粘滞摩阻、库仑摩阻、管柱自重、内外压、温度等影响因素，分别计 算出了油管柱和抽油杆柱在水平井中的正弦和螺旋屈曲临界载荷，并得到了管杆 柱正弦屈曲和螺旋屈曲无量纲法向支反力。 第二部分主要从管杆材料电化学腐蚀方面来研究，通过选取抽油井常用的几种 管杆材料在两种代表性污水介质条件下进行实验，比较得到了以下结论：被实验钢 样电位差异不大；低浓污水除氧使电位负移大约4 0m v ，高浓污水除氧影响不大， 但2 0 c r m o 在除氧后电位正移较大；有氧、短期电偶腐蚀实验表明，材料配对的电 偶腐蚀现象很轻微或可忽略；极化曲线实验结果证明，污水、高温条件下钢腐蚀速 度均十分严重；低浓污水中除氧有一定的降低腐蚀作用，但高浓污水中除氧并不能 降低腐蚀速度。 第三部分主要从管杆材料干摩擦方面来研究，通过选取抽油井常用的几种管 杆材料在不同压力条件下进行实验，得到了以下结论：各试件干摩擦的磨损率都 是随着载荷的增加而增加，而载荷对摩擦系数的影响不大；各试件的磨蚀率是其 单纯干摩擦磨损率或单纯腐蚀率的几倍甚至几十倍，腐蚀对磨损的影响是非常显 著的，磨蚀中的磨损和腐蚀不是简单的叠加，磨蚀速度比单独的磨损速度和单独 的腐蚀速度都要大得多。 第四部分主要是涂料油管的性能比较及成分分析实验研究，参考前人对涂料 青岛理工大学工学硕士学位论文 油管的摩擦磨损实验研究结果，涂料油管确实起到了减磨效果，据此进行了涂料 油管的成分分析实验，通过实验结果得出c 与其它各元素可形成碳化物。在磨损 过程中，碳化物以其高硬度保护基体免受磨料的直接磨削；基体又给予碳化物有 力的支撑，使之不致变形和折断。 关键词油管；抽油杆；电化学腐蚀；干摩擦；碳化物 重量矍三奎茎三茎堡圭耋堡堡圣 a b s t r a c t i ns u c k e r - r o dp u m po i lp u m p i n gs y s t e m ，s i d e - w e a l p r o b l e mo fs u c k e r - r o da n dt u b e n o to n l yr e d u c et h es t r e n g t ho fs u c k e r - r o da n dm a k es u c k e r - r o db r e a k d o w n ，b u ta l s o w e a l o u tt u b ew a l la n dm a k et u b el e a k , t h i sp h e n o m e n o ni n f l u e n c e st h er e g u l a r p r o d u c t i o no fo i lw e l l a l t h o u g hi ti sj u s ts a i ds i d e - w e a rp r o b l e mm a k et h ei n f l u e n c e ，i n p r a c t i c ei ti si n e v i t a b l ec o r r o s i o np r o b l e mi sc e r t a i ne x i s t si ns i d e w e a l p r o b l e m s oi ti s a c t u a l l yt h a ts i d e - w e a rp r o b l e mi ns u c k e r - r o do i lp u m p i n gs y s t e mi sc o r r o s i v e - w e a ro f s u c k e rr o da n dt u b e t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c a lm e a n i n gt os t u d y t h ec o r r o s i v e - w e a rm e c h a n i s mf o re n r i c h i n ga n dd e v e l o p i n gs i d e w e a ra n dc o r r o s i v e t h e o r y , p r o l o n g i n gp e r i o d so fe x e m p t i o nf r o mr e p a i r i n g ，d e c r e a s i n gm a i n t e n a n c e w o r k l o a d sa n dl o w e r i n gc o s t sa n di n c r e a s i n ge f f i c i e n c y f o u rp r o b l e m sh a v eb e e n s t u d i e dj nt b j st h e s i s ： f i r s t l y , d y n a m i c s m e c h a n i s mo fs i d e - w e a ro ft u b ea n dr o di ss t u d i e d t h r o u g h s e t t i n gu pb u c k l i n gt h e o