（石油与天然气工程专业论文）抽油机井杆管偏磨治理技术研究.pdf

捅要 抽油机井生产过程中，由于井身结构限制、抽油杆柱和管柱失稳弯曲、产出液性质 影响等因素，造成抽油杆和油管之间发生磨损现象，导致油井油管磨损漏失、抽油杆柱 磨损断脱等问题，深层低渗透油田开采后期注水效果差，压力降低，泵挂深度加深，杆 管偏磨问题更加突出，严重影响油井的正常生产。本文调研分析了国内外部分油田杆管 偏磨和治理方面的资料，对胜利油田现河采油厂抽油机井出现偏磨问题的油井进行详细 分析，总结了抽油机井杆管偏磨的特点、偏磨产生的机理和偏磨原因，从机械磨损和腐 蚀对偏磨的影响两方面分析偏磨的机理，通过对抽油杆和油管的力学分析，建立了多级 抽油杆柱失稳弯曲力学模型，并对模型进行求解，求解结果能够对抽油杆扶正器设计提 供参考。根据扶正、降低中和点位置、改善杆管摩擦条件等偏磨治理思路，研究了抽油 机井杆管偏磨的治理技术，包括h d p e 内衬油管技术，扶正技术，扶正加重技术，防腐 抗磨技术以及治理偏磨辅助配套技术，结合这些偏磨治理技术在胜利油f f l 现河采油厂的 应用情况，揭示偏磨治理技术的机理，分析其适用条件和存在的缺点，论文研究对提高 偏磨治理技术应用效果具有参考价值。 关键词：抽油机井，杆管偏磨，中和点，力学机理 r e s e a r c ho np r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n i q u e s o fr o da n d t u b i n ge c c e n t r i cw e a r i nr o dp um p e d w e l l l i uh o n gt a o ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gh a i w e n s e z h a n gd i n g y o n g a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o d u c t i o no f r o dp u m p e dw e l l s ，a st h ef a c t o r so f t h ec o n s t r a i n to f w e l lb o d ys t r u c t u r e ，r o d a n dt u b i n gd e s t a b i l i z a t i o nb e n do v e r , n a t u r eo fp r o d u c t i o nf l u i d ，e t c ，c a u s ea b r a s i o nb e t w e e nr o da n dt u b i n g ， l e a dt ot u b i n gl e a ka n dr o dp a r t i n g , a n do t h e ri s s u e s i nt h el a t e rp r o d u c t i o ns t a g eo fl o wp e r m e a b i l i t y o i l f i e l d ，t h ef l o o de f f e c t i v e n e s si sp o o lp r e s s u r ed e c r e a s e sa n dt h ed e p t ho fp l u n g e ri si n c r e a s i n g ，t h ei s s u e o fr o da n dt u b i n ge c c e n t r i cw e a ri sb e c o m i n gm o r ep r o m i n e n ta n dg r e a t l ya f f e c t st h en o r m a lp r o d u c to fo i l w e l l s t h eh o m ea n da b r o a dp r e s e n ts i t u a t i o no fr o da n dt u b i n ge c c e n t r i cw e a ra n ds o l u t i o ni ss u r v e y e da n d s t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h eo i lw e l l sw h i c he x i s t sa b r a s i o ni nx i a n h eo i lp r o d u c t i o np l a n ts h e n g l io i l f i e l da r ed e t a i l e d l ya n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o da n dt u b i n ga b r a s i o n ，t h em e c h a n i s ma n dr e a s o n so f a b r a s i o na r ec o n c l u d e d t