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浅谈油井抽油杆偏磨分析及防偏磨配套技术应用

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年2月作者：李伟赵法武赵海龙

[导读] 随着油田开发进入高含水期，井内杆管之间相互摩擦润滑发生了相对变化，抽油杆在油管中的运动及油管自身的运动情况非常复杂，这种运动会引起抽油杆与油管内壁的剧烈摩擦，致使抽油杆接箍、台肩的磨损、磨穿，抽油杆本体断裂，油管磨损穿孔等各种偏磨。针对抽油杆在使用过程中存在的问题，作业现场暴漏出来的弯曲、偏磨、疲劳断裂进行分析，有针对性方法，防止偏磨。

胜利油田分公司油气井下作业中心河口作业区李伟赵法武赵海龙

摘要:随着油田开发进入高含水期，井内杆管之间相互摩擦润滑发生了相对变化，抽油杆在油管中的运动及油管自身的运动情况非常复杂，这种运动会引起抽油杆与油管内壁的剧烈摩擦，致使抽油杆接箍、台肩的磨损、磨穿，抽油杆本体断裂，油管磨损穿孔等各种偏磨。针对抽油杆在使用过程中存在的问题，作业现场暴漏出来的弯曲、偏磨、疲劳断裂进行分析，有针对性方法，防止偏磨。
关键词：抽油杆偏磨分析防偏磨配套技术
        前言
        现有的常规钢抽油杆制造工艺简单，成本低，直径小，使用范围广，一般分为C级、D级、K级三个等级，一般经镦煅、整体热处理、外螺纹滚压加工，喷丸强化、油溶性涂料防护等工序，使其获得一定的抗疲劳和抗腐蚀疲劳的性能，目前作业井普遍使用的抽油杆主要使用φ19mm、φ22mm、φ25mm三种尺寸的D级钢抽油杆。
        1、抽油井偏磨影响因素分析
        在有杆抽油系统中，抽油杆在油管中的运动及油管自身的运动情况非常复杂，这种运动会引起抽油杆与油管内壁的剧烈摩擦，致使抽油杆接箍、台肩的磨损、磨穿，抽油杆本体断裂，油管磨损穿孔等。有杆泵井管杆偏磨的原因复杂多样，如：井斜结构、油井生产参数、油管抽油杆组合及管杆运动形态、产出液物性、含水、矿化度及杂质等因素，而且这些因素相互交错、相互作用，因此油井管杆偏磨是多种因素共同作用的结果。
        2、油管抽油杆失稳弯曲造成管杆接触偏磨
        抽油井生产上下往复运动，在下冲程中，抽油杆柱在自身杆柱的重力作用下下行，但同时受到杆柱与液体间的摩擦阻力、抽油泵活塞与泵筒间的摩擦阻力、杆柱在液体中的浮力等多种阻力的共同作用，抽油杆柱中存在受力为零的一点叫中和点，中和点以上的抽油杆始终处于拉伸状态，不会弯曲变形，而中和点以下的抽油杆在各种阻力作用下弯曲变形，严重时产生螺旋弯曲现象，这种现象称为“失稳弯曲”。杆柱“失稳弯曲”造成管杆接触产生偏磨，而中性点越低，杆柱的“失稳弯曲”越轻，杆柱偏磨现象也越轻。
        2.1抽油杆受力状态
        抽油杆在油井中联结在一起属细长杆，具有了定的弹性，相当于一根长弹簧。在弹簧下端突然增加一个交变载荷，就会产生振动。当悬点从下死点开始向上时，液柱载荷逐渐加到柱塞和抽油杆柱上，随着杆柱向上运动，抽油杆就会产生振动。同样，当驴头从上死点开始向下运动时，同样也会产生振动，理论上在上下冲程内外加载荷共发生两次变化，实际上，在一个冲程内抽油杆上的载荷交变多次。
        2.2高含水高矿化度产出液腐蚀加剧管杆偏磨
        高含水、高矿化度产出液对管杆偏磨的加速机理是：管杆偏磨使管杆偏磨表面产生热能，从而使管杆表面铁分子活化，在产出液强腐蚀性作用下，使管杆磨损部位先被腐蚀；另外由于管杆磨损部位表面被活化，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，而受高矿化度产出液强电解质的影响，对电化学腐蚀起到了催化作用，更加剧了腐蚀。由于腐蚀使管杆偏磨表面粗糙度增大，从而磨损更加严重。据统计，当矿化度大于20000mg/L时偏磨井的比例明显增加。
        2.3油井井身轨迹的变化造成油井管杆接触偏磨
        2.3.1自然井斜影响
        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。即使是直井，井身轨迹大多存在一定的拐点或螺旋弯曲，抽油杆在自然井斜的井筒轨迹中上下运动时，由于管杆本身重力的作用，必然引起管杆的接触偏磨。
        2.3.2井筒变形的影响
        由于地层蠕变，加之多年的强注强采，造成套管变形，井段出现弯曲，俗称“狗腿子”，严重时造成油井套管破裂、错断，甚至报废。
        由于套变和井斜，使井下油管产生弯曲。在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力或综合重力产生了一个水平分力，在水平分力的作用下，在抽油机上下冲程过程中，管杆相互接触产生摩擦造成偏磨。
        2.4其它因素的影响
        2.4.1砂、蜡、稠产出液含油砂或者结蜡、油稠，都会造成抽油杆下行困难，导致下冲程抽油杆局部产生弯曲。
        2.4.2抽油机驴头与井口不对中游梁式抽油机的底座为分体式，当地基发生松陷时，水泥底座将会发生偏斜或沉降，导致抽油机的驴头与井口不对中。
综上所述，管杆磨损腐蚀的原因可归结为井斜影响、冲刷腐蚀、失稳弯曲和三大因素。