r ym o d e lo ft u b ea n dr o d , a n dc o m p l e t e l yc o n s i d e r i n gs t i c k y f r i c t i o nr e s i s t a n c e ，c o u l o m bf r i c t i o nr e s i s t a n c e ，s e l f - w e i g h to ft u b ea n dr o d ，i n t e r n a la n d o u t e rp r e s s u r ee f f e c t s ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n , s i n u s o i d a la n dh e l i c a lc r i t i c a lb u c k l i n g l o a d so ft u b i n ga n ds u c k e r - r o di nt h eh o r i z o n t a lw e l la r ec o m p u t e dr e s p e c t i v e l y , a n d s i n u s o i d a la n dh e l i e a ln o n d i m e n s i o n a ln o r m a lr e a c t i o n s e c o n d l y , e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no ft u b ea n dr o dm a t e r i a l si sa l s os t u d i e d t h r o u g hs e l e c t i n gs o m ek i n d so ft u b ea n dr o dm a t e r i a l sw h i c ha r ea l w a y su s e di n o i l f i e l d ，a n dc a t c h i n go u te x p e r i m e n t su n d e rt w ok i n d so fr e p r e s e n t a t i o np o l l u t e dw a t e r m e d i u m s ，w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n s ：t h ed i f f e r e n c eo fp o t e n t i a lo ft e s t i n gs t e e l si sn o t b i g ；l o w - c o n c e n t r a t i o np o l l u t e dw a t e rd e o x y g e n i z a t i o nm a k e sp o t e n t i a ln e g a t i v em o v i e a b o u t4 0 m v ，h i g h c o n c e n t r a t i o np o l l u t e dw a t e rd e o x y g e n i z a f i o ni n f l u e n c e ss m a l l ，b u t t h ep o t e n t i a lo f2 0 c r m op o s i t i v em o v ei sb i g g e ra f t e rd e o x y g e n i z a t i o n ；a e r o b i c ，s h o r t p e r i o dc o u p l e c o r r o s i v e e x p e r i m e n ti n d i c a t e s ，t h e m a t e r i a l s c o u p l e c o r r o s i v e 1 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 p h e n o m e n o ni sv e r yl i g h to rn e g l e c t a b l e ；p o l a r i z a t i o nc u r v ei n d i c a t e s ，c o r r o s i v er a t ei s v e r ys e r i o u si np o l l u t e dw a t e ra n dh i g ht e m p e r a t u r e ；l o w - c o n c e n t r a t i o np o l l u t e dw a t e r d e o x y g e n i z a t i o nh a sc e r t a i n e f f e c ti n r e d u c i n gc o r r o s i v e ，b u th i g h c o n c e n t r a t i o n p o l l u t e dw a t e rd e o