h em e c h a n i s mo fe c c e n t r i cw e a ri sa n a l y z e df r o mt h ea f f e c t i o no ft h em e c h a n i c a l w e a ra n dc o r r o s i o n ，t h r o u g hm e c h a n i c a l a n a l y s i so ft h er o da n dt u b i n g ，t h em o d e lo fm u l t i s t a g er o d d e s t a b i l i z a t i o nb e n do v e ri se s t a b l i s h e da n dc o m p u t e d ，t h er e s u l tc a nb ea b l et og i v er e f e r e n c et ot h ed e s i g n o ft h er o dc e n t r a l i z e r s a c c o r d i n gt ot h er e s o l v i n ga b r a s i o nt h i n k i n go f r i g h t i n g ，l o wt h ep o s i t i o no fn e u t r a l p o i n ta n di m p r o v e m e n tt h ec o n d i t i o no fr o da n dt u b i n ge c c e n t r i cw e a r t h et e c h n i q u e so fr e s o l v i n gt h er o d p u m p e dw e l lr o da n dt u b i n ga b r a s i o na r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gh d p et a p e r e dt u b i n gt e c h n i q u e ，f i g h t i n g t e c h n i q u e ，f i g h t i n ga n dw e i g h t i n gt e c h n i q u e ，a n t i s e p s i sa n da n t i - w e a rt e c h n i q u e ，a n do t h e ra s s i s t i n g m a t c h i n gt e c h n i q u e so fr e s o l v i n ga b r a s i o n ，a s s o c i a t i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h e s et e c h n i q u e si nx i a n h eo i l p r o d u c t i o np l a n ts h e n g l io i lf i e l d ，t h em e c h a n i s mo f t r e a t i n ge c c e n t r i cw e a ri sr e v e a l e d ，a n dt h ec o n d i t i o n s i tc a nb es u i tf o ra n di t sd r a w b a c k sa r ea n a l y z e d ，t h er e s e a r c ho ft h e s i sh a sar e f e r e n c ev a l u et oi m p r o v et h e a p p l i c a t i o ne f f e c to ft h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o le c c e n t r i cw e a rt e c h n i q u e s k e yw o r d s ：r o dp u m p e dw e l l ，r o da n dt u b i n ge c c e n t r i cw e a r ，n e u t r a lp o i n t ，m e c h a n i c a lm e c h a n i s m 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： 少 ，r r 鹭钐y 日期：立口留年，月矽日 学位论文使用授权书 本人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 指导教师签名： r 期：& ，蛄年月矽同 日期籼、，孑年，月吵日 中国杠油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 目的以意义 抽油机井采油是世界石油工业的传统的采油方式，也是迄今为止直占主导地位的 人工举升方式，在我国各油田的生产井中大部分使用抽油机井采油技术，抽油机井采油 技术在我国石油开采中有重要的地位。 