（机械设计及理论专业论文）抽油机井杆管磨蚀机理及试验研究.pdf

中国石油大学博士研究生学位论文 摘要 随着油井中、高含水期开采阶段的到来，抽油机井井下杆管偏磨严重地影响 了油井正常生产，加速了井下设备的破坏，增大了检泵工作量以及提高了油田的 生产成本。因此，有必要对杆管偏磨的成因和力学机理进行研究，为防治杆管偏 磨提供理论依据。同时，这对于丰富和发展管杆偏磨理论具有重要的理论创新意 义；对于延长偏磨井平均免修期，降低油井维护工作量和油田降本增效都具有重 要的实际意义。本文主要从四个方面研究了管杆的偏磨腐蚀问题： 第一方面主要研究了抽油井管杆偏磨的影响因素。通过定性分析，找到了影 响管杆偏磨的各种因素；通过建立故障树模型进行定量分析得出，影响管杆偏磨 失效的因素除使用不当和人为损伤以外，材质种类和热处理缺陷是导致管杆偏磨 失效的主要原因，抽油井型和杆柱弯曲也是影响管杆偏磨失效的重要因素。 第二方面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、内外压等影响因素，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。 第三方面主要从管杆材料腐蚀方面来研究，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试验，然后比较得到了以下 结论：腐蚀速率随着温度的升高而升高；在不同的介质中，试样的腐蚀速率随着 应力的增大而增大。 第四方面主要是管杆磨蚀试验机的研制和管杆材料磨蚀实验研究。根据调研 资料，设计了一套管杆磨蚀试验装置，利用该试验装置优选管杆耐磨副，得到涂 料油管与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。 关键词抽油机井，油管，抽油杆，偏磨，腐蚀，磨蚀机理 中国石油大学博士研究黛学位论文 c o r r o s i v ew e a rm e c h a n i s ma n d e x p e 掰m 嚣n 薯庭毛s 霉籽d yo n 譬珏e t u b e & r o di nt h ep u m p i n gw e l l a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f e x p l o i t a t i o np h a s eo f m e d i u ma n dh i 馥c o n t a i n i n gw a t e rp e r i o d i no i l w e l l s ，s i d e - w e a rp r o b l e mo f t u b ea n dr o di no i l w e l li n f l u e n c e sp r o d u c t i o n s e r i o u s l y , a c c e l e r a t e sd e s t r o y i n go fe q u i p m e n t s ，a u g m e n t sw o r k l o a do fc h e c k i n gp u m p sa n d i m p r o v e sp r o d u c t i o nc o s t s 。t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec a u s ea n dm e c h a n i c a l m e c h a n i s mo fs i d e - w e a ro ft u b ea n dr o d , a n dp r o v i d et h e o r yb a s i sf o rp r e v e n t i o na n d c u r eo fs i d e - w e a r a tt h es a m et i m e ，i th a si m p o r t a n ti n n o v a t i v em e a n i n gf o re n r i c h i n g a n dd e v e l o p i n gs i d e - w e a rt h e o r y ；i th a sa l s oi m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n gf o rp r o l o n g i n g e q u a lp e r i o do f e x e m p tf 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 ew o r k l o a d sa n dl o w e r i n g c 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 ns t u d i e di nt h i st h e s i s ： f i r s t l y , s i d e - w e a ri n f l u e n t i a lf a c t o r so f t u b ea n dr o di nt h ep u m p i n gw e l la r em a i n l y s t u d i e d 。