x y g e n i z a t i o nc a n tr e d u c ec o r r o s i v er a t e t h i r d l y ，d r yf r i c t i o no ft u b ea n dr o dm a t e r i a l si sa l s os t u d i e d t h r o u g hs e l e c t i n g s o m ek i n d so ft u b ea n dr o dm a t e r i a l sw h i c ha r ea l w a y su s e di n o i lf i e l d , a n dc a t c h i n g o u te x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n ts t r e s s e s ，w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n s ：d r yf r i c t i o nw e a r m t eb e c o m el a r g e ra n dl a r g e rw i t hs t r e s sr i s i n g ，a n ds t r e s sh a ss m a l li n f l u e n c et of r i c t i o n c o e f f i c i e n t ；c o r r o s i v e - w e a rm t eo ft h em a t e r i a l si ss e v e r a le v e nm o r et i m e st h a to fd r y f r i c t i o nw e a rr a t eo rc o r r o s i v er a t e ，c o r r o s i o nh a so b v i o u si n f l u e n c et ow e a r , w e a ra n d c o r r o s i o no fc o r r o s i v e w e a ri sn o ts i m p l ep l u s ，c o r r o s i v e w e a rr a t ei sm u c hb i g g e rt h a n p u r ew e a ra n dc o r r o s i v er a t e l a s t l y , t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fc o a tt u b ea n da r ec o m p o s i t i o na n a l y s i sa r e s t u d i e d a c c o r d i n gt ot e s t i n gr e s u l t so fp r e d e c e s s o r , c o a tt u b ei sa c t u a l l yr e d u c i n gw e a r , s ow en l a k et h ec o m p o s i t i o na n a l y s i se x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw ed r a wc a n do t h e re l e m e n t sc a nf o r mc a r b i d e i nt h ec o u r s eo fw e a r , t h ec a r b i d e sh i g hh a r d n e s s c a np r o t e c tb a s a lb o d y 丘d md i r e c tg r i n d i n g ；b a s a lb o d yc a na l s os u s t a i nc a r b i d e p r o t e c t i n gc a r b i d ef r o md e f o r m i n ga n d b r e a k d o w n k e y w o r d s t u b e ；s u c k e r - r o d ；e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n ；d r yf r i c t i o n ；c a r b i d e i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) ，简 称磨蚀【1 】。它一般发生在腐蚀介质中，是力学、化学或电化学因素及它们交互作用 的影响结果，冲刷腐蚀磨损和气蚀磨损是其常见的主要形式。腐蚀磨损现象广泛 存在于石油、化工、煤矿和电力等工业领域的机械设备中，是使这些工业部门机 械设备如水轮机、泵、阀、管道、喷嘴这些过流设备和部件失效损坏的主要原因。 腐蚀磨损过程中的腐蚀行为和磨损行为又往往与单独的腐蚀或磨损作用有较大的 不同，这是因为材料在腐蚀磨损条件下，一方面由于介质腐蚀作用，使材料表面 性能恶化，增加了材料的机械磨损：另一方面在机械磨损下，又会使腐蚀速度急 剧增大。 