抽油机井采油系统采用抽油杆上下运动向井下抽油泵传递动力，也称为有杆泵采油 系统，为了与地面驱动螺杆泵采油系统区别，本论文称抽油机井采油系统。 随着油田含水的逐渐上升，杆管偏磨造成抽油机井检泵作业井数的比例逐年增加。 在深层低渗透油田，由于注水效果不明显，油层亏空，压力降低，动液面下降，为了保 持产液量，泵挂深度加深，抽油杆下行程受到的向上的力加大，抽油杆受压失稳弯曲， 偏磨问题加重。近年来，聚合物驱油技术作为油田提高采收率的重要技术，在很多油田 得到应用，在注聚合物驱的油田，在采油井见聚后出现了一个严重的问题，就是由于产 出液粘弹性增加，导致抽油杆柱下行阻力增加，受力状况变坏，抽油杆与油管偏磨问题 尤为突出，致使抽油杆断脱和油管损坏更加严重，缩短了检泵周期，增加了修井次数和 修井费用，增大了事故的发生率，严重的影响了油田正常生产。例如：美国b y r o n 油田 在注聚合物前因抽油杆与油管偏磨造成杆断脱扣事故2 4 井次年，而聚合物驱后抽汲含 聚合物采出液时，为4 8 井次侔，增加了1 倍；北的奥勒冈州基本油田聚合物驱前抽油 杆断脱事故为4 2 井次年，聚合物驱后为2 6 6 井次年，增加了5 倍多【ij 。由此可见，抽 油杆管偏磨已经是影响抽油机井正常生产的一个重要因素。 抽油机井采油系统中由于杆管偏磨造成的油井事故在世界各国的油f f l 中广泛存在， 随着下泵深度增加、产出液含水上升，偏磨问题呈上升的趋势，每年因此造成的经济损 失巨大，2 0 0 6 年胜利油田因为杆管偏磨造成的经济损失超过亿元，因此，进行治理偏磨 技术研究，提出治理抽油杆管偏磨的措施，分析治理措施实施效果，优选和保证治理措 施适用条件，对提高抽油机井生产水平，减轻偏磨造成的影响，具有很重要的实际应用 价值。 1 2 油田管、杆偏磨情况概述 2 0 0 6 年胜利油田油井开井总数1 8 7 5 6 口，其中抽油机井1 2 1 3 8 口，占总井数的 6 4 7 ，由于偏磨而作业的有2 5 3 7 口，占抽油机井数的2 0 9 ，杆管偏磨造成的工作量 第一章绪论 占油井全部维护工作量的2 0 3 0 ，增加了油井维护成本，年报废率达1 0 以上，全 局每年报废油管、抽油杆达上百万米，直接经济损失超过亿元。 表1 1 胜利油田各采油厂抽油机井偏磨情况 t a b l e l - 1e c c e n t r i cw e a rs i t u a t i o no fp u m pw e l l su s e d i ne v e r yo i lp r o d u c t i o nc o m p a n ys h e n g l io i l f i e l d 采油厂总井数d开井数d抽油机井数口偏磨总井数d 东辛 1 9 6 01 3 8 01 0 2 95 3 7 现河 1 9 1 01 3 9 88 7 85 2 2 孤岛 2 5 6 12 0 9 l1 9 0 33 8 8 临盘 1 7 3 71 5 0 01 4 2 73 7 6 滨南 2 1 6 71 3 1 21 2 7 02 6 l 胜利 2 1 7 61 5 7 71 1 4 61 6 1 纯梁1 5 3 6 9 3 58 5 l1 5 7 桩两 8 6 94 8 6 4 5 411 2 孤东 1 9 0 01 7 0 71 4 6 61 0 0 河口 1 9 4 01 8 1 01 6 8 85 5 合计 1 8 7 5 61 4 1 9 61 2 1 3 82 5 3 7 2 0 0 6 年底，现河采油厂稀油地区抽油机开井8 7 8 口，因油管与抽油杆偏磨造成的杆 管断裂井和油管漏失井有5 2 2 口，占总开井数的5 7 。针对采油厂油井偏磨严重的情况， 2 0 0 6 年实施偏磨井治理4 4 0 井次，治理前平均生产周期1 4 7 天，治理后平均生产时间 1 5 0 天，部分井没有见效，见效2 0 3 井次，见效井平均生产周期由1 0 4 天延长到2 0 9 天。 2 0 0 7 年，因含水上升、电改抽等原因新增偏磨井8 1 口，8 1 口井中偏磨严重造成躺井5 9 口。 机械采油井管杆磨损的原因是抽油杆和油管之f n j j f ! 互接触并产生相对运动造成的， 这一点是被众多现实和理论所证明。从偏磨现场情况来看，偏磨现象几乎在所有井况上 都会出现，既有斜井偏磨【6 】【18 1 ，又有直井偏磨8 1 ，有稀油井偏磨也有稠油井偏磨；若油 井出砂、结蜡偏磨现象更严重。 抽油机井采油系统中由于杆管偏磨造成的油井事故在世界各国的油f f l 中广泛存在， 而且随着井下工况、介质的不断变化呈上升的趋势。每年因此造成的经济损失巨大。偏 磨问题普遍存在，其危害极为严重，偏磨已成为制约油田开发中后期高效稳产的重要矛 盾，如何根据油f f l 的现状有效治理杆管偏磨就成为油田降低成本、提高产量的迫切任务。 1 3 杆管偏磨现状 2 中国石油大学( 华东) 工程顾上学位论文 油田实际生产中偏磨所产生的巨大破坏作用，使该问题受到各油田的普遍关注，成 为制约油田发展的重要因素。通过对胜利油田现河采油厂近几年因为杆管偏磨导致油井 躺井数据分析可以看出，油井杆管偏磨问题是近几年造成油井检泵周期不能有效延长、 也是修井作业工作量居高难下的主要原因。 