南堡1-29斷塊抽油井桿管偏磨綜合治理

魯娟黨，劉 鑫，于 斌，陳 強(qiáng)，王 偉，徐向雲(yún)

（冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)采油二區(qū)，河北唐海063200）

南堡1-29斷塊抽油井桿管偏磨綜合治理

魯娟黨*，劉 鑫，于 斌，陳 強(qiáng)，王 偉，徐向雲(yún)

（冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)采油二區(qū)，河北唐海063200）

南堡油田1-29斷塊由于井斜大，泵掛深，綜合含水逐年上升等特點(diǎn)，致使抽油桿、油管在井下的工作環(huán)境日益惡劣，桿管偏磨問(wèn)題十分嚴(yán)重，造成油井作業(yè)頻繁、檢泵周期短、作業(yè)成本增加。通過(guò)對(duì)南堡油田抽油井桿管偏磨的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為造成桿管偏磨的因素主要有井身結(jié)構(gòu)彎曲、桿柱載荷變化、生產(chǎn)參數(shù)不合理、采出液含水高等。為此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了優(yōu)化桿管組合、優(yōu)選井下工具、調(diào)整合理的生產(chǎn)參數(shù)等措施。通過(guò)綜合防治措施在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，大大減緩了桿管的偏磨，檢泵周期延長(zhǎng)了152d，取得了較好的防偏磨效果。

偏磨；油管；抽油桿；綜合治理；南堡油田

有桿泵采油是利用抽油桿柱在油管內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)井下抽油泵工作進(jìn)行采油，理論上只要各參數(shù)設(shè)計(jì)合理，抽油桿只是在油管的中心做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，由于抽油桿與油管之間存在相對(duì)位移，必然產(chǎn)生桿管間的相互接觸摩擦，從而造成油管、抽油桿的磨損，而且隨著油田的開發(fā)，油井綜合含水的不斷上升，泵掛越來(lái)越深，工藝越來(lái)越復(fù)雜，抽油機(jī)井桿管偏磨井?dāng)?shù)在不斷增加，抽油桿斷脫比例上升，檢泵周期縮短，作業(yè)費(fèi)用增加[1]。對(duì)2012年南堡1-29斷塊25口檢泵井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，因桿管偏磨導(dǎo)致檢泵共18井次，占72%，18口井平均檢泵周期僅為187天，桿管偏磨已成為影響南堡1-29斷塊抽油機(jī)井正常生產(chǎn)的主要原因。因此，分析桿管偏磨規(guī)律，采取相應(yīng)的治理措施，對(duì)于減緩抽油機(jī)井桿管偏磨，提高泵效，延長(zhǎng)抽油機(jī)井的檢泵周期是十分必要的。

1 抽油井桿管偏磨現(xiàn)狀調(diào)查

對(duì)南堡油田1-29斷塊18口偏磨井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，對(duì)偏磨位置及形狀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。18口偏磨井平均泵掛2045m，其中泵掛超過(guò)2200m的13口，占72.2%，18口井的綜合含水61.2%。從偏磨的深度范圍來(lái)看，桿管偏磨最突出的井段多位于桿柱底部，12口井均在泵上部0-600m存在偏磨現(xiàn)象，而泵筒上350m范圍內(nèi)偏磨最為嚴(yán)重，9井次的偏磨發(fā)生在這一范圍內(nèi)，占75%。從偏磨井生產(chǎn)參數(shù)來(lái)看，偏磨嚴(yán)重井的沖次普遍較快，平均沖次為2.7次，較其它井快1.4次。從偏磨井井身結(jié)構(gòu)來(lái)看，偏磨井桿管所在位置的平均井斜為46.2°，較其它井大5.4°，處于斜井段的桿管長(zhǎng)度為820m，較其他井長(zhǎng)86m。從偏磨的形貌看，抽油桿表現(xiàn)為接箍或本體一側(cè)或兩側(cè)被磨平，嚴(yán)重的可將抽油桿母扣全部磨掉，將公扣磨平；油管偏磨表現(xiàn)為內(nèi)壁被磨出一條平行于軸心的凹槽，甚至被磨出一條裂縫。

2 桿管偏磨影響因素分析

2.1 井身結(jié)構(gòu)的影響

由于井身結(jié)構(gòu)的影響，油層套管會(huì)在某一井段存在螺旋彎曲，油管下入后隨著套管彎曲也處于一種彎曲狀態(tài)或曲線狀態(tài)，完全受井身結(jié)構(gòu)的影響，抽油桿也隨著彎曲或緊貼于油管壁上，造成桿管之間的摩擦[2]。當(dāng)油井正常生產(chǎn)時(shí)，桿管之間的磨阻很大，特別是抽油桿接箍處容易受到磨損，從而造成桿管偏磨。隨著井斜角的增加油井偏磨的幾率不斷增加[3]。南堡1-29斷塊18口偏磨井平均泵深2045m，平均最大井斜角41°，平均最大全角變化率為3.4°/25m，泵掛深、井斜大、全角變化率大是造成南堡1-29斷塊抽油機(jī)井偏磨的直接因素。