在有杆泵抽油系统中，抽油杆和油管的偏磨不仅降低抽油杆的强度，造成抽 油杆断裂，而且还会磨穿管壁，造成油管漏失，影响油井的正常生产。虽然只是 说偏磨造成的影响，但实际上偏磨中必然存在腐蚀问题。所以，有杆泵抽油系统 中的偏磨问题，实际上就是管杆的磨蚀问题。大庆、胜利、吉林等油田统计资料1 2 - 9 1 表明：由管杆偏磨造成检泵作业次数占总作业井次数的3 5 - 5 5 ，严重影响了油 田的生产，而且还造成很大的经济损失。如胜利油田胜坨区块8 5 口机采油井中发 生严重偏磨的井有4 3 口，占5 0 6 ；中原石油管理局一个采油厂每年由于抽油杆 和油管偏磨造成的直接经济损失近千万元，间接经济损失在3 0 0 0 万元以上。因此， 有必要对管杆偏磨成因及影响因素加以分析，为防治管杆偏磨提供可靠的依据。 再如史南油田，1 9 9 8 2 0 0 0 年6 月份共进行油井维护作业6 8 井次，抽油杆断脱和 油管漏失是造成史南油田地区有杆泵免修期短的主要因素。通过对以上两项主要 原因的进一步分析后发现：抽油杆疲劳断裂占8 4 3 ；脱扣占7 8 ；抽油杆偏磨 断裂占3 9 。4 8 5 油井中存在偏磨现象。其中油管、抽油杆偏磨直接造成停产占 有杆泵维护作业的2 2 1 。孤东油田七区西5 ”单元注聚区1 9 9 7 年底在2 个月内 青岛理工大学工学硕士学位论文 因抽油杆油管偏磨造成检泵井1 31 2 1 ，1 4 井次作业，占游梁式抽油井检泵总数的 3 5 9 。河南油田江河矿2 0 0 3 年1 8 月抽油井断脱7 3 井次，直接影响产量“7 t ， 增加作业费用1 0 9 5 万元。1 9 9 9 2 0 0 2 年，河口采油厂抽油井共检泵3 8 4 7 井次，其 中因抽油杆、管断脱、损坏而检泵的油井共1 3 4 1 井次，占检泵井的3 4 9 。近几 年，随着大庆油田杏十二十三区油井综合含水、沉没度等生产状况的变化，抽油 机井管杆偏磨井数呈逐年上升趋势。统计1 9 9 8 2 0 0 2 年检泵数据，偏磨井从1 9 9 8 年3 口井升至2 0 0 2 年7 2 口井。通过对生产数据和作业数据分析，杏十二十三区 抽油杆偏磨主要因素是由于抽油杆柱下行的局部阻力增加造成的。2 0 0 0 年濮城油 田共有偏磨井2 2 8 口，占总井数的3 8 ，其躺井次数占抽油井躺井数的5 6 5 ，因 偏磨造成更换油管1 1 7 0t ，更换抽油杆8 4 x1 0 4m ，累计直接经济损失达2 5 3 0 万 元。 因此，对管杆磨蚀机理进行研究，对丰富和发展管杆偏磨腐蚀理论，对延长 偏磨井的平均免修期，降低油井维护工作量和油田的降本、增效都具有重要的理 论意义和实际意义。 1 2 腐蚀磨损的国内外研究现状 1 2 1 腐蚀磨损的种类 根据腐蚀介质的性质，可将腐蚀磨损分为两大类： 化学腐蚀磨损：金属材料在气体介质或非电解质溶液中的磨损。 电化学腐蚀磨损：金属材料在导电性电解质溶液中的磨损。 1 2 2 腐蚀磨损的影响因素 对于某一特定材料，其腐蚀磨损取决于介质的腐蚀特性和磨损过程的特点， 并且它们之间还会互相影响，因此，腐蚀磨损的影响因素是十分复杂的。 1 p h 值的影响 对于钢铁材料，在静态条件下，腐蚀随p h 值增加而减小。p h 值主要是通过影 响系统的电极反应过程和腐蚀产物而影响材料的腐蚀。在腐蚀磨损条件下，外部 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 机械扰动作用虽然不同程度地影响电极反应过程及表面膜的形成，但p h 值对材料 腐蚀影响的趋势不变。 2 介质成分的影响 在强腐蚀性介质条件下，腐蚀磨损表面呈现因腐蚀作用而形成的疏松结构， 通常的磨料磨损形貌特征难以发现。因为在这种情况下，腐蚀介质严重破坏了材 料表面的组织结构，使其失去了原有的硬度和强度，磨料很容易引起材料的去除。 除环境介质中腐蚀性物质的直接腐蚀作用外，在腐蚀磨损过程中，还会由于介质 本身产生某些变化，形成新的腐蚀物质，增加金属材料的腐蚀磨损。 3 介质浓度的影响 在低浓度条件下，材料表面会与介质作用形成保护膜，随浓度增加到一定值， 保护膜被溶解，导致腐蚀速度迅速上升。随浓度增加，溶液中活化质点或溶解氧 浓度增加，达到一定浓度时，溶液电离度减小，或氧溶解度下降，使腐蚀速度下 降。 4 介质温度的影响 温度增加对金属腐蚀有两方面的影响： a 提高化学反应速度，从而增大腐蚀速度； b 减少氧溶解度，从而减小腐蚀速度。 在腐蚀磨损条件下，介质温度具有类似的影响。如s h k h l 5 钢在0 5 铬酸钾中 摩擦磨损规律1 0 】是，在2 0 7 0 ( 2 的温度范围内，磨损量随温度的上升呈线性增加。 4 5 4 钢在中性介质中的磨损随温度增加到一极大值后下降，但在去除氧的条件下， 在相应的温度范围内则是随温度上升呈线性增加。 5 缓蚀剂的影响 为了减少腐蚀的影响，许多研究人员采取了在介质中添加缓蚀剂的方法。因 为在腐蚀磨损过程中，机械作用主要是通过影响电极反应的阳极过程，增加阳极 溶解速度来促进材料的腐蚀。采用缓蚀剂就是通过在阳极上形成钝态的保护膜来 抑制阳极过程。