t h r o u g hq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，d i f f e r e n ti n f l u e n c ef a c t o r so ft u b ea n dr o da l e f o u n do u t ；t h r o u g hs e t t i n gu pf a u l tt r e em o d e la n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，s i d e - w e a rf a u l t f a c t o r si n c l u d em a t e r i a ls o r t sa n dh e a tt r e a t m e n t sf a u l te x c e p tf o rd i s o p e r a t i o na n d a r t i f i c i a ld a m u i f i c a t i o n , a n dt y p eo fo i l w e l la n db e n d i n go fr o da r ea l s oi m p o r t a n t f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c es i d e - w e a rf a u l to f t u b ea n dr o d s e c o n d i kd 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 ，d e a d w e i g h to f t 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 sa 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 gl o a d so f t u b i n g a n dp u m p i n gr o di nt h ev e r t i c a la n di n c l i n e d - v e r t i c a lw e l la l ec o m p u t e dr e s p e c t i v e l y t h i r d l y ，c 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 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 no 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 ta d v a n c e = s t r e s s e s , t e m p e r a t u r e sa n dc o r r o s i v em e d i u m s , w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n s ：c o r r o s i o nr a t e sb e c o m el a r g e ra n dl a r g e rw i t ht e m p e r a t u r e r i s i n g ；c o r r o s i o nr a t e sa l s ob e c o m el a r g e ra n dl a r g e rw i t hs t r e s s e sb e c o m i n gl a r g ei n d i f f e r e n tm e d i u m s 。 l a s t l y , c o r r o s i v e - w e a rm a c h i n ei sd e v e l o p e da n dc o r r o s i v e - w e a re x p e r i m e n t so f t u b ea n dr o dm a t e r i a l sa l es t u d i e d a c c o r d i n gt oi n q u i s i t i o n a li n f o r m a t i o n , as e to f c o r r o s i v e - w e a re x p e r i m e n te q u i p m e n ti ss e tu p ，a n da n t i - w e a rp a i r so ft u b ea n dr o di s s e l e c t e dt h r o u g ht h ee q u i p m e n t ，f i n d i n gc o a tt u b ea n df g 2 0j o i n th o o pf r i c t i o np a i r si s e x c e l l e n t ；t h e nw ef m dc o r r o s i v e - w e a rr u l eu n d e r d i f f e r e n tl a t e r a ll o a d sa n dt e m p e r a t u r e s 。