抽油机井示功图诊断偏磨

1、 抽油机井示功图诊断偏磨作者：中国石油大学(北京)刘骞斯伦贝谢公司曹磊摘要在有杆泵抽油系统中，随着油田开发的不断深入，泵挂越来越深，综合含水率逐年上升，井筒状况和产出液性质等都发生了很大变化，致使杆、管的工作条件日益恶化，导致抽油杆的偏磨和断脱，加速了井下设备的损坏，增大了检泵作业的工作量和杆管更换成本，缩短了检泵周期，对油田开发造成巨大的浪费和严重的经济损失。因此有必要对偏磨的原因加以分析，为防治偏磨提供理论依据。利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，可以定量分析抽油杆柱受力状况，监测不同时期抽油机井偏磨状况，给采油工艺的设计提供参考依据。并可以预测油井何时偏磨，以便提前加上防偏磨措

2、施，延长检泵周期，间接节约作业的费用，给油田的顺利生产创造更便利的条件。关键词：示功图、诊断、偏磨偏磨诊断的意义及发展状况偏磨诊断及防偏磨措施的意义通过文献调研与检索开展本课题的研究，对于油田矿场生产的意义在于：(1)为偏磨诊断和防偏磨提供依据井下杆柱偏磨已经严重影响了油井的正常生产，对油田开发造成巨大的浪费和严重的经济损失。因此有必要对管杆偏磨的原因加以分析，为防治偏磨和偏磨的治理提供理论依据。(2)动态诊断抽油机井偏磨利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，可以动态、定量的诊断正在运行的抽油机井的杆管是否存在着偏磨，在抽油机生产运行中对其进行诊断。(3)为偏磨的井的偏磨预测提供动态监

3、测手段利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，还可以预测抽油机井何时偏磨，这样就给采油工艺的设计带来了提前量。国内外研究进展及存在的问题由于杆、管偏磨现象较为普遍，其对油田开发的影响较大，所以国内外石油工作者针对杆、管偏磨作了大量的工作，并取得了一定的进展。目前，针对杆、管偏磨所采取的技术对策主要有以下几种：采用抽油杆扶正器；配置加重杆；使用旋转井口以及旋转油管锚；合理调整生产参数；应用低坐封载荷封隔器；改变抽油杆节箍的位置；缓蚀剂防腐技术；下经表面处理的油管、抽油杆；选择合理的油井沉没度；合理确定柱塞与衬套间隙；安装抽油杆导向器；应用扶正杆。目前，国内外抽油机井防偏磨主要采用以上方法。

4、通过对国内外有关技术的调研和分析，发现现在防偏磨技术的应用还存在着一些尚需解决的问题。(1)抽油机井杆管偏磨的诊断目前尚未有有效的方法，只能采用停井作业，提杆检查的方法，效率低、劳动强度高、且影响油井的正常生产。(2)各种防偏磨技术在不同断块、不同油井上的应用效果参差不齐。(3)许多防偏磨方法有个“度”的问题，如扶正器的位置及数量、重杆的选用长度、生产参数的合理调整，油井沉没度的合理选择等，现在都不能较为准确的把握。所以，通过研究分析，找出一种动态的抽油机井杆管偏磨的诊断方法，针对不同井的具体情况采用科学的方法提出具体的工艺方案，并对具体工作参数给出一个较为准确的数值，至关重要。论文主要内容借

5、鉴以往国内外在抽油机井杆、管防偏磨机理方面研究的成果，油井抽油杆失效、偏磨的机理和影响因素。从理论上分析抽油杆失效、偏磨与功图之间内在的联系，研究一种有效地抽油机井杆管偏磨诊断方法。针对油井抽油杆失效、偏磨问题提出解决措施，在此基础上，整理出一套行之有效的针对抽油杆失效、偏磨的监测和控制方法。抽油机井偏磨原因机械磨损(1)井深结构引起的偏磨：就目前的钻井技术来说，很难保证垂直井井身完全垂直，这样套管在某一段就会出现弯曲现象，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。(2)封隔器坐封造成油管弯曲，发生管杆偏磨：随着坐封力的增大，封隔器上端油管的下段就会因为油管上端的压力产生失稳弯曲，

6、抽油杆在上下往复运动时，造成抽油杆与弯曲油管的磨损。并且坐封力愈大，油管弯曲程度愈大，管杆偏磨也就愈严重。(3)油井生产参数造成管杆偏磨：游梁机正常工作，在上冲程时，抽油杆受拉，整个杆柱基本呈直线状态。在下冲程时，抽油杆主要受向下的重力，向上的浮力、抽油杆柱和活塞受到的向上阻力、液体进游动阀的阻力。其中，阻力主要取决于油井生产参数中的冲程、冲次。冲次越高、产生的阻力就越大，冲程越长，偏磨的部位就越多。(4)油管弯曲造成管杆偏磨：油管下放时，由于操作问题以及受力的影响，常常使油管发生弯曲，从而使抽油杆与油管产生相对运动时，造成杆管的偏磨。(5)抽油机井杆柱弯曲造成偏磨：抽油杆柱在下行过程中，由于