在腐蚀磨损条件下，缓蚀剂具有强烈的钝化膜形成及愈合能力， 因而可稳定地发挥缓蚀的作用。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 3 偏磨原因 1 井身结构的影响 在斜井中，其井身结构与垂直方向有一定的角度，如果抽油泵在造斜点以下， 泵上油管会随着套管一起弯曲，导致抽油杆与油管发生摩擦。即使是直井，因目 前的钻井技术不可能保证井身完全垂直，套管在某一段也会出现弯曲的现象，当 油管下入后随着套管弯曲，从而造成管杆之间的摩擦。 2 地层蠕变 开发地层段有的在盐层或岩膏层段层，在地下高温、高压和地面注水的影响 下这种地层发生蠕变，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。 3 交变载荷的影响 下冲程时，由于抽油杆和活塞受油管中液体阻力的影响，杆柱上、下受力不 一致，在抽油杆柱上形成一个受力为零的点，叫中性点，中性点上部杆柱受向上 的拉力，中性点下部杆柱受向下的压力，受压的部分杆柱就会发生弯曲变形，与 油管发生偏磨。 4 封隔器坐封 在多油层油井分层开发过程中，要使用封隔器将油层隔开。封隔器坐封需要 一定的坐封力，坐封力会导致油管弯曲；坐封力越大油管弯曲越大，管杆偏磨也 就越严重。 5 管杆重复摩擦，加剧偏磨 抽油系统工作时，由于管杆在径向上基本上不发生转动，管杆总是在同一方 向、同一部位上接触，很容易造成摩擦部位的管杆失效。调查中发现，多数抽油 杆接箍的一侧磨损严重，而从其它方向看则是完好的。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 6 油井结蜡 一些油田的原油含蜡高达3 0 以上，井下结蜡严重，导致抽油杆蜡卡，下行 受阻。抽油杆下行时与油管间产生严重碰磨，造成管杆的偏磨，目前这类井占偏 磨量的8 左右。 7 含沙量的影响 油井产出液中往往含有一定量的沙子。产出液从地下岩石中携带上来的沙子 具有较强的磨砺性，介质中砂粒的存在，使抽油杆与油管发生磨粒磨损。井液中 含沙量增加，使抽油杆与油管的磨损加剧。 颜廷俊等1 1 1 】采用国产m g 2 0 0 型高速摩擦磨损实验机选择现场常用的抽油杆、 油管作为摩擦对偶试件，一个安装在实验机的固定位置，保持不动；另一个可随 实验机进行转动。实验载荷通过专用设施施加在摩擦试件上。溶液选用现场提取 的油井产出液，通过配比含砂量分别为o 3 、0 6 、0 9 、1 2 、1 5 。实验 结果表明：当抽油杆、油管在含有大量具有较强磨砺性砂粒的产出液中摩擦时， 这些砂粒会在摩擦表面产生磨粒磨损，随产出液中含砂量的增加，磨损速度增大。 但是他用的是旋转式的实验机，不符合实际工况，应该进一步采用可以模拟实际 工况的实验机进行此实验，这样得出的数据会更可靠，更准确。 8 “失稳”对偏磨的影响 在上冲程过程中，杆柱每一点受力如下：向上的拉力，该点以下杆柱在液体 中的重力，该点以下杆柱在上行中与液体的摩擦力，活塞与泵筒的摩擦力。由于 向上的拉力远大于其它向下的阻力，因此，杆柱在向上的拉力作用下向上运动， 完成上冲程。在这个运动过程中，杆柱每一点的合力都是向上，杆柱被拉直，不 会发生偏磨现象。中性点以下油管受力如下：上部油管在井液中的重力形成的向 下的压力，下部油管在液体中的重力以及管内介质对油管和活塞对泵筒向上的摩 擦力。在上述力的作用下，下部油管发生摆动与抽油杆接箍产生摩擦。这种偏磨 较轻，通常为双面偏磨。中性点位置与泵以下尾管的长度有关。若尾管加长，则 泵以下的重量加大，就可以把弯曲应力抵消。 在下冲程过程中，油管每一点的合力都是向下，油管被拉直，不会发生偏磨 青岛理工大学工学硕士学位论文 现象。杆柱每一点的受力如下：该点以下杆柱在液体中的重力，杆柱下行时与液 体摩擦产生的向上的阻力，活塞与泵筒摩擦产生的向上的阻力，该点以上杆柱在 液体中的重力作用于该点形成的向下的压力。下冲程时各点受力比较复杂，而且 处于变化中，下冲程运动开始时，还受到杆柱向上的惯性力的作用。各点合力向 下，杆柱向下运动。中性点以上的抽油杆始终处于拉伸状态，不会发生弯曲变形 和偏磨现象。而中性点以下的抽油杆，由于该点以下杆柱的重力较小，不足以克 服其它各种向上的阻力，而该点以上杆柱的重力较大，作用于该点形成向下的压 力较大，下部杆柱在强大的压力作用下完成下冲程，容易弯曲变形，发生偏磨现 象。由于杆柱的塑性较强，上部的重力不会很快对下部形成压力，而下部杆柱在 上冲程的惯性力的作用下还在向上运动，大大增加了中下部杆柱的弯曲程度，杆 柱发生弯曲的这种现象，我们称为“失稳”。杆柱“失稳”是偏磨的主要原因，而 中性点越低，杆柱的“失稳”越轻，杆柱偏磨现象也越轻。“失稳”引起的偏磨均 为双面偏磨。由于偏磨，使抽油杆强度变低，加之交变载荷的影响，抽油杆容易 疲劳。因此，底部抽油杆出现断脱的情况较多。 从理论上讲，“失稳”的原因为：冲程、冲次越大，“失稳”越严重；多级组 合中，细杆比例越大，“失稳”越严重；同一深度，三级组合比二级组合“失稳” 严重；泵的间隙越小，活塞与泵筒的摩擦力越大，“失稳”越严重。 9 杆柱共振对断脱的影响 抽油杆柱的组合特性决定了其弹性很大。当悬点开始向上运动时，在抽油杆 和油柱静变形期内，油柱重量逐渐加到柱塞和抽油杆柱上，这时柱塞和泵筒没有 相对移动，所以抽油杆柱不会产生振动。