a n dw ec o n s i d e rt h a tc o r r o s i v e - w e a rr a t i o i n c r e a s e sw i t h t h el a t e r a ll o a d si n c r e a s i n g , a n df i r s t l yi n c r e a s c sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r e h o i s t i n g k e y w o r d s s u c k e r - r o dp u m p i nw e l l ；t u b e ；s u c k e r - r o d ；s i d e - w e a r ； c o r r o s i v e ；c o r r o s i v e - w e a rm e c h a n i s m 抽油祝并杆管磨蚀枧理及试验研究 创新点摘要 ( 1 综合分析了造成管秆偏磨腐蚀的各种原西，总结得出了井斜套变、必 稳弯曲和冲刷腐蚀是造成臀杆磨蚀的三火主要原因。利用故障树分析方法，明确 了管耪跨疆失效魏圭次豢颡。敌障撵分凝蘩票诀为，涂去入秀损经秘霞矮苓当造 成管秆失效外，管杆的材质种类和热处瑷缺陷也是导敬管杆失效的重要原因，丽 并型和管杆失稳弯曲是造成管杆偏磨的象要原因。( 见第3 章) ( 2 ) 校据变形力学麓懿瑾谂、运溺学理论、掇韵理论移流锩力学理论，遥 过数学物理方程，确定了抽油杆在油井中的中和点位鬣；分别建崴了油管和抽油 栉在垂直井秘斜直井中的三维属曲力学撰型，得到了麓维屁热力学方程。通过斌 鼗毽论分辑，获得了演誉和擒涵稃在斜藏并和垂直势中发生正弦瘸魏移嫖旋届虢 的临界轴向载荷，并得到了抽油杆在垂岚井中发生偏麟接触的临界轴向载荷。( 见 第4 章) ( 3 ) 通过常用管秆材料常规腐蚀实验、温度腐蚀实验和预斑力腐蚀实验研 究，认为腐蚀介质的矿化威越大，管杆腐蚀速率就越快，并且管杆腐蚀速率随翁 奔羡温度魏势蹇嚣麓抉，薅罄营杼榜辩谈应力魏蹭大瓣增大。( 见繁s 拳 ( 4 ) 建立了能基本念面模拟并下置况的管杆磨蚀实验台，并借助该实验台 开始了一系列研究工作，目前已经完成常用管杆材料艨擦副的筛选实验，认为非 瓣豢锈接箍与涂瓣涵管配会瘗锤率最低，褥在6 5 懿舞琵下，茚s 淫管与2 0 c r m o 接箍的磨蚀率最高。管杆的磨蚀率随径向载荷的增大而增大，随温度的升高而先 增大到一最大使后又有逐渐降低的趋势。( 见第6 章) 第1 章引言 第 章弓| 言 1 。1 问题的提出 褥渣工韭中，祝械采油势豹警杼偏密是j 鑫滚手予与生产溜镑之闻接触簿擦弓| 起， 随着油井中、高含水期开采阶段的到来，这种偏磨现象日益突出，管杆偏磨问题 实质怒磨蚀闯题，因摩蚀造成的油井维护工体爨聪占比例大摄上舞。以胜列油田 东辛袋涵厂为翻，麓静发瑷存谯纛蚀劳占麴浦獍井的2 7 ，占撞酒劳开_ 箨数的 4 4 ，闳管杆磨蚀造成的维护工作量占总维护置作量的3 5 左右。而在其他油田， 如濮城浊墨，据2 0 0 1 年统计，偏惑腐蚀井已幽1 9 9 3 年的8 8 霹上舞到曩翦携2 2 8 日，蠢油墨接漓势总数的3 7 6 ，占频繁作致井数的6 6 5 ，占全年捡浆作业工 作量总和的3 5 5 5 ，管杆使用寿命也因偏磨腐蚀缩短了4 0 - - 6 0 ，年均因偏磨 鹰蚀造成更换油管1 5 0 0 吨，更换糖洼枉l o 万米，经济损失达2 5 0 0 万元。孬妇辑 日油田，1 9 9 5 年演嘲共有偏蘑潞饿并2 7 口，占油并总数酌4 8 3 ，占颡綮作业 井的7 6 4 ，管杆偏磨造成的作业工作量占全年检泵作业总正作量的4 1 7 ，杆、 管的傻耀毒念也露镳壤瑟缠短了4 0 6 0 。例鳃：辑2 1 - 2 4 磐，浊管下势l l 天， 泵以上3 0 米处油管率体磨破；桥7 - 4 并，油管下并2 0 天，浆以上8 l 米鲶油管本 体磨穿。每年因杆、管偏磨而造成的经济损失就达4 0 0 余万冗，间接经济损失在 予万元以上。照坨濑爨8 5 蜀搀演势管枵偏戆现状调查绶骥，严重编爨势数占 5 0 6 ，偏磨多发生在泵上4 0 0 m 以内，摘油秆接箍比本体磨损严重。孬如萨中油 田，抽油机偏磨井数在1 9 9 8 年为l l l 口，到2 0 0 0 年上升到8 8 0 口；与此相应， 捡泵搴囊1 9 9 8 年豹4 3 。7 3 上舞黧2 0 0 0 年豹7 3 a 9 ，捡浆返工辜圭1 9 9 8 年静 3 6 9 t 升至2 0 0 0 笨的6 4 1 3 ，两年内几乎鞠了一番。全国箕他油田也存在类似 问题，管杆磨蚀井数也基本保持谯这个比例。