7、受到摩擦载荷、惯性载荷等影响，使抽油杆柱中性点以下部分受压，导致抽油杆柱弯曲失稳，与油管产生偏磨。另外还有其他一些因素，但主要的还是以上几种形式。腐蚀磨损腐蚀磨损是游梁机抽油系统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。(1)综合含水的影响：当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，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。并由于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，磨损严重。(2)腐蚀介质的影响：在含水量大量增加的同时，矿化度、Cl 、H2S等含量过高。产出液中这些化学物质的大量增加

8、，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。(3)缝隙腐蚀和冲蚀明显：油管螺纹联接处在偏磨腐蚀、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。(4)管、杆等的材质耐腐蚀性能较差：由于产出液强腐蚀性强，油管耐腐蚀性能不高，油管表层涂料的强度和耐蚀性较差，因此，油管腐蚀、磨损严重，甚至穿孔和磨蚀成裂缝。总之，影响游梁式抽油系统杆管偏磨的因素有机械磨损和腐蚀二大类，以井下杆柱受力测试和示功图测试为依据，从杆柱受力对偏磨所起的作用入手，研究偏磨诊断技术。示功图诊断偏磨示功图信息抽油机在不同抽汲参数下工作时，悬点所承受的载荷是选择抽油设备和分析

9、设备工作状况的重要依据。在实际生产中，悬点载荷与位移的关系可以很方便的从示功图获得，因此可以利用示功图来分析抽油机悬点载荷。抽油机悬点所受的载荷可以分为：静载荷、摩擦载荷、动载荷以及其它不可预见的因素造成的载荷。在得到抽油机井的各项载荷后就可以根据具体的载荷大小判断偏磨是否存在以及存在的位置。静载荷的示功图反映 对于静载荷中的各项内容，可以从漏失曲线上得到反映。从上面的分析中可以看出，悬点在上冲程时所受的静载荷与上漏失曲线指示的载荷值近似相等，而下冲程时的静载荷近似等于下漏失曲线的载荷加上井口回压在抽油杆柱上产生的载荷值。摩擦载荷的示功图反映 由于摩擦力的方向总是与运动方向相反，因此所有摩擦载

10、荷对悬点载荷的影响都是相同的：上冲程增大悬点载荷，下冲程减小悬点载荷。考虑到在冲程的中点处惯性载荷的影响最小，所以，上冲程时的摩擦载荷等于上冲程平行段的中点值减去上漏失曲线的起始值，下冲程时的摩擦载荷等于下漏失曲线起始点处的载荷值减去下冲程平行段中点处的载荷值。对于漏失、气体影响等下冲程平行段不完整的示功图，可以用完整部分的载荷值来代替中点处的载荷。动载荷的示功图反映 由于惯性载荷在示功图上的表现就是使示功图发生倾斜，因此可以认为上冲程悬点所受的最大惯性载荷的为：上冲程倾斜段的最大值减去上漏失曲线起始点的载荷；同理，下冲程悬点所受的最大惯性载荷的为：下漏失曲线起始点的载荷减去下冲程倾斜段的最小

11、值。由于惯性载荷是一个连续变化的值，用上述方法计算出的载荷实际上是惯性载荷的最大值和最小值，这个值将大于实际值。其它载荷的示功图反映 抽油机机井悬点的动载荷和静载荷可以通过示功图和漏失曲线计算出来。动载荷主要包括惯性载荷和振动载荷，其中振动载荷不会使载荷值增加，只会使载荷在数值上发生波动，当忽略振动载荷时，由抽油机井的示功图和漏失曲线就可以定量的计算出悬点在各个位移点的惯性载荷。泵上功图的求取绘制从井口算起的泵上功图，再绘制从井底算起的泵上功图，将两种方式得到的泵出口示功图，画在一个图中，进行对比分析，若泵功图相差不大，说明理 论计算出来的动态力与实际情况相符，证明杆管偏磨以及柱塞泵筒之间的摩