而当静变形成了的瞬间，悬点以一定速 度运动，这时，抽油杆柱和柱塞突然带动油柱运动，抽油杆就产生一次振动。当 悬点开始向下时，在静变形结束后，柱塞和抽油杆突然卸去油柱重量，又发生一 次振动。上下循环一次，发生两次振动。由于井下存在各种阻力，使振动的幅度 在冲程中逐渐变小。但是，当悬点的运动频率，即强迫振动频率和抽油杆柱的自 振频率相同或成整数倍时，就会产生共振现象，使振幅越来越大，恶化抽油杆工 作条件。因此，在实际选择冲次时，要注意不能与抽油杆自振频率的整数倍重合。 以上所总结的大都是管杆的偏磨问题，而对腐蚀研究的很少。从文献资料 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 来看，随着综合含水的不断上升，油井腐蚀程度日趋严重。其原因是：当油井产 出液含水率大于7 4 0 2 时，产出液换相，由油包水型转换为水包油型，于是，管 杆表面失去原油的保护作用，产出水直接接触抽油杆和油管，腐蚀速度增大。摩 擦的润滑剂由原油变为产出水，失去原油的润滑剂作用，抽油杆和油管内壁磨损 速度加快，磨损严重。 产出水中含二氧化碳，硫化氢和铁，故有下列化学反应式： c 0 2 + i - 1 2 0 h + + h c 0 3 一 f e + h 2 s - - f e sl + h 2f c 0 2 含量越高，产出水中产生的h + 越多，p h 值越低。产出水显弱酸性，腐蚀 性强。同时，产出水中h 2 s 与铁反应生成f e s 和h 2 ，对管杆产生氢脆腐蚀。由于 p h 值低，h + 多，而产出水含c l 一高，存在下列化学反应式： h + + c 1 - ，h c l 形成了具有强腐蚀性的体系。 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。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，即偏磨处优先被腐蚀。由于腐蚀，使管杆 偏磨表面更粗糙，从而磨损更严重。 颜廷俊等【u 】针对高含水原油，采用国产m g 2 0 0 型摩擦磨损实验机考察井下 产出液含水量对油管和抽油杆摩擦磨损性能进行了研究，采用扫描电子显微镜观 察了抽油杆和油管试样磨损表面形貌。结果表明：( 1 ) 随着油井产出液含水量的 增加，抽油杆油管的摩擦系数和磨损率增大；( 2 ) 油井产出液含水量对抽油杆和 油管摩擦副的摩擦系数及磨损率有显著的影响。当油井产出液含水量小于7 0 时， 摩擦系数处于o 0 6 0 1 3 之间；当含水量超过8 5 后，摩擦系数保持在o 2 5 左右； 当含水量处于7 0 - 8 5 之间时，摩擦系数处于0 1 3 0 2 5 之间；( 3 ) 当油井产出液 含水量为5 5 时，抽油杆和油管磨损表面较光滑，仅存在微小的犁沟；而当含水 量为9 5 时，抽油杆和油管磨损表面存在宽而深的犁沟，呈现严重粘着磨损和擦 伤迹象。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 4 防偏磨措施 各油田根据各自油井抽油杆管出现偏磨的不同情况，分别采取了不同的防偏 磨措施。现归纳如下： 1 控制井斜角 由于井斜角对于管杆偏磨有着较大的影响，因此合理控制井斜角具有重要的 意义，但是控制井斜角只有在钻井的过程才能完成。在生产的过程中，只能尽可 能地降低井斜角的影响。 2 用抽油杆扶正器防偏磨 在抽油井偏磨严重的井段，合理采用碳纤维抽油杆扶正器。该扶正器以尼龙 接箍式扶正器为主，使用少量的碳纤维新型材料，可有效避免抽油杆对油管的偏 磨，节省杆、管材料费，克服以往易断脱的现象，延长油井的生产周期。 3 优化抽油杆柱设计 根据不同的冲程和冲次，建立管杆的力学模型。通过受力分析和计算，优化 设计杆柱组合，在受力变形较大的部位使用高强度抽油杆。由此来减小抽油杆管 的受力变形，减小其偏磨。 4 安装油管锚定器 在油管下端安装油管锚定器，使油管下端固定，改善油管的受力，减少油管 的受力弯曲变形和蠕动，以减轻管杆的偏磨。 5 安装旋转井口防止偏磨 利用旋转井口装置可以改变井下油管的位置。每隔一定时间通过井口旋转装 置使油管柱旋转一定角度，来改变抽油杆与油管偏磨的位置，以延长油管的寿命。 6 对结蜡严重的油井进行综合治理 坚持强制热洗、自身热洗，对该类井进行科学、周期的洗井；并利用降粘剂、 清防蜡剂等化学药剂进行化学药剂辅助洗井、降粘及清防蜡。对部分高含蜡井应 用高磁防蜡器防止蜡卡。 s 青岛理工大学工学硕士学位论文 7 加缓蚀剂防腐 在井液腐蚀性较强的油井中加入缓蚀剂，缓蚀剂在金属表面形成一层致密的 薄膜。这层薄膜一方面使金属本体与腐蚀介质隔开，对金属起到保护作用从而防 止腐蚀；另一方面，在抽油杆与油管之间起到一定的润滑作用，因此减缓了管杆 之间的偏磨。 1 2 5 应用研究现状 我国近几年对有杆泵井的管杆偏磨腐蚀问题非常重视，如王金东等【j4 】研究的 抽油杆柱防偏磨器，并在力学分析的基础上建立了防偏磨器下部抽油杆柱运动的 数学模型，提出了适合不同油井的抽油杆柱防偏磨器的设计方法。