分析原因，偏磨腐蚀成为影响油田 歪零嚣发蕊重要鑫豢，势显这些戮素瞧严重影堍蓑我嚣漉爨巍效、媛耗雯产懿发 展，解决管秆磨蚀闯题已成为采油工程长期工律的重点。 目前随着油田歼发的不断深入，综合含水邂年上升，我阑大部分油田已进入 7 孛、褒会承麓嚣浆羚段，撞酒势骢共嚣发生了较大兹交纯，致使撼淫受产过程 中的磨蚀问题交得越来越突出。丽偏磨使抽油秆外表面钢质受到破坏，腐蚀作用 第1 章引言 加剧，磨损与腐蚀相互作用，加快了管杆磨损速度。这使得油井免修期明显降低， 维护工作量大大增加，明显提高了采油成本。表1 1 是对胜利油田六个采油厂1 1 4 1 口偏磨井的基本情况汇总结果。 表1 - 1 胜利油田六个采油厂偏磨井的基本情况 t a b l e1 - 1e l e m e n t a r yd a t ao f s i d e - w e a rw e l l so f s i xo i lp r o d u c t i o nf a c t o r i e s i ns h e n g l io i l f i e l d 统计井斜井，定直井免修期少于免修期9 1 免修期1 8 1 序号 单位 ( 口)向井( 口) ( 口) 9 0 天( 口)1 8 0 天( 口)3 6 5 天( 口) l 临盘 3 7 68 42 9 22 28 61 3 5 2胜采2 8 9 5 32 3 6 6 88 77 5 3 滨南 2 2 24 21 8 02 64 77 4 4桩西9 83 66 2o65 7 5孤岛8 2 8 21 51 8 1 7 6河口7 42 15 31 52 62 8 合计1 1 4 1 2 3 69 0 5 1 4 62 7 03 6 6 从表1 1 可见，偏磨井的平均免修期在1 5 0 天左右。免修期低于1 8 0 天的油 井数在胜利采油厂和河口采油厂比例都高达5 0 以上。 随着油井中、高含水期开采阶段的到来，机械采油过程中的管杆偏磨问题日 益突出，究其原因，主要包括三个方面： ( 1 ) 油田开发到中后期，由于油井生产井况发生较大变化，导致的直接后果 就是抽油杆柱、管柱的受力状况变的恶劣，油井管杆偏磨问题越来越严重；另外 井液高矿化度的影响，更加速了管杆的偏磨。 ( 2 ) 由于井身结构自身问题，引起油井偏磨；随着油田开发的深入，油藏地 质条件发生了较大变化，受地应力和其它因素的影响，一些油井的套管变形问题 变得严重，胜利油田现有套管变形油井3 5 0 0 口左右，其中属于套管弯曲变形的油 井占3 0 左右，而且还在以平均每年5 0 0 口的速度增加，这些井的存在必然造成 管杆的偏磨。 ( 3 ) 因为油田开发的需要，定向井、斜井增加，导致管杆偏磨井的增加；斜 井、定向井由于能根据需要合理的布黄井位，所以得到了广泛的应用，特别是油 田开发到后期，由于井眼加密的需要或受城市建筑物等因素的影响，斜井、定向 井的需求有增加的趋势，而斜井、定向井的自身井身结构必然造成抽油杆、油管 第1 章$ 言 豹接驻，造成漓井浆管释薅壤。 。2 研究的目的意义 通过综合分析研究应用文献可以发现，对磨蚀机理现在比较一致的观点是： 第一、井斜套变引起抽油杆管的弯曲产生磨损：第二、抽油杆的纵横弯曲和失稳 交形是造残管稃瘗损静基本淼因；繁三、采漓参数 式孛 芦一螺距，m ； f 一弹性模量，g p a ； ，一截面矩，一： ，一轴力。n 。 螺旋弯鼗襄弓l 起懿餐l 圭齄淘位移懿谤箕公式： 上= 三譬) ( 2 - 4 ) 芝三譬) 式中，一镑柱半径，m ； 三一嚣整茨发，1 1 1 ； q 一镗柱单健长度霾力，9 。8 n 。 他们考虑了温度变化、内外压力变化及螺旋屈曲所引起的管柱长度的改变， 裁警挂在封隔器孛港毒垂蠢鑫由运动、灸沿一个方惫( 有限) 运动戳及不能运动这 三种不同的约束情况，对管柱的变形、管柱砖封嘱器之间机械终熙力的大，j 、应 5 一句7 2 一 l 旦弦 胛一瞰 一泐 第2 章管稃编整藩蠢舞磷究褒捩 力麴分蠢以及鼷趣孬必送行了 于论。 1 9 6 4 年。p a s l a y 、b o g y 5 】等利用能量法对管枝在斜嶷圆井中的稳定性进行了 理论分析，导出了管樵在斜赢并眼中发生最弦屈曲的临羿载荷计算公式； k ( 1 。+ _ v ) 9 ( 1 殛- 2 0 “k t q ) l 嘉警( 钔( 2 - 5 ) 锄 ”。押2 胁i 丌jl “ 式中矿一泊松比，一般取y * ； 1 9 7 7 1 9 8 0 年期间，h a m m e r l i n d i t 6 - s 1 只r j - 带封隔器的多级组合秆柱的受力、应力 耧经移黪诗箕等遴嚣7 分辑，遴一步扩大7l u b i n s k i 理论懿霞惩条蟹器范錾。 1 9 8 2 年，d a w s o n 、p a s l a y 嘲等在前人工作的基础上，通过求极值使式( 2 5 ) 进一步简化为： 吩z ( 挚了5 协s ， 2 0 世纪8 0 年代以来，有不少学者分析了受愿杆柱在水平井、斜并和竖直井 孛浆失稳螺旋嚣麓滔题。蔻爨魏磅究都涯实了著下秆柱在压力穗整瑟，髓者载荷 的增加，杆轴线逐渐由芷弦曲线形状变为螺旋线形状。