1 3 1 抽油机井偏磨状况 为了对抽油机井杆管偏磨的现状有一个更清楚的了解，结合现场工作对现河采油厂 2 0 0 6 年到2 0 0 7 年稀油区块偏磨井进行了现场调研和资料统计分析，发现抽油机井杆管 偏磨状况主要分为杆管整体偏磨和抽油杆断裂两种情况。 回压 图1 - 1 抽油杆管偏磨的影响示意图 f i g l 一1i m p a c to fe c c e n t r i cw e a rb e t w e e nr o da n dt u b e 对现河采油厂2 0 0 6 年到2 0 0 7 年稀油区9 5 口游梁抽油机生产井进行了现场调查， 通过对这9 5 口井的修井作业资料进行分析，发现杆管偏磨具有以下特点： 游梁抽油机生产井普遍存在杆管偏磨现象 在被调查的这些油井中，几乎在每一口油井中的抽油杆上都可以看到偏磨的痕迹， 其中抽油杆接箍、抽油杆本体严重偏磨和油管被磨穿的油井共有4 5 口，占4 7 3 。 偏磨多发生在泵体以上的有限距离内 从偏磨发生的位置来看，无论直井还是斜井，杆管偏磨多发生在泵体以上4 0 0 m 的 范围内。在4 3 口严重偏磨井中，有3 2 口的偏磨发生在这一范围内，占7 4 4 ，7 口泵 挂在造斜点以下的斜井中，造斜点附近l o o m 范围内的偏磨较其他部分严重。 抽油杆接箍比本体偏磨严重 第一章绪论 据统计，在4 3 口严重偏磨的油井中抽油杆接箍全部存在偏磨，而本体偏磨严重的 仅占2 4 ，接箍偏磨严重的杆段所对的油管都存在明显磨损。磨损严重时可将抽油杆公 扣磨平，油管则表现为被磨出一条平行于轴心的凹槽，甚至磨出一条裂缝。 油井越深偏磨越严重 通过8 5 口偏磨井进行分析，下泵越深，偏磨越严重，主要是因为下泵越深，抽油 杆下行时受到的向上轴向力越大，抽油杆越容易弯曲。 1 3 2 抽油杆断裂情况 通过对现河采油厂稀油区块2 0 0 6 年到2 0 0 7 年的3 5 口因杆管偏磨造成的抽油杆断 裂的油井做调查，对其资料进行分析和归类汇总，发现抽油杆断裂有以下因素有关： ( 1 ) 泵挂深度的影响 通过3 5 口偏磨井的统计分析可以看出，当泵挂深度在8 0 0 0 到1 0 0 0 米之间时，杆 断井数为7 口，占2 0 ；当泵挂深度在1 0 0 0 到1 2 0 0 米之间时，杆断井数为1 0 口，占 2 8 5 ；当泵挂深度大于1 2 0 0 米时，杆断井数为1 8 口，占5 1 5 。通过分析可以看出， 随着泵挂深度的增加，由于偏磨造成的抽油杆断裂井的比例明显增大，特别是当泵挂超 过1 2 0 0 米时，抽油杆断裂加剧。 ( 2 ) 油井含水率的影响 通过3 5 口偏磨井的统计分析可以看出，当含水率在6 0 到8 0 之间时，偏磨井数 为4 口，占1 1 4 ；当含水在8 0 到9 0 之间时，偏磨井数为2 口，占5 7 ；当含水 大于9 0 时，偏磨井数为2 9 口，占8 2 9 。通过分析可以看出，随着含水率的逐渐增 大，由于偏磨造成抽油杆断裂的比例明显增加。当含水率大于9 0 时，抽油机井杆断比 例急剧上升。 通过上述统计数据和分析表明，随着老油田的开发，含水上升、下泵深度增加，抽 油机井采油系统中，杆管偏磨已经是一个普遍存在的问题，必须加以重视，采取有效治 理偏磨技术措施，以提高高含水油田综合效益。 1 3 国内外对油井偏磨问题的治理 1 3 1 国内防偏磨技术现状 国内在8 0 年代后期开始研究偏磨治理技术，近些年抽油杆柱偏磨越来引起油田工 作者的重视，同时治理技术也得到飞速的发展。国内各油田所采取的治理偏磨措施主要 有以下几种【1 3 】【2 0 】： 4 中国石油大学( 华东) t 程硕上学位论文 ( 1 ) 抽油杆扶正器 油田采用的抽油杆扶正器有：抽油杆尼龙扶j 下器、抽油杆滚轮接箍等。抽油杆扶正 器主要是抽油杆扶正的原理，确保抽油杆与油管隔离，不产生接触磨损。抽油杆扶正器 也存在一些问题，排出液体过流面积较小，液流阻力的增大，增加了杆柱的下行阻力。 ( 2 ) 旋转井口装置 旋转井口装置的基本原理是通过旋转油管或抽油杆，改变杆管偏磨位置，使油管或 抽油杆均匀磨损，从而延长使用寿命。旋转井口装置主要有旋转油管和旋转抽油杆技 术装置。旋转井口装置也存在一些问题，转动扭矩过大，现场实施难度较大，且难以 保证定时实施，也难以保证井下管柱产生均匀转动，实施到位率低，效果差。 ( 3 ) 抽油杆加重和油管锚定装置 在抽油杆柱组合底部使用加重杆，一方面使中和点位置下移，另一方面，加重杆横 截面积较大，减轻了抽油杆弯曲，减少蠕动、失稳造成的管杆偏磨。加重杆增加了抽油 杆柱重量，增加了载荷，加重杆的使用也具有一定的局限性。 油管锚可以起到固定油管的作用，避免油管蠕动，油管锚定存在的问题主要是损伤 套管和不能解封时造成作业困难。 1 3 2 国外防偏磨技术现状 国外在抽油机井偏磨方面的研究开展的比较早，上个世纪5 0 年代美国、前苏联等 国家的石油公司就开始进行基础研究，发展新材料，开发新技术、新工艺、新产品上都 做了很多创造性的工作。 ( 1 ) 抽油杆导向器 抽油杆导向器是在抽油杆连接头上连接有导向器壳，在其内设有导向器凹槽、导向 器环腔和导向器锁盖螺纹，并连接有导向器螺纹锁盖，其上设有导向器螺纹锁盖内曲面 球窝，在由导向器凹槽、导向器环腔和导向器螺纹锁盖内曲面球窝所形成的空间内装有 导向轴，导向轴靠近导向器凹槽一侧设有导向轴凸头并与导向轴曲面球头和导向轴螺杆 相连接及连轴器相连接，连轴器外侧设有连轴器卡面。抽油杆连接头可为卡环结构或是 螺孔结构。导向器分别与连轴器相反方向对称连接构成抽油杆导向器。其特点是：减 小抽油杆在油管内上下移动期间产生的应力和应变；降低光杆负荷；结构简单，便 于加工，联接方便。 ( 2 ) t m 扣特殊螺纹接头 5 第一章绪论 在1 9 9 9 年，日本住友钢铁株式会社新开发出t m 油管接头。t m 扣特殊螺纹接头具 有以下特点：接箍入口处的倒棱角大，使得接头的齿合性良好、抗粘扣力强；可以 控制上紧力矩；提高承受扭矩和弯曲载荷能力；消除接头部位环型槽，避免产生紊 流；采用了气密性好的锥形金属与金属密封，防止内压对气密的影响；提高抗拉载 荷下的屈服强度、减小接箍表面的圆周应力。 ( 3 ) 电动潜油螺杆泵 随着石油钻采技术的提高，以水平井和大斜度完井的井数越来越多，采用抽油杆驱动 的螺杆泵暴露出了许多缺陷，为此，用潜油电泵系统中的潜油电机驱动p c 泵，弥补了地 面驱动p c 泵的不足，不仅可用于斜井，也可用于水平井。电动潜油螺杆泵( e s p c p ) 是一种 无杆采油技术，可以提供更高的泵效和更大的摩擦间隙，能在一些地面驱动螺杆泵和电动 潜油离心泵( e s p ) 应用效率低的油井中提高产量，其广泛的使用范围、相对较低的投资 费用及节能、高效，显著地扩展了螺杆泵的应用范引4 1 。 e s p c p 机组的井下设备、地面启动装置和操作情况都与常规的e s p 机组相似，主要 的区别是用p c 泵代替了离心泵并需要使用齿轮减速器。这两种机组所使用的引接电缆、 动力电缆、井口和地面装置也一样。e s p c p 机组的井下设备按下井顺序依次包括潜油电 机、保护器、齿轮减速器、挠性联轴器、吸入口和螺杆泵。 e s p c p 有如下优点：a 消除了引起机组故障的抽油杆。b 使用变速驱动装置便于控 制速度。c 取消了地面驱动装置，解决了油管“反转”的安全问题。d 减少了运行费用，提高 了斜井、定向经及稠油井的经济效益。 ( 4 ) 空心杆采油技术 空心杆采油工艺技术由于具有减轻偏磨、有效提高泵效、节省作业工序和作业费用 等优势。该工艺技术主要由井口分流泵、扶正器、液力反馈空心杆抽油泵以及井下锚定 锁紧系统等组成。空心杆采油工技术的主要特点：上行排液、下行进液；下行程减少 了由于液体在空心杆内流动产生的下行液流阻力，增加了由于液柱作用于小柱塞产生的 下行动力。所以，能有效解决常规空心杆采油存在的管柱下行困难的问题；在下行过 程中，有利于空心抽油杆基本处于拉伸状态，减少螺旋弯曲效应，所以，能有效延长空 心杆的使用使命；采用液压座封丢手，锁环锁紧的井下锚定锁紧系统。 ( 5 ) 连续抽油杆技术 连续抽油杆技术是加拿大c o r o d 公司开发的具有半椭圆截面和圆截面的抽油杆， 按照a p i 标准，连续抽油杆的截面相对应制成七种规格的半椭圆截面杆和三种圆截面 6 中国石油人学( 华东) 工程硕j ：学位论文 杆，其规范从1 9 m m 到2 8 6 m m ，每级增量1 6 r a m ，它具有以下优点：1 ) 连续抽油杆与 普通抽油杆相比，中间没有接箍，全长只有两个接头，大大减少了由于接头松动、接头 腐蚀、磨损等导致的检泵作业；2 ) 连续抽油杆端截面的科学设计，可以减少抽油杆与 油管之间的磨损：3 ) 连续抽油杆柱消除了接箍的活塞作用；4 ) 连续抽油杆可以减小杆 柱应力，与普通抽油杆相比，较大直径的连续抽油杆可下入较小的油管内，因而杆柱应 力减小。 ( 6 ) 其它辅助技术产品 t ri b o n i c2 0 钢：它是一种铁基合金，主要含有13 m n 、5 s i 、5 5 c r 和5 n i 是一种抗擦伤、耐磨性能好的奥氏体钢，因其高硬度表层外形成一个半透明氧化膜，在 滑动工作条件下能产生润滑作用，因此制成的抽油杆接箍可靠性大大提高 6 1 。 聚酰胺接箍：聚酰胺是一种高分子材料，经过特殊工艺处理后，胶合在钢制接箍 表面，这样制成的接箍具有耐腐蚀、不磨损油管、使用寿命长的特点。 第二章抽油机井杆管偏磨机理分析 第二章抽油机井杆管偏磨机理分析 2 1 抽油杆管偏磨的特点 直井中造成抽油杆偏磨的原因除了油管弯曲和局部井斜之外，主要还有抽油机下行 程中，抽油杆所受到的多种向上的力，如液体对抽油杆底部的浮力、抽油泵游动阀的阻 力以及柱塞的摩擦力等【1 8 】，向上的力阻碍抽油杆柱，致使下部的抽油杆柱受压发生螺旋 弯曲变形，从而使下部螺旋弯曲的抽油杆柱与相应位置的油管相互接触而偏磨。上部抽 油杆柱因受重力等而受拉，基本保持直线状态。 目前，许多抽油杆偏磨的油井，井斜度小，没有套变的影响，而且大多数油井油管 的底部都有尾管，能抵消一部分虚拟力，加上油管和抽油杆尺寸、受力的差异，在大多 数油井中，抽油杆柱的偏磨主要由下行程抽油杆柱的螺旋弯曲变形所引起【2 儿引。 从磨损后抽油杆的截面形状看，大部分抽油杆属单侧磨损，即抽油杆偏磨。当抽油 杆在油管内做上、下往复运动时，在弯曲点处，抽油杆柱与油管柱相互接触并相对滑动， 接触点面积小，由此产生磨损，抽油杆柱的磨损应属粘着磨损。 