2.2 桿柱交變載荷的影響

抽油桿上行時(shí)，抽油泵游動(dòng)閥關(guān)閉，油管受力主要為自身重力、油管在液體中的浮力、抽油桿柱與油管內(nèi)壁的摩擦力、柱塞與泵筒的摩擦力、液柱與油管內(nèi)壁之間的摩擦力，這些力的合力作用在油管上存在中合點(diǎn)，中合點(diǎn)以下油管受壓發(fā)生螺旋彎曲，此時(shí)抽油桿柱因受較大的張力而基本保持直線狀態(tài)，從而使抽油桿柱與螺旋彎曲的油管每隔一定距離就相互接觸而發(fā)生偏磨。

抽油桿下行時(shí)，抽油桿柱主要依靠自身向下的重力克服上沖程產(chǎn)生的向上的慣性力、抽油桿柱下行產(chǎn)生的摩擦阻力、液體的浮力、襯套與柱塞間的摩擦力以及采出液流過(guò)游動(dòng)閥的阻力，這些力作用在抽油桿上，也存在一個(gè)上下力平衡的中合點(diǎn)。抽油桿在運(yùn)行中存在彎曲失穩(wěn)的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生橫向分力，形成動(dòng)力失穩(wěn)，當(dāng)桿體上的周期壓載頻率與壓桿的橫向自振頻率之間的比值達(dá)到一定值時(shí)，壓桿發(fā)生劇烈的橫向振動(dòng)，也就是說(shuō)抽油桿柱發(fā)生失穩(wěn)的實(shí)質(zhì)是抽油桿柱在運(yùn)動(dòng)中受壓彎曲失穩(wěn)造成的。

根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式計(jì)算抽油桿失穩(wěn)彎曲力P的計(jì)算公式為：

P=(π3Ed4)/64H

式中：E——常數(shù)，E=20.5947×104；

d——抽油桿直徑,mm；

H——抽油桿長(zhǎng)度,m。

由上式可以看出，H越大，失穩(wěn)力P越小，即抽油桿越長(zhǎng)，桿柱越不穩(wěn)定，容易發(fā)生彎曲，抽油桿柱底部第一根抽油桿極易失穩(wěn)彎曲。從理論上解釋了現(xiàn)場(chǎng)泵上0～600mm均發(fā)生桿管偏磨，且在0～350m這段偏磨特別嚴(yán)重的根本原因。

2.3 生產(chǎn)參數(shù)對(duì)桿管偏磨的影響

在有桿泵井工作過(guò)程中，不合理的生產(chǎn)參數(shù)對(duì)有桿泵工況及抽油桿、油管壽命影響很大，會(huì)使桿管偏磨狀況進(jìn)一步惡化[4]。理想狀態(tài)下當(dāng)沖程、沖次、桿柱組合等參數(shù)選擇合適時(shí)，抽油桿的全部重量應(yīng)該加載到抽油機(jī)懸繩器上，抽油桿行進(jìn)速度與懸繩器速度同步，抽油桿柱始終處于拉伸狀態(tài)。實(shí)際上，在抽油機(jī)下沖程時(shí)，抽油桿柱受井底液體阻尼作用和各類摩擦力及桿柱組合不合理造成的桿柱受力狀態(tài)不同，相當(dāng)一部分抽油桿包括活塞滯后于懸升器運(yùn)行速度，特別是中和點(diǎn)以下的抽油桿全部處于受壓狀態(tài)，容易產(chǎn)生彎曲變形。

在發(fā)生偏磨的油井中，有桿泵的沖程長(zhǎng)度和沖次大小對(duì)桿管的偏磨影響較大。沖程越短，偏磨部位也就越??；沖次越高，相同工作時(shí)間內(nèi)偏磨的次數(shù)就越多，磨損時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度也就越大，這樣抽油桿柱下行阻力也就越大，將加劇抽油桿的彎曲變形程度，從而加劇了桿管的偏磨。

抽油桿柱下行時(shí)的慣性載荷Fg的計(jì)算公式為：

Fg=WrSn2(1-E)/1790

式中：Wr——抽油桿柱的重力,N；

S——沖程,m；

n——沖次,次/min；

E——常數(shù)。

從上式可以看出Fg與沖次n成平方關(guān)系，與沖程S成正比例關(guān)系，因此沖次對(duì)慣性載荷Fg的影響遠(yuǎn)大于沖程，而且隨著抽吸速度的增加，抽油桿柱下行阻力增大。