其中m i t c h e l l 1 0 l 等虽然对 杆柱在井跟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 芬，毽鬈无法餐爨释程疆莲交形屠镳磨点静位置，赣及释柱藩辫变形螽的形状和 屈髓变形规律。m i t c h e l l e l l 】还得到了在丈变形情况下受压杼柱屈数后的挠度曲线鲍 微分方程。 1 9 8 4 年，c h e a t h a m 、p a t t i l l o t 控滞能量法分析了无重管柱在辘压彳挈麓下魏嫘旋 后属曲构形。 进入2 0 世纪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 往油管技零鹃不断完善和发袋，开展了管程在水平并眼戳及弯鞠并眼巾的稳定性 和鼹鳇行为的分拼和研究。 1 9 9 0 年，y u - c h ec h e n 、y u h s ul i n 、c h e a t h a m l j 3 1 等利用能量法得出管柱在水 平弗眼中发生正弦屈曲和螺旋褥曲的临乔载荷的计算公式 吒。最攀。 r ， 7 ( 2 7 ) 热2 章喾姆编壁嚣蠹外研究现状 ；f 纠”( 2 - 8 ) 式( 2 - 7 ) 与d a w s o n 等的结果式( 2 - 6 ) 一致，筑( 2 - 8 ) 与l u b i n s k i 等投据实验数 撂拨会彳导剡的公式( 2 - 2 ) 缀接近。式( 2 2 ) 霹改写为： 纠艄( 爿5 斛獬( 圹 浯9 ， 1 9 9 1 年，s c h u h t 并；对斜弯并眠中瞀柱的临界屈曲力和应力作了研究，得到了 计算垂直并和斜弯并鼹中临界屈曲力的计算方法。 1 9 9 3 年，y u c h ec h e r t 、s a r m a d a d n a n 0 5 1 等人研究了受弯曲井跟限制的篱柱的 屈曲行为。他们注意到钻柱沿井眼的布置和外部载旖的关系，月时在考虑整力莘珏 井e 艮弯曲的影响下，周能量法褥到了水平势眼、弯蝗势鼹熬蝰界菱弦萃辩螺旋屈潼 载麓。 j i a n g w u 、j u v k a m - w o l d t l 鳞辩水平并中管柱的扭曲行为进行了理论分析和实验 研究，发现管往在由稳定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，然而旦完全形成螺旋屈曲厢，摩擦力将急剧增加，严羹时会 发生自锁现象。 j i a n g w u 、j u v k a m - w o t d t l 7 j x 童斜抟中的管桂屈曲帮自镂进行了残突，分橱了斜 井中妻勺正弦屡鳆霉曩螺旋屡鼗以及由于厦鳇弓 起毂鑫谈。 x i a o j u nh e 、k y l l i n g t a d t l 8 1 邋过类院分氍认为：矮盏翦并壁对管往作稻的法淘 支菠力楚决定管柱耩界载荷的一个主要因素。 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 l 瑚对摩擦影响受横向限制管的屈曲和后屈 曲行为避行了实验研究。由管校在定向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( 包括正弦属曲和螺旋屈曲) 的歼始，对后屈曲行为也引起了 显蓑的滞后现象，与此对应，卸载力往往小予热载力。恐镪在实验磺究基破上慰 已鸯理论进行了重瓤修菱，并j c 重实落操作秽油爨应耀豹限睾透释了讨沦。 p a s l a 严o 对钻棱的应力淹鏊作7 分析，他将重点放在受拯的钻柱上，对镭 熏 静力、渤力响应力静应力均作了分析，同时也捂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 【2 1 1 运用拉格朗t ：l 算子逼近法( l a g r a n g em u l t i p l i e r 第2 章替秆偏蘑篱内务研究硗获 a p p r o a c h ) 分辑了壹势、籀务器连续弯鑫并疆孛豹管柱粒并壁豹律舔秀，给出了 管柱发生正弦属曲和螺旋屈曲是对应的管桂和井璧之间的接触力( 毽力) 的计算 公式。 弱静，w e i y o n g q i u 澎强能量法对连续窍益荠鞭中静锫柱( 挠往管 的耧馥行 为进行了分析，给出了管柱开始发生屈趣封灼载萄表达式： e 。等f t + 1 + w s i 亟n c t r r 21 倍 式孛露一载芬，n ： e 弹性模量，g p a 。 ，一截面矩，n l ： 露一并瑟半径，1 1 1 。 r 一管控半径，m ； 口嘈曲角，9 ： 稳定的正弦屈曲栽荷的表达式： 儿鼍竽i h1 w s i n c t r r 2 l 浯 非 il 一一 以及临界螺旋屈曲载荷的表达式： e ；堕r rf + 、1 w s i n a t r r 2 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，不论在理论研 究还是奁安验分析方瑟豹稃磷文献帮耽较多。 