孟国华等1 1 5 】对 胜坨油田抽油井油管和抽油杆偏磨进行了研究探讨，并提出以下治理对策：( 1 ) 设计新型井下工具；( 2 ) 改进抽油杆扶正器的结构和材质；( 3 ) 应用加重杆；( 4 ) 安装旋转装置等。张江等【1 6 1 针对现河采油厂史南油田抽油杆使用过程中存在的问 题，对现场暴露出的抽油杆疲劳断裂、管杆弯曲造成管杆之间的偏磨现象进行了 全面系统的分析，提出了有针对性的措施防止现场抽油杆偏磨、断裂。李锡伦【l 7 j 对江河矿抽油杆断脱进行了探讨，通过对有杆泵采油井引起抽油杆柱发生弯曲变 形的载荷分析，提出了预防抽油杆断脱的措施。9 0 年代以来我国大部分油田逐渐 进入中后期开采阶段，有杆泵井的管杆偏磨问题日益突出，相关的研究和防治对 策也成为重中之重 1 8 - 2 3 l 。胜利油田目前已进入中、高含水期开采阶段，抽油井的 井况发生了较大的变化，致使抽油生产中的偏磨腐蚀问题越来越突出，对管杆偏 磨问题研究也较多。王刚等阴1 针对渤南油田抽油机井的井况和工况，在分析了导 致杆、管断脱、漏失的多种因素的同时，重点对偏磨腐蚀的机理进行了研究，并 提出了防治对策：( 1 ) 加缓蚀剂防腐；( 2 ) 采用抽油杆扶正器防偏磨；( 3 ) 采用 连续抽油杆技术；( 4 ) 对结蜡严重的油井进行综合治理。马占东等1 2 5 l 根据临盘采 油厂抽油井出现管杆偏磨的原因和机理，制定出减缓偏磨的综合防治措施和方法： 即采用弹性抽油杆抗磨扶正器及多功能自由式抽油杆扶正器对杆柱进行有效的扶 正，减少杆柱受压：采用抽油杆旋转装置，使杆柱均匀磨损，延长杆柱寿命；采 用油管锚定技术及安装油管旋转装置，防止管柱弯曲，减少油管磨损；采用合理 的防偏磨抽油泵及合理工作制度等措施进一步提高防偏磨能力。现场应用证明， 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 制定的综合防偏磨措施能有效减轻油井偏磨。 国内各科研单位和其他油阳生产单位研究者也提出了一些管杆磨蚀的机理和 相应防治措施，魏池忠、刘新军等【2 6 1 人根据大庆油田杏十二十三区的管杆磨蚀数 据分析，指出抽油杆偏磨引发的主要因素有以下几点：( 1 ) 抽油杆偏磨井主要集 中在低沉没度、高含水井正常抽油机井；( 2 ) 抽油杆偏磨井的抽汲参数( 肌r ) 相 对较高；( 3 ) 抽油杆偏磨井段深度一般大于8 0 0 m ：( 4 ) 抽油杆偏磨井下冲程存在 较强的振动载荷。因此，随着抽油机井含水级别的增高、沉没度的降低且抽汲参 数的变大，使抽油杆柱底部产生振动较强的局部载荷，导致抽油杆偏磨严重的区 域主要集中在抽油杆柱的下部。根据导致杏十二十三区抽油杆偏磨的几种原因， 采取相应的一些措施，例如对于( s ：) 较大的高含水、低沉没井，调整参数，保 证泵在合理的沉没度下工作，是减小液击力的根本途径。通过调整，平均沉没度 由调整前7 8 9 m ，提高到1 6 9 7 m 。统计连续偏磨井作业周期由调前的平均7 个月 上升到2 0 0 2 年底的1 4 个月，最长已连续生产2 5 个月仍未因抽油杆偏磨检泵，取 得可喜的效果。芦会来、李隽【2 7 l 通过对几种扶正器优缺点的分析，于2 0 0 0 年底推 广应用了热固式尼龙扶正器。该扶正器采用增强尼龙，一次性注射成型，外型结 构呈流线型，且有四条凹槽作为油流通道，流动面积大，油流阻力小，且有良好 的抗拉、抗压、耐磨、耐高温等特点，可在抽油杆本体上任意位置注塑，扶正器 间距易于控制，不易在杆体上滑动。通过现场的应用比较，热固式尼龙扶正器， 不仅价格低而且耐磨，不易滑动，脱落，可减少因管杆偏磨问题造成的躺井，2 0 0 1 年节约资金2 5 9 万元。姜玲【2 8 】对现河采油厂分析发现抽油杆柱断脱的原因主要是 管杆偏磨、制造缺陷、腐蚀、设计不当、运输使用时处理不当、服役时间超安全 期和接箍材料不合格等，在此基础上提出了一些相应的预防措施。 王优强等l 矧对抽油井管杆磨蚀机理进行了分析，并进行了实验研究。对管杆 偏磨的力学机理进行了研究，建立了管杆屈曲理论模型，综合考虑了粘滞摩阻、 库仑摩阻、管柱自重、内外压等因素，分别计算出了油管柱和抽油杆柱在垂直井 和斜直井中的正弦和螺旋屈曲临界载荷。通过选取抽油井常用的几种管杆材料在 不同预应力、温度和不同腐蚀介质条件下进行实验，然后比较得到：腐蚀速率随 着温度的升高而升高；在相同介质条件下，试样的腐蚀速率随着应力的增大而增 大；同时腐蚀速率随着介质矿化度的增高而增大。并根据实际工况，设计了一套 1 0 童鱼堡三奎耋三兰堡圭耋堡堡圣 管杆磨蚀实验装置，利用该实验装置优选管杆耐磨副，得到涂料油管和非调质钢 接箍配合时最耐磨；然后在此基础上找到了耐磨副在不同侧向载荷、温度等条件 下的磨蚀规律，认为管杆磨蚀率随径向载荷的增加而增大，随温度的升高先增大 后减小等。 1 2 6 耐磨蚀材料的发展 以上针对引起管杆偏磨的原因及防治措施进行了综述，主要是采用机械的方 法进行防治。近年来很多研究者对腐蚀磨损进行了综合的研究。总体上可以分为 两类：一类是研究新型耐磨防腐材料，另一类是在所用材料上喷涂上一层耐磨蚀 涂层。 宇付平【3 0 1 研制的磷化工艺在油管接箍上的应用，取代了镀锌工艺在油管接箍 上的应用，大大提高了油管的产品质量，并且解决了接箍的防腐蚀问题。