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其中，管杆失稳弯曲和产出液的冲刷腐蚀是可控因素，可通过研究生产参数、管杆组合的优化技术，研究控制产出液与管杆接触与防腐技术进行防治；针对井斜、井筒弯曲不可避免地造成了管杆直接接触产生磨损问题，主要通过扶正、减磨、防腐等技术的综合应用进行解决。
        3、偏磨治理配套技术
        3.1应用斜井抽油泵
        普通抽油泵在稠油和斜井中易出现光杆缓下、泵效低、检泵周期短等问题，严重制约油井的正常生产，应用斜井抽油泵可较好地解决该问题。当泵挂深度处井段的井斜角大于30o时用斜井泵, 泵挂处选择在平稳段，该泵依靠弹簧力迫使阀球关闭，并且阀球罩与弹簧能够起到扶正作用，提高泵效及其使用寿命，该泵适合于最大井斜大于65o的油井。目前，所有符合设计条件的斜井均采用斜井抽油泵，使用效果优于普通抽油泵，满足了生产需要。
        3.2应用杆管防偏磨技术
        3.2.1开发和应用优化设计软件设计防偏磨位置、油井参数和抽油杆柱组合有效减少了油井杆管偏磨。
        3.2.2开发斜井有杆泵优化设计及诊断系统
        开展大斜度井有杆泵防偏磨技术研究，开发了“斜井抽油优化设计和诊断软件”。该软件在分析斜井抽油杆柱动态受力与变形的基础上，建立了描述斜井抽油杆柱动态行为的波动方程，并编制了斜井抽油机井工况诊断和优化设计软件。诊断软件可以进行杆受力分析及计算井下抽油杆柱不同深度处的摩擦阻力，确定主要摩擦段；斜井优化设计软件可以优选油井参数、杆柱组合和扶正器的位置。杆柱设计采用微段法，按准等强度条件设计准则，从下往上计算各微段节点上的载荷及应力比（最大应力与许用应力比）。使所组合的杆柱从上至下应力比有所减小，而安全系数是逐渐增加即ε1<ε2<ε3。抗磨副间距设计采用综合评判法, 综合考虑井斜角、方位角、全角大小及变化率以及不同深度处的井下摩擦阻力等因素。
        3.2.3应用系统效率优化设计软件，优化设计油井参数，采用长冲程、低冲次，有效减少了油井杆管偏磨。
        3.3应用成熟的防偏磨技术和工具，有效减少油井杆管偏磨。
        具体治理情况及实施效果如下：
        3.3.1抗磨副配套工艺
        抗磨副主要用于举升井段最大井斜小于55度的斜井。
        3.3.2尼龙扶正器配套工艺
        尼龙扶正器主要用于直井及部分井斜较小的斜井。
        3.3.3连续杆配套工艺
        连续杆主要用于超过D级杆理论下入深度的油井和偏磨严重、屡次断脱的油井。
        3.3.4加重杆配套工艺
        加重杆主要用于底部杆柱加重以减轻杆下行阻力，减少振动载荷影响。
        3.3.5其它防偏磨配套工艺
        我们还应用了内衬油管、碳锆涂层油管、镀渗钨合金油管，均取得了一定效果。另外，还应用了双向保护接箍,耐磨接箍、DSW合金抽油杆，有效减少了杆管偏磨。
        3.4深抽井的防偏磨措施
        对深抽井主要采取了以下两种防偏磨措施：
        3.4.1对未超过D级杆理论下入深度的区块深抽直井采取“杆柱扶正、配合油管锚定和底部加重技术”减轻弹性弯曲造成的管杆偏磨。
        3.4.2对超过D级杆理论下入深度油井和偏磨严重、屡次断脱井，应用“连续杆、高强度杆”，提高杆自身强度，同时采用油管锚锚定，抽油杆扶正等措施避免泵上油管受压弯曲使管、杆磨损。
        3.5针对腐蚀采取的配套技术
        3.5.1应用阴极保护器防腐
        3.5.2应用缓蚀剂防腐
        3.5.3应用防腐蚀抽油泵防腐
        防腐抽油泵结构坚固，其阀球、阀座用料为硬质合金，泵筒为45镀镍，镀层厚度≥0.033mm。防腐抽油泵采用特殊的工艺及材料，耐腐蚀性能增强，适用于腐蚀性较强的油井。防腐泵泵径设计为Φ38mm至Φ70mm，基本满足生产需要。
【参考文献】
[1] 吴奇.井下作业工程师手册.石油工业出版社.2002（9）