2 0 世纪8 0 枣代秘，张宁，皇、曾宠乎、汪汉采油工艺研究联等结会l u b i n s k i 、 h a m m e r l i n d l 等人的文献对封隔器管柱的受力、成力即变形分析方法进行了系统 建介绍。 1 9 8 8 枣，龚传安熙弹性力学方法分辑了液压露用下管柱黪弯鳇( 鼷蘸) 勰题。 9 0 年代期间，国内的高德利、高国华、崔孝秉等【2 3 2 5 1 也曾对井下枰管柱的力 学耩益蠲题进行过深入研究，但主要研究静是单纯无重管柱的瘸曲问题，而没有 考虑管抒撞共露作鼹下豹力学震麴运动配合建题。 9 第2 章管抒馕磨国疼癸璎究现款 1 9 9 4 每以表，毫垦牮陋2 9 l 教授瓣譬柱焱劳啜孛豹屡魏孬为遴孬了较必系统戆 研究，建立了正弦和螺旋后屈曲的数学、力学模型。通过对微无体的受力分析。 由静力平衡方程、变形几何方程和物理方獠导出了管柱在弯曲并眼中的三维屈曲 方纛： i d 4 0 d s + 旦d s | 卫e 1 “( 塑d s ) 2 陪( i s + 矗蠡嬲娟q q s ， t |”l 川f 西“ 这怒令嚣除熬嚣线毪鬻微分方程。该方毯有三耪苓弱形式静解，分聚对应予蓉 柱的三种平衡状态。零解对应予管柱的稳定平衡状态，线性化方程的解( 周期解) 对威于管柱的正弦屈曲状态，非线性化方程的非周期解( 螺旋线解) 对应于管柱 翡鳔旋藩熬获态。 焦永树、张永弘、张焱等 3 0 - 3 2 1 分别研究了流体滚动、接触愿力振动对管挂屈 曲行为的影响，识没有考虑抽油杆的屈曲问题。 1 9 9 9 年麓嚣梧帮徐秉整罄秘曾研究了受蕊箍豫弱戆耔往在水平并串豹靥巍蠲 题。 2 0 0 0 年陈洁和李尧臣p 4 l 研究了在最一般情况下受压杆柱在水平井、斜井和竖 直并中的瘸曲闯麓，并翻用有限单元法求得了初始屈曲时的稿界压力稠杆柱的轴 线形状。遴一步利愚最小势能原理磅突了圆截嚣授控在魏线共孛翦屡噩l l 趣嚣【3 砖， 得到了受压杆柱在圆弧形井中屈曲的j e 线性微分方程及相应的本质边界条件和自 然边界条件，并莽j 用有限单元法求得了初始屈曲对的临界压力和杆柱轴线形状。 最近，丛嚣、董篷t 3 6 1 燃孛擒灌橙柱产生多次戆旋震戆变形戆雅器龙、 屈曲变形眉偏磨点的位鬣、抽油杆柱屈曲变形后的杆柱形状、属髓变形规律和失 稳腧界条件等迸彳亍了研究，但没有考虑管柱的屈曲问题和管柱内外流体压力和流 凌戆影嫡，嚣戴瑗论摸蘩瞧缀苓完善，无法在实我孛撂警管抒镶密阂瑟翡貉渗。 2 2 杆警编蘑藏黑研究 有释聚并豹管稃编耱腐踵淘遂，我蓬在2 0 毽缎9 0 年代裙歼始弓| 嫠重视，如 1 9 9 0 年冯耀忠做过有关延长有杆泵井兔修期措施的研究【3 饥。9 0 年代以来隧我国 大部分油田逐渐进入中詹期开采阶段，有杆泵井的管杆偏磨问题日益突出，因此 1 0 第2 瑟管杆偏磨国内外研究现状 有关繁耪偏磨腐蚀移t 理方嚣斡磺究狂襁应盼防滚对策研究逐渐成为热点 3 8 , - 4 “。如 陈春泷等研翩的防轩管偏磨腐蚀的防腐扶i e 謦$ 1 3 8 1 ，张浇芳等研制酌使油管磨损均 匀防止磨漏的油管旋转= 器1 3 9 1 ，李泉荚等根据桥口油田抽油机井的井况和工况，在 分桥鼯致杼、管款脱、滠失的多种因素的同孵，重点对偏磨腐蚀的枫理避行了研 究，并提出了相应豹对策，通过桥2 9 _ - 2 4 井现场应用，敬得了良妊的效果i 4 0 l ， 范春字等所作的胜利油田有杆泵采油系统提高抽油效率的工作1 4 【】等。胜利油田目 藏已遴入孛、毫食瘩麓牙采阶段，抽涵并盼势茂发生了较大验变亿，致馒翔涵生 产中的偏磨腐蚀问题越来越突出，对管秆偏磨婀题研究也较多p 埘“。冯躐忠等提 出了减缓有杆泵井腐蚀和磨损的措施1 4 2 1 ，李健康等提出了防止或减轻偏磨的技术 对策；( 1 ) 改进撼瀵抒扶正器懿缝秘积毒孝质； 2 ) 采弱坐菇睫襞控制嚣鞠低载蕊 封隔器；( 3 ) 配置加重秆和油管、抽油秆旋转装置；( 4 ) 采用长冲程、低冲次的 抽油机生产参数 4 3 1 簿。大部分观点普遍认为，动液面的下降，抽油负荷的增大， 糖涵糨柱、管挂懿受力状援发生? 较大夔交织，下嫠兹涵耱犍、管挂失舔弯馥是 造成篱杆偏磨的主骤原因；而所抽液体含聚浓度的增加，含水的升高，澜滑状况 的恶化，抽汲介质的腐蚀，砂、聚合物结晶等膊粒的增多，厦进一步加剧了抽油 劳的镳瘗；其孛瓣势、定自势镳臻阉题趸掘突感。著豆镳壤搜撼溜抒、溪管终表 面钢质受到破坏，商矿化度地层水，直接作用于秆管表面，产生电化学腐蚀，偏 磨与腐蚀相互作用，加快了杆管嬲损速度。从文献资料来籍，偏磨井的含水一般 较裹，矿锤：疫毽铰麓，缡露短鬟曩| l 主要集中京鬃淫耪柱豹帮、孛下嫠、造崧点 之下，部分井出砂，部分井原油粕度较高。根据现场观察和作业队、油管厂反映， 抽油杆偏磨的部位主要是杆的接箍与油管偏磨，部分抽油杆的本体也有偏磨现象。 镶鬈菸主要集孛奁孛、鑫含本势。器洼静裹鑫零玻舔了管静滚囊懿滤溪祭终，著 加剧了腐蚀和磨损的程度。大庆油田研究表明偏磨则与井下含聚物的升高有很大 关系，如萨中油田6 4 。4 的抽油机井见聚，平均见聚浓度为9 9 5 m g l ，对不同井 弼5 5 1 强撞洼掇势凳聚浓凄及鬣纛绩猛蠲套笈瑷，吝套著鬻璃不霹程度熬冤聚， 且见聚浓度越高，偏磨发生的几率越大。