现场与 国外油管作业情况对比，经激光热处理油管和磷化处理的接箍，其质量性能比镀 锌接箍有明显提高。实验油管和接箍连续使用8 个月，期间作业2 次，未出现粘 扣现象更没有发生油管落井，其应用效果与进1 3 油管相媲美，超出a p i 标准规定 上卸扣4 - 6 次不粘扣的要求。此磷化工艺在油管接箍上获成功应用，而且达到磷化 膜层可薄可厚，磷化膜晶粒可细可粗。根据不同的用途，可选择不同的工艺，得 到不同的磷化膜层。 叶春艳等【3 1 1 利用静态高温高压釜及电化学腐蚀实验装置，通过失重法及极化 曲线研究了裸样j 5 5 油管钢及其镍磷镀防腐层的抗c 0 2 腐蚀性能。结果表明，镍 磷镀层的抗c 0 2 腐蚀性能好于裸样，其自腐蚀电位较之裸样有明显正移，其腐蚀 速率约为裸样的1 1 0 。 目前聚乙烯衬里油管【3 2 l 得到了广泛应用。英国石油( b p ) 美洲公司、雪弗龙 德士古公司、科诺科公司和发肯石油和阮池公司已经在4 1 口井中使用了聚乙烯衬 管，明显降低了作业成本。聚乙烯衬里是一种机械粘结材料，这种材料使低质量 的油管得以使用，从而节约了成本。实践证明，聚乙烯衬里油管可以大幅度降低 与抽油杆油管磨损和油管腐蚀故障有关的油井作业成本。美国已经有1 0 多年成功 使用聚乙烯衬里油管的经验，在3 0 0 0 多口井中得到应用，解决了与腐蚀、抽油杆 磨损油管有关的问题，并节约了电力。而且该衬里对钢丝绳、酸类和化学损害都 青岛理工大学工学硕士学位论文 显示出了良好的抗蚀性。但聚乙烯衬里并不能解决所有井下管材问题。由于材料 限制，它们不能用于高压气井和温度超过2 1 0o f 的井下工况。衬里使油管的内径 略微缩小。要检查泵、抽油杆、抽油杆接箍有无尖锐边缘和严重麻点，这些都会 损坏衬里。为避免对衬里造成机械损伤，在井场应该对所有井下部件进行快速检 查。 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 3 3 】是一种新型工程塑料，1 9 5 8 年由德国科学 家发明了u h m w p e 的合成方法，到6 0 年代末国外实现了工业化生产。我国正式 投产是在7 0 年代末8 0 年代初开始的，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、 摩擦因数小、耐低温等优良特性。超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性但也有 许多不足：硬度低、强度低、耐热性能差、有蠕变性等，为了弥补这些不足和进 一步提高其耐磨性可对其进行填料( 超细玻璃微珠、二硫化钼、滑石粉、玻璃纤 维、碳纤维、聚四氟乙烯) 改性。有研究者用m 2 0 0 型摩擦磨损实验机进行了环 ( 4 5 。钢) 块摩擦磨损实验研究，并在腐蚀磨损实验机上进行了超高分子量聚乙烯 沙浆磨损实验。结果得到：( 1 ) 环块磨损时随着添加剂比例增加磨损量减小；( 2 ) 沙浆磨损时随着添加剂比例增加磨损量增加；( 3 ) 添加玻璃纤维和滑石粉使摩擦 因数增大：( 4 ) 添加碳纤维和玻璃微珠对摩擦因数几乎没有影响；( 5 ) 添加聚四 氟乙烯可以使摩擦因数减小；( 6 ) 从综合性能和价格考虑添加玻璃微珠最理想。 总之对于磨蚀问题，有各种各样的办法进行防治，但是有优点也有缺点，针 对不同具体的情况进行分析，采取综合治理的措施才能取得显著的效果。 1 3 本文的思路及研究内容 本文的思路是在师兄刘丙生工作基础上的补充和继续。刘丙生完成了以下工 作：( 1 ) 油管和抽油杆在垂直井和斜直井中的屈曲分析，获得了油管和抽油杆在 垂直井和斜直井中发生正弦屈曲和螺旋屈曲的临界轴向载荷；( 2 ) 常用管杆材料 常规腐蚀实验、温度腐蚀实验和预应力腐蚀实验研究；( 3 ) 建立了能基本模拟井 下工况的管杆磨蚀实验台，并借助该实验台进行了一系列实验研究工作。 本文的研究内容将以上面的研究工作为基础，继续下面的工作。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 1 理论研究内容 采用现代力学方法，充分考虑影响井下管柱屈曲行为的主要因素，建立描述 水平井下管柱屈曲行为的一般性方程，揭示水平井下管柱( 正弦、螺旋弯曲) 的 临界载荷及弯曲管柱与井( 管) 壁之间的正压力的分布规律，为水平井下管柱的 合理设计、生产参数的合理选择提供依据。 1 3 2 实验研究内容 针对上面刘丙生所作的常规腐蚀实验和磨蚀实验，补充以下电化学腐蚀实验 和干摩擦实验，进而根据实验数据揭示磨损和腐蚀分别对磨蚀的影响程度，验证 磨蚀比单独的磨损和单独的腐蚀严重得多。最后进行涂料油管的成分分析实验， 进一步研究它的耐磨性。 l 、从腐蚀电化学分析入手，辅以必要的实验测试，根据目前油田采出液的成 分进行配比不同的溶液进行管杆的电化学腐蚀行为研究。 测量油田常用的几种油管( j 5 5 、n 8 0 ) 和接箍( 2 0 c r m o 、4 5 调质钢) 在不 同污水环境下的标准电极电位； 绘制各种材料的电化学极化曲线，并根据极化曲线估算其腐蚀速度； 研究以下材料配对的电偶腐蚀行为： l 瓷 j 5 5n 8 。i 2 0 c r m o 电偶1电偶2 4 5 调质钢电偶3电偶4 2 、将油田常用的油管(