12、擦力 不大，油井偏磨不严重。反之，说明理论计算出来的动态与实际情况不相符，这 些力来自杆管偏磨以及柱塞泵筒之间的摩擦力，会造成偏磨。对于有偏磨存在的油井，需要采取防偏措施。从井口算起的泵上功图 井口示功图与泵出口处的示功图存在区别，如果能够计算出各个力的大小和方向，就可以用井口示功图加上或减去这些力，来求取泵出口处的示功图，经分析计算可得如下表格：力的名称井口示功图与泵出口示功图的区别泵的求取方法出口示功图井口示功图泵出口示功功图是否包含此力该力的方向是否包含此力上 冲 程杆柱自重包含此力向下不包含减去此力杆柱的惯性力包含此力同加速度不包含减去此力井口盘根力包含此力向下不包含减去此力抽油杆柱变

13、径处的浮力包含此力向上不包含加上此力下 冲 程杆柱自重包含此力向下不包含减去此力杆柱的惯性力包含此力同加速度不包含减去此力井口盘根力包含此力向上不包含加上此力杆管的摩擦力包含此力向上不包含加上此力杆液摩擦力包含此力向上不包含加上此力接箍的阻力包含此力向上不包含加上此力抽油杆柱变径处的浮力包含此力向上不包含加上此力从井底算起的泵上功图首先把地面示功图减去杆柱的自重和杆柱的惯性力；再考虑以抽油泵的柱塞为研究对象，分析它在运动的过程中的受力在上冲程的中点处，其惯性力为零，即此时柱塞的合外力为零。这样就有力的平衡方程：GL+Fzc+Gzc+Ftl = Fup+FS（ 4-1）Fup = FS-GL -

14、 Fzc-Gzc-Ftl（ 4-2）式中，GL 重力， N ； TOC o 1-5 h z Fzc 柱塞的摩擦力，N ；Gzc柱塞的重力，N ；Ftl （ x） 位移中点处管液的摩擦力，N ；Fup 位移中点处抽油机的拉力，N ；FS 沉没压力的作用力，N 。由上式求取位移中点处抽油机的拉力，此拉力一定与示功图的中点处的载荷之间有一个差，再用示功图上冲程的所有载荷值减去这个差，就是井下泵功图的上冲程曲线。在下冲程的中点处，其惯性力为零，即此时柱塞的合外力为零，此时柱塞受力在效果上只是运动的阻力，其中包括：流体流经凡尔的阻力Fl f 、柱塞的摩擦力Fzc、最后一级抽油杆截面处的压力也就是最后一级

15、抽油杆的浮力FXn。用这三个力的和，与处理后的示功图下冲程曲线的中点载荷值作差，再用下冲程各个载荷值减去这个差，就求得井下泵功图的下冲程曲线。应用示功图诊断偏磨的原理利用从井口和从井底算起两种方式得到的泵出口示功图，画在一个图中，进行对比分析，如果两个泵功图相差不大，说明理论计算出来的动态力与实际情况相符，证明杆管偏磨以及柱塞泵筒之间的摩擦力不大，油井偏磨不严重。反之，两个泵功图相差较大，说明理论计算出来的动态力与实际情况不相符，这些力来自杆管偏磨以及柱塞泵筒之间的摩擦力，会造成偏磨。但是通过示功图也只是可以定性的判定，要达到定量的成果，就要进行相关的计算，以符合现场的实际需要，并为下一次的施

16、工方案的正确制定提供可信的数据。结论讨论了偏磨诊断和采取防偏措施的重要意义，分析了偏磨存在的两种原因：机械磨损和化学腐蚀磨损，以及国内外的偏磨诊断的方法和存在的问题。研究由上下漏失曲线计算油井静态力的方法，可以得到井口油压产生的载荷、沉没压力产生的载荷、液柱载荷、抽油杆柱所受的浮力以及抽油杆柱自重等参数。油机悬点所受的载荷可以分为：静载荷、摩擦载荷、动载荷以及其它不可预见的因素造成的载荷，建立了示功图定量分析方法。由示功图与漏失曲线的各自特点，研究了计算上、下冲程悬点所受的动态力的理论依据和计算方法；由上冲程功图减去上漏失曲线起始点载荷，下漏失曲线起始点的载荷减去下冲程功图，分别得到整个抽油杆柱在上、下冲程的动态力。研究了由井口向下和由井底向上两种计算泵功图的计算方法。由测试得到的示功图、漏失曲线对油井静态力、动态力、底部杆受力等进行了全面分析，由井下杆柱受力测试数据对本项目提出的示功图偏磨诊断理论和计算方法进行了验证。参考文献1李健康，郭益军，谢文献有杆泵井管杆偏磨原因分析及技术对策，石油机械，2000， 28(6)：2魏池忠，刘新军，刘立刚，年喜抽油杆局部偏磨阻力及防治，大庆石油地质与开发，2003， 22(3)；