聚合物浓度增加增大了柱塞运行阻力， 而且聚合物产生的法向力会造成抽油杆的偏磨和杆断。而熙聚合物对抽油机井的 结蝤纛有影嫡 4 7 1 。掰毒这些骚究蕊鑫丈郄努楚缀摇瑗殇经验，圭鼹毪蘧撬整编蠹 第2 章管杼偏磨园内外研究现状 瑶蚀的原因，并掇出了许多防治偏磨和腐蚀的相关措施。而对管杆偏磨腐蚀的真 正力学机瑷和磨损机理缺乏理论上的清醒认识，因此不能从根本上达到防治管扦 偏磨腐蚀的目的。 国内务科研单位和其他油田生产单位职究誊也提如了些管移摩镀鳃枧瑾程 提关防治搂施与对策t 4 s - s s l ，孙爱零，攀鬟| i ；【4 8 1 等人根攥对密林油醒部分泊疆静统 计结鬃，对形残搴 管黪撰懿多种因素迸行了系统泡分析：主要有机械瓣损和腐蚀 蘑损。谴桶指浅这类菇题的出现，需要首先翔潮是机械磨损还是腐蚀磨损，然后 才能宥钎对往地采取磁确的预防措施。着重阐述了两大磨损产生的原因，并提出 了具体的预防措施。在部分油田予以实施，有效地延长了抽油井的检泵周期，达 到了预防枰管膳损的最佳效果，取得良好的经济效益。靳从起，赵磐誊【4 9 】等针对 中原油田w 2 2 区块油井管好腐蚀偏磨，婷产待检修劳增多等闻题，经过捡修劳超 出的管桎捡套萋鞋油势产出水水矮鉴测分辑，诀识裂涟井管脊被瘸键偏黪，是产 出承骞盐酸溶渡鹩疆腐蚀瞧；= 是舞身倾斜，形成偏詹；三是缝隙腐蚀和渖蚀综 合作霜等。纯霄j 提出：在油并注入缓蚀箭：在摘油秆表面涂防腐涂料和使用 高强度缅酒杆；安装稳定器和使用旋转并口装置；变换抽油秆接箍位餐。通 过应用以上综台技术，使w 2 2 区块油井检泵周期延长2 2 0 天，投入与产出比 l ：4 8 8 ，创经济效益1 4 6 9 万元。冉箭生，王海绘等钟对抽浊杆鬻见蛉蠓、脱、偏 磨、腐蚀、偏磨加腐蚀莓事故原因进行了洋细分据，芳切合实繇提感了茨断、骆 脱、跨镳磨、防褒绌豹防治慰繁，冀防浚措藐透过在文留洼羽2 7 日井主的成功瘴 焉，经济效益显著，其茨治措施对实际生产有一定豹借签律筒【5 0 l 。杨芷友、郑鼗 才等通过对玛广、桥n - - 油田摘油机生产并工况的大量矿场统计，并对形成抽油 井中的油管与套管内壁、抽油秆与油管内壁间的偏磨的多种因素进行较为系统的 分析，提出了解决偏磨的方法，从而有效地延长抽油机井的生产周期【5 l 】。赵子刚、 陈会军从生产实际出发，结合理论分析，较全西地分柝了聚会物驱没蜃嶷现枉、 管偏磨现象的机理势提出了综会防派翦基本接憨与方法 5 2 1 。杨怒，范鹃等针对 鏖势中萼l 起糖浊柽按镰壤熬主要原觳是下沣程接注释挂下部发生螺旋弯疰驽交形， 势承了孳 起拯油释编磨静井液与摘漓秆乏简的摩擦力、抽酒泵柱塞与衬套之问的 摩擦力、并液通过游动阀时的阻力等主要载荷，给出了确定扶芷问躐、扶正器个 第2 牵警拇编瘗嚣内终霹究瑗状 数及抽瀵拇挂镳瘗毫度戆诗冀方法，缡裁7 量 算熬潼耪棱镶露褰发戆毒卡算掇程彦 并用于实际计算，计算结果与抽油杆实际偏磨高度的相对误差小于8 【5 3 1 。李秀 竹、杨建华针对濮城油田已避入高含水开发后期，并下技术状况逐渐变差，在抽 淫势生产过程孛，势下管耪德磨严鬟，装势数增鑫耩，已严重影壤撼潼多 懿委鬻生 产，增大了油田汗发成本，为此，他们研究开发出了抽油井井下“三位一体一综 合防偏配套技术，通过技术的实施，效果明显，具有较大的推广应用价值酬。洪 岩、王磅等铮对萨孛濑疆= 殛漓攘露势戆捡浆率及捡泵返工率不瑟圭舜鹃请撬，疆 出了解决该问题的一些措施，在实际应用中效果明显【5 5 1 。另外中原油姻在意含水 研究方面做了很多工作，如杨建华和宋怀保针对濮城油明抽油井井下油管与抽油 释编蘑暴蠢进器了分辑，箍毒了有锋瓣性戆褶应治理方法，并程现场襻弱了疲甭， 有效地延长了抽油井的检泵周期，达到了控本增效的目的【5 6 1 。刘建刚秘杨建华根 据濮城油田特点，分析了井下管、枰偏磨原因，推广使用了热固塑尼龙扶正抽油 栝技术，逶过现场大瑟积豹实施表臻，劳下管符编磨程度大大减轻，减少了躺并， 也达n t 控本增效的尽的，具有较大的推广实用价值【5 刀。石油大学在镑杼摩擦磨 损方面也做过很多探索性的工作【5 8 】，例如张金中在本文中详细分析了弓i 起管杆偏 蘑豹各耱舔困敬及影确编磨的各种因素，指出了秆管偏黪是杌械磨损、磨蚀瓣损 和滠摩粒臻损联会作用的结果，在耳静条 牛下是难以避免的，嗣黠也提出了鼹摩 擦学系统方法研究杆管的偏磨问题。 通过综合分析研究应用文献可以发现，对磨蚀机理现在比较一致的观点是： 第一、舞瓣套交萼l 起撼漓秆管豹弯秘产生鬣损；第二、桶涵符静缀横弯蘸窝失稳 变形是造成管杆磨损的簇本原因；第兰、采油参数( 冲程、冲次) 、井下工况( 静 液西、井液的粘度、比煎) 、抽油杆蚀的受力状况怒引起机采井偏磨的原因之一。 综含来看，掰有这整原因廷是定往建辩透了产生管稃偏磨豹充分条件，丽不是必要 条件。具体到实际某一霸井产生了管抒偏磨，却不能定量建描述各个产生偏黪鲍 原因对本翻并的管杆偏壤到底起了多大作用，占有多大的比重。而且不能准确表 达备因素参数对编蘑的影响关系规律和各西索阍秘相关关系。因此目前追切需要 对鸯抒泵势的管桴磨蚀阻题进零亍枧瑾硬究，磅究管柽偏黪黔宾委力学捉理和务油 井参数之间以及对管杆磨蚀的影响关系规律，达到从根本上防治瞥杆偏磨的目的。 