在接触点处，抽油杆和油管两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下，表面层发生塑 性变形，表面的污染膜、氧化膜发生破裂，使新鲜的金属表面裸露出来，由于分子力的 作用，两表面发生焊合，当外力克服结合力使两表面继续保持相对运动时，强度较低一 方( 抽油杆) 的表面层受剪切作用而粘附在强度较高一方( 油管) 的表面上，在重复摩擦过 程中，前者表面逐渐磨损，而后者表面的粘附层以磨屑形式脱落，抽油杆磨损相对严重， 而油管的磨损不明显，此外，在整个上、下冲程期间，抽油杆柱只是在接触点附近的一 小块区域内发生磨损，而油管柱则在整个冲程范围内相对较宽的区域内发生磨损，这也 是造成抽油杆较油管磨损严重的原因之一。 2 2 抽油杆受压失稳弯曲造成偏磨机理 在垂直油井中，下冲程抽油杆柱在油管内弯曲是杆管偏磨的一个重要原因 1 】【1 7 】。采 用图2 1 所示的力学模型研究抽油杆柱下冲程的弯曲变形，即抽油杆柱顶部固定，下端 属于可轴向滑动的固定支撑。抽油杆柱受两种力的作用，一是轴向分布力g ，二是悬点 下冲程作用于抽油杆柱下端的集中轴向压力c ，为便于研究，假设轴向分布力q 沿抽油 杆柱轴向均匀分布。由图2 1 ( a ) 可以看出，在抽油杆柱上存在一个中和点，即中和点以 上杆柱的重力由悬点承受，中和点以下杆柱的重力与轴向压力c 相平衡。中和点以上的 杆柱受拉力作用，不会产生弯曲；中和点以下的杆柱受压，当集中轴向压力增大到一定 中国石油大学( 华东) - t 程顾十学位论文 彤箬+ 万d y n 0舱兄 m 2 ， i e i 矛d 3 y + 弘芸+ 廿- 0 肛x ， r 叫 ( - )( b )( c ) 图2 - 1 抽油杆柱弯曲后的弯曲力学模型 f i g2 - 1b e n d i n gm e c h a n i c a lm o d e la f t e rb e i n gb e n to f r o ds t r i n g 上述数学模型化简后可以采用级数法求解，并根据边界条件可以求出抽油杆柱产生 不同次数弯曲时的临界轴向压力 l = x 2 ( e i q 一1 ) j ( 1 - 3 ) 9 第二章抽油机井杆管偏磨机理分析 式中，而为系数，见表卜2 乜1 。 表2 - 1 系数x 2 j 的计算表 t a b l e2 - 1 c o m p u t a t i o nc h a r to fc o e f f i c i e n tx 2 j 弯曲次数j l2 3 4 系数x 2 3 5 l4 7 26 3 67 3 当轴向压力e 大于或等于抽油杆柱一次弯曲的临界轴向压力c 。时，杆管将产生弯 曲，造成抽油杆与油管之间产生横向力，并减小接触面积，产生偏磨的条件，这样，可 以认为杆管偏磨的临界条件为 l e 3 5 1 ( e i q 一) j ( 1 - 4 ) 对于目前常用的钢制抽油杆，弹性模量e 为常数，临界压力取决于抽油杆柱所受的 轴向分布力g 和抽油杆直径。 2 3 抽油杆管偏磨原因分析 在抽油机井采油系统中，杆管偏磨分为机械磨损和腐蚀磨损两种。 2 3 1 机械磨损 通过对现河采油厂抽油机井偏磨现状和偏磨特点分析可以看出，机械磨损是抽油杆 柱、油管柱失效的最主要原因。机械磨损主要包括井身结构的限制、杆柱失稳、杆柱弹 性变形等，研究机械磨损，对于制定治理杆管偏磨技术方案起着至关重要的作用【5 】【7 】。 ( 1 ) 井身结构限制的影响 a c日 ( 曲 ( c ) 图2 - 2 井斜角对抽油杆管偏磨的影响示意图 f i 9 2 - 2i m p a c to fd e v i a t i o na n g l eo ne c c e n t r i cw e a r b e t w e e nr o da n dt u b e l o 中国石油大学( 华东) 工程硕卜学位论文 由于钻井水平的限制，很难保证井身完全垂直，这样套管在某一段就会出现弯曲现 象，其后下入的油管也会随着套管弯曲，且当弯曲段出现在泵以上，由于抽油杆在油管 中的上下往复运动，会造成杆管之间的接触摩擦。弯曲段的弯曲角度越大，抽油杆与油 管之间的磨损就越严重。这种磨损发生在抽油杆的上下两个冲程中，磨损是较严重的m j 。 近些年，随着开发的需要，斜井、定向井、侧钻井数的不断增加，导致杆管偏磨油 井不断增加，目前，现河采油厂每年新增油井8 0 以上为定向斜井，井斜度为几度到几 十度。这些井在井口以下的某一个区间内，油井成垂直状态或井斜较小，在造斜段，油 管随井身轨迹弯曲，一般来说，在井口以下某段区间内油管不产生变形，在这个深度之 内的管杆不产生磨损，从造斜段以下偏磨严重。 由于油井本身存在井斜、狗腿、套变等井况因素，导致油管在井筒内发生偏移，而 油管内的抽油杆在重力作用下趋于垂直，致使管杆接触磨损。这种偏磨可提前对油井井 身轨迹进行测量，做好预防措施，一般不会给生产造成太大损失。这里需要说明的是， 在直井上也避免不了偏磨。 ( 2 ) 杆管受力运动失稳弯曲 抽油杆的运动失稳弯曲产生于下行过程，下冲程时，在中和点以上抽油杆是拉伸状 态，中和点以下的抽油杆受压而弯曲。