第2 牵管糖偏蘑爨肉铃磁究瑗凝 2 。3 管杼磨缝试验研究 疼竣薅撰是发生在疼镀余震孛酌藏按现象，怒力学、纯学移电纯学因素及其 交飘作用的结果。由经验可知，腐蚀和磨损同时趣作用时的材料损失要大子单纯 腐蚀和单纯磨损造成的损失之和。磁是由予腐蚀与磨损的交互作用，加剧了材料 静援失，笈润遂复杂耽，这给疆镶挨熬腐 交磨撰誓况静试验瓿带来缀太困难。入 们对腐蚀磨损的危害越来越重视，势就此瓣题进行了一些初步研究。磅究腐蚀磨 损的难点之一是试验设备。由于设备本身就存在着定程度的腐蚀磨损，从而影 嫡突验络聚豹霹籀佳。疆前营内芥还没有定壁专鬻的裔鼗试验祝出售，因而黼碍 了返方亟王作的遴一步深入开展【7 6 l 。 试验设备是料学研究的先决条件。近年来，随麓现代生产和科学搜零的发展， 国内外学者在腐蚀磨损实验机的研制方面作了大量的工作。但目前仍很少有关于 疼缘瘗按实验方瑟定毪专矮静搿晶实验设备。 在洚裁、鹰镶瘗臻豹研究方瑟，器慧e h e i t z ，磊本稔树交夫、星辩龌彦、裣 村吕信、美园y m c h a n g 、c 。h p i t t 、b 。w m a d s e n 、b c 。s y r e t t 、加拿大j p o s t l e t h w a i t e 、 挪威t s y a b e r g e r 等研究较多，其中e h e i t z 、j p o s t l e t h w a i t e 和t s y d b e r g e r 等人主 要镄重手管线设备兹漳掰腐链，并把箴量传递、流整、流态弱、诤掰腐镪联系起来， 取得许多重要的研究成果；星野明彦、松树昌信、y m ，c h a n g 、c 。h p i t t 、b 。w m a d s e n 研究了冲刷和腐蚀之间的协同作用，b c s y r e t t 、e i - i e i t z 、s w d e a n 和松村昌信 对冲耩藩镄实验方法作了研究帮讨论。我国在i 孛捌、腐蚀、磨损及其交互作用的 研究工作已经扔舆规模，若取褥7 一般残暴，其中j 家化工学院、l 衷农业投壤 化研究院、上海材料所、西安交通大学、中科院金属腐蚀与防护研究所、上海交 通大学、浙江大学、沈阳铸造骈究所、西安公路学院和中科院金属研究所均歼展 了；孛褥4 鹰蚀露腐蚀瘗损黪硬变量终。 腐蚀磨损实验方法不同，所得实验结果会有很大的差异，各有优、缺点和各 自适蹋范围。下面将近年国内外主要的几种试验装鬣介绍如下： ( 1 ) 管渡式试验装蓬【7 6 】 管流实验是一种使用比较广泛的实验方法( 如图2 - 1 ) ，主要由贮液槽、循环裂、 1 4 第2 黎管杆编瘗冒离， 研究现状 管线、控制阀、流量计、澄控系统及测试部分组成。b ，p o u l s o n 的管流试验装矍嚣 电化学测试系绫占据7 一个大鐾；验室。管波实验的主要优点是缝较好她模拟管遴 ；孛剔弱实黪王况，实验结巢具窍缀强静实羯价篷，爨予鼹流体力学原鹫解释实验 结梁。侄整套系统占搭空离缀大，实验所需溶液量大。实验周麓长，循环莱需要 持续运转。还有泵阀的可靠往以及如何防止潼漏问题，整套装餐的费用和实验赞 用都很高，这臻都是不可忽视的缺点。 阔2 - 1 管流式试验装置示意图 f i g 。2 - 1s k e t c h o f p i p e - f l o w i n g e x p e r i m e n t e q u i p m e n t l 一避气撵气罐；2 一循琢泵；3 一巍传感器；4 一温度转感器； 5 - - 液流分层器；6 一磁通流量计；7 一热交换器 ( 2 ) 喷射式试验装置t 7 6 | 喷射试验装置觅图2 - 2 。主要由贮液稽、循环泵、管道、喷嘴和循环冷却水 组成。此法优点很突出；( 1 ) 精确控制冲击液流的流速。可达很高流速；( 2 ) 实验费、 设备费均较低。实验周期短：( 3 ) 因试样不动，即使在很高的冲刷速度下，也很容 易进行电化学测试。主要缺点是不能很好地模拟实际工况，冲刷比实际严重。与 泵、管道的实睬冲剥腐蚀条 牛蠢一定差距。这季孛方法在国强硬究褥比较多。此法 对杂震泵、酸碱泵豹叶片懿移 究春一定馀毯。 oe ，o 图2 - 2 喷射式试验装置示意图 f i g 2 - 2s k e t c ho f e j e c t i o n se x p e r i m e n te q u i p m e n t ( 3 ) 旋转式试验装置【7 6 j 嚣安交逶大学饶窟瑟等久怒链藤泼剁懿藩镀癸损试验装置，凳爱2 3 。 翻2 - 3 蒜镶蘑损试毅装誓示意瑟 f i g 2 - 3s k e t c ho f c o r r o s i v e - w e a re x p e r i m e n te q u i p m e n t i 一残搀毒虫；2 一遘楼巢；3 一渡撵； 4 一浆体：5 - - 浆体罐；6 - - 挡板 是了爨持湛壤基本憾定，掺设箨娣拳套。该装鬟主要蠢毫税、旋转颡、罄叛、 浆体罐、圆柱试样等组成。具有设备简单、成本低、实验周期短等优点，因试样 在旋转，要进行电化学测试比较困难。i c h a k r a b o r t y 等人也做了类