由于抽油杆弯曲，使得抽油杆与油管发生偏磨。 如果油井结蜡、油稠等问题都会造成抽油杆下行阻力增大，促使抽油杆失稳弯曲，最终 导致杆管偏磨现象的发生。如果油井出砂，会加重偏磨现象。 抽油杆上的作用力是抽油机的运动参数、下泵深度、杆柱组合、油井液体物性等的 综合反映，它能直接影响着抽油杆中和点( 应力零点) 的位置，当受向上的力大时，中和 点的位置靠上，抽油杆在下冲程过程中发生弯曲变形的概率就大，造成管杆磨损的概率 就大。抽油系统在工作中，由于杆管在径向上基本上不发生转动，抽油杆有规律地作上 下往复运动，造成杆管总是在同一方向、同一部位上发生摩擦，很容易造成摩擦部位的 杆管失效【9 】。 ( 3 ) 油井生产参数造的影响 抽油机正常工作时，抽油杆在上、下冲程过程中的受力情况是不同的。上冲程时， 泵上液柱载荷作用在抽油杆上，抽油杆受拉，整个杆柱基本呈直线状态。下冲程时，抽 油杆主要受二个方向的力，一个是自身向下的重力，另一个是向上的力，这个向上的力 取决于井下工况的多种因素，其中油井生产参数中的冲次越高、产生的阻力就越大，偏 磨的部位就越多，同时偏磨的次数增多，加快磨损。 第二章抽油机j ：杆管偏磨机理分析 ( 4 ) 油管弯曲的影响 抽油杆上冲程时，游动阀关闭、活塞向上推动油管内的产出液上移。由于管内介质 的重力转移到抽油杆上，油管受到向上的力有浮力、管内产出液的摩阻和泵活塞摩擦力， 这些向上的力与油管重力向抵消，油管存在一个中和点，油管中和点以下发生弯曲。油 管失稳弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近。目前，许多杆管偏磨的油井，油管的底 部设有尾管，中和点下移，从而避免泵上油管弯曲，因此油管弯曲的影响一般认为较小。 ( 5 ) 抽油杆柱振动的影响 抽油杆柱的振动有两种情况，一是抽油杆柱的变速运动及承受交变载荷将使杆柱产 生振动，一个行程振动6 8 次；二是液击振动，液击是由于上行程时泵未完全充满所引 起。当下行程开始后，整个液体和杆柱载荷充当了“自由落体”，通过一段“空洞”向下运 动，直到柱塞击中泵筒内的液面，此时游动阀被打开，杆柱载荷突然传送到油管上，引 起杆柱载荷的急剧下降，同时释放出振动波传至整个井下抽油系统。液击振动产生的危 害包括杆发生弯曲，在接头附近断裂，杆管相互磨损，造成的大部分断裂通常出现在泵 上大约1 3 0 米以内。 ( 6 ) 抽油杆的杆柱组合影响 从刚度角度、抽油杆柱力学和抽油杆柱轴向力分布可以看出，抽油杆直径越小，越 容易弯曲；抽油杆直径越大，越不容易弯曲。但受油管尺寸和产量的制约，抽油杆直径 不能过大，这就要有合适的组合，以防止变形。由于不同的抽油杆组合使抽油杆的变形 长度不同。很明显，当抽油杆直径大、下行阻力小，则变形跨度的长度增加，抽油杆变 形的次数就减少，则管杆磨损的几率就少。 2 3 2 腐蚀磨损 腐蚀磨损是抽油机井采油系统中杆管磨损的另外一种磨损形式，这种形式主要体现 在油田的开发后期。随着我国老油田的不断深入开发，油液中的含水量大大地增加，部 分油田含水达到9 0 以上，含水量的增加也带来了产出液的物性变化。 腐蚀加速了杆管磨损，油管与抽油杆腐蚀的根源涉及油管与抽油杆本身以及与油管 与抽油杆接触的活性介质和腐蚀条件。油管与抽油杆本身是由含f e 原子的金属构成的， 由于f e 原子失去电子变成为f e 2 + 离子而与介质发生化学反应。一般来说，优质油管与 抽油杆不易腐蚀，劣质油管与抽油杆和薄弱部位腐蚀快。就介质而言，原油中含硫，天 然气中含0 2 和h 2 s ，地层水中含有各种盐类离子和结垢、溶解氧等，它们均以离子的 形式长期作用于油管与抽油杆表面，与油管与抽油杆中的f e 和f 2 + 发生反应而腐蚀管体。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 腐蚀条件还包括一定的温度、压力、f e 2 + 浓度及地层水中存在的还原菌等。腐蚀磨损主 要受以下因素影响： ( 1 ) 产出液腐蚀介质的影响 油井含水量大量增加的同时，出现了其它化学物质含量过高的特点，即矿化度、a 一、 日：s 等含量过高。产出液中这些化学物质的大量增加，导致了抽油杆和油管等金属物质 发生化学腐蚀的速度大大增加，最终导致了抽油杆以及油管的腐蚀失效。现河采油厂采 油一矿2 0 0 7 年综合含水已经高达8 9 8 ，且产出液中含有大量的腐蚀介质。据产出液水 质检测报告，矿化度高达1 3 0 0 0 m g l - - 2 5 0 0 0 m g l ，个别井达到1 0 0 0 0 0 m g l 以上，现场 调查发现，几乎每口井都存在腐蚀问题，抽油杆接箍尤为严重。腐蚀和机械磨损可以互 相促进，当杆管磨损以后，就加快了腐蚀的速度，而杆管被腐蚀后，其强度降低，磨损 的速度也会加快。 ( 2 ) 缝隙腐蚀和冲蚀的影响 由于产出液含水较高及产出液的强腐蚀性，使油管、抽油杆螺纹联接处产生缝隙腐 蚀；另外，由于产出液对油管公螺纹外缘的冲刷作用，再加上产出液的强腐蚀性，发生 冲蚀，易使油管公螺纹老化。油管螺纹联接处处在偏磨腐蚀、缝隙腐蚀和冲蚀的综合作 用下，易使该处产生油管断脱、刺漏【1 5 】，现场数据调研发现，排量大的油井，产出液流 速快，冲蚀现象增多。 ( 3 ) 油井含水的影响 随着含水的不断增加，油井产出液的化学性质也在发生变化。当含水大于7 4 以后， 油井产出液由油包水转换为水包油，在此产出液中工作的抽油杆、油管的外壁就失去了 油液的保护作用，腐蚀速度加快，同时原有摩擦的润滑剂由原油变为产出水，产出水直 接接触金属，产生化学腐蚀。另外，由于杆管本身原来就存在磨损的情况，又失去原油 的润滑作用，使得油管内壁和抽油杆磨损速度加快，杆管间的摩擦系数和磨损率加剧【l l 】。 ( 4 ) 管、杆等的材料耐腐蚀性能较差 由于油井的产出液具有强腐蚀性，而所用的油管耐腐蚀性能达不到要求，油管表层 涂料的强度和耐腐蚀性较差，再加上已经存在的偏磨，因此，油管腐蚀、磨损严重，甚 至穿孔和磨蚀成裂缝。 通过分析机械磨损和腐蚀磨损的原因，并对现河采油厂杆管偏磨井的调研，机械磨 损是抽油机井杆管偏磨的主要因素，其中，井身结构限制、抽油杆柱受力运动失稳弯曲 又是机械磨损中的主要原因。 1 3 第三章抽油杆柱力学分析 第三章抽油杆柱力学分析 抽油机井下冲程中，由于各种因素的影响，抽油杆会因承受压力发生失稳弯曲，与 油管产生局部接触而偏磨。要分析抽油杆管弯曲造成的偏磨，就要对抽油杆柱受力计算 分析，明确抽油杆柱的受力组成，并对各项受力组成进行分析，为实施偏磨治理措施提 高设计依据。本章从力学的角度，对偏磨的抽油杆受压失稳弯曲进行深入的讨论。 3 1 单级抽油杆柱的力学分析 油田现场使用的抽油杆柱有两种类型，一是由许多根抽油杆通过接箍连接在一起， 二是连续抽油杆，国外曾报道过使用连续抽油杆治理偏磨的报道，连续抽油杆在胜利油 田应用量近年来逐年递增，胜利高原公司目前已经有1 3 套作业队伍。为了方便计算， 在本节的计算中将忽略接箍的影响，而将整个抽油杆视为一个直径相同的细长杆。 3 1 1 单级抽油杆柱轴向力的组成 当抽油机工作时，直井任意井深处抽油杆柱的轴向力均由以下几项组成： ( 1 ) 抽油杆柱自重，作用方向垂直向下； ( 2 ) 油井液体对抽油杆柱的液体浮力，作用方向垂直于抽油杆柱轴线向上； ( 3 ) 油管内液柱在抽油泵柱塞有效面积( 即柱塞截面积减去抽油杆截面积) 上所产生 的液体力，即油柱重，其方向垂直于柱塞表面向下； ( 4 ) 油管外液柱对柱塞下表面的浮力，其大小取决于泵的沉没度，方向垂直于柱塞表 面向上； ( 5 ) 抽油杆柱与液柱运动所产生的惯性力。惯性力正比于悬点运动的加速度，方向与 加速度方向相反； ( 6 ) 抽油杆柱与液柱运动产生的振动力，其大小和方向都是变化的； ( 7 ) 各运动副之间的摩擦力，包括：泵筒与柱塞之间、抽油杆柱与油管之间的半干摩 擦力、抽油杆柱与油柱之间、油柱与油管之间以及液体流过抽油泵游动阀时的液体摩擦 力，它们均与抽油杆的运动方向相反。 ( 8 ) 液体通过泵游动阀时的水力阻力对柱塞底部所形成的向上的推力 上述( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) i n 项与抽油杆柱的运动无关，称为静载荷；( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 8 ) 三项力与抽油杆柱的运动有关，称为动载荷。 3 1 2 单级抽油杆柱轴向力的计算方法 ( 1 ) 泵活塞与泵筒之间的半干摩擦力1 9 】 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕j 二学位论文 o 9 4 阜“o ( 3 - 1 ) 式中，d p 为抽油泵公称直径，m m ；万为泵筒与柱塞在半径方向上的间隙，m m ；为 泵活塞与泵筒之间的半干摩擦力，n 。 摩擦力与活塞运动方向相反，据参考文献【1 8 】，其大小一般不超过1 7 1 0 n 。 ( 2 ) 液体通过泵阀时的水力阻力对柱塞底部所形成的向上的推力 先计算液体的雷诺数 耻5 2 6 3 岛善( 3 - 2 ) 式中，n 为冲程，m ；s 为冲次，m i n l ；成为抽汲液体密度，k g m 3 ；段为抽汲液体 动力粘度，m p a s ；r 。为雷诺数。 流量系数 “= 0 2 8 ( 当r 。3 x1 0 4 时) 甜：土立霉s 刀( 当疋 3 1 0 。时) 1 9 u cxp | d j 下冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力 ：丽1snk丁a3p(1+aap。p)(洲)：成 ( 3 3 ) 上冲程游动阀关闭。 式中，a o 为游动阀座孔截面积，4 = 百7 2 ，m m 2 ；成为游动阀座孔直径，m m ；a p 为 抽油泵柱塞面积，4 p = 三d p 2 ，m m 2 ；魄为游动阀数目，个； ( 3 ) 作用于抽油杆柱底部液体向上的浮力 只= a ，h p 三g ( 3 - 4 ) 式中，h 为抽油泵沉没度，m ；a ，为抽油杆面积，m m 2 ；b 为作用于抽油杆柱底部液 体向上的浮力，n 。 ( 4 ) 液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱之间的摩擦力主要与杆柱的运行速度以及油液本身的物性有关，其 第三章抽油杆柱力