2.4 沉沒(méi)度對(duì)桿管偏磨的影響

沉沒(méi)度過(guò)低時(shí)，抽油機(jī)上沖程時(shí)井底液體不能充滿泵筒，游動(dòng)閥下面留有氣穴，抽油桿下行時(shí)，柱塞撞擊液面瞬間，游動(dòng)閥不能及時(shí)打開[5]，下行速度發(fā)生瞬間突變，抽油桿柱的動(dòng)量必然發(fā)生急劇變化，從而造成抽油桿的瞬間彎曲，這種彎曲會(huì)導(dǎo)致桿管偏磨和抽油桿斷裂。實(shí)踐證明，抽油泵在較低和較高的充滿程度下液擊載荷均較小，而在充滿程度50%左右時(shí)液擊載荷最大。當(dāng)油井供液充足，動(dòng)液面較淺，泵的沉沒(méi)度過(guò)高時(shí)，不僅增加了桿管接觸面積，加重了抽油機(jī)載荷，而且在抽油桿下行過(guò)程中，由于井底流壓高，固定閥不能及時(shí)關(guān)閉，液體沖擊力作用于泵柱塞，使抽油桿柱下行阻力增加，承受的彎曲載荷增大，加劇了抽油管的偏磨。

2.5 采出液性質(zhì)對(duì)桿管偏磨的影響

2.5.1 高含水對(duì)桿管偏磨的影響

南堡1-29斷塊采用注水驅(qū)油的開采方式，隨著油田的不斷開發(fā)，油井產(chǎn)出液的綜合含水逐年上升。產(chǎn)出液含水越高，偏磨越嚴(yán)重。原因是產(chǎn)出液含水率低時(shí)，桿管摩擦面處于良好的油潤(rùn)滑狀態(tài)，動(dòng)摩擦因數(shù)較小，磨損較輕；產(chǎn)出液含水高時(shí)，桿管摩擦處于水潤(rùn)滑狀態(tài)，動(dòng)摩擦因數(shù)大大增加，加快了桿管磨損。在理想狀態(tài)下，當(dāng)產(chǎn)出液含水大于74.02%時(shí)產(chǎn)出液由油相轉(zhuǎn)為水相[6]，動(dòng)摩擦因數(shù)加大，由原來(lái)的油包水型轉(zhuǎn)換為水包油型。桿管摩擦的潤(rùn)滑劑由原油變成了水，失去了原油的潤(rùn)滑作用，產(chǎn)生水與金屬直接接觸，動(dòng)摩擦因數(shù)加大，增大了桿管之間的摩擦力，使桿管的磨損速度加快。南堡1-29斷塊產(chǎn)出液含水大于74.02%的有桿泵井共有8口，均存在偏磨現(xiàn)象。

2.5.2 腐蝕介質(zhì)的影響

南堡1-29斷塊有桿泵井產(chǎn)出液的礦化度一般在4000mg/L左右，產(chǎn)出液中Cl-、HCO3-、S2-、游離的CO2和細(xì)菌等含量較高，在加上適當(dāng)?shù)臏囟?，存在如下反?yīng)[7-8]：

CO2+H2O→H++HCO3-；

CO2的含量越高，產(chǎn)出水中H+越多，pH值越低，產(chǎn)出液呈弱酸性，具有腐蝕性。且當(dāng)水中H+含量增加時(shí)，會(huì)與S2-反應(yīng)生成H2S，反應(yīng)式如下：

2H++S2-→H2S↑

H2S為強(qiáng)腐蝕性氣體。與Fe存在如下反應(yīng)：

Fe+H2S→FeS↓+H2↑

同時(shí)產(chǎn)出液中的腐蝕還原菌可在烴類物質(zhì)條件下把水中的SO42-還原成S2-，從而加快桿管偏磨腐蝕。桿管表面更粗糙，磨損也更為嚴(yán)重。偏磨和腐蝕相互作用，相互促進(jìn)，二者結(jié)合具有更大的破壞性。

3 桿管偏磨的防治措施

3.1 優(yōu)化桿管組合

（1）在抽油泵上接一部分加重抽油桿，加重桿可以有效地減少抽油桿下行阻力，一方面可以將上部抽油桿拉直，另一方面可以利用其抗壓臨界載荷大、不易彎曲的特點(diǎn)，使桿柱中和點(diǎn)下移（合理下移至加重桿內(nèi)），避免下部抽油桿受壓彎曲導(dǎo)致桿管偏磨。加重桿外徑大剛性好，承受相同載荷時(shí)不易變形彎曲，達(dá)到防偏磨的目的。

（2）增加泵下尾管長(zhǎng)度，使泵上油管所受的預(yù)拉力增加，以免在上沖程時(shí)泵上油管受壓彎曲導(dǎo)致桿管接觸磨損。

（3）在檢泵作業(yè)過(guò)程中，一方面在活塞上部增加或者去掉一個(gè)沖程長(zhǎng)度的抽油桿短節(jié)，改變抽油桿接箍與油管的磨損位置，使磨損均勻，以延長(zhǎng)桿管使用壽命；另一方面分段調(diào)整抽油桿和油管的位置，使原來(lái)處于嚴(yán)重磨損位置的桿管調(diào)至磨損較輕或者不磨損的位置。

3.2 優(yōu)選井下工具

3.2.1 應(yīng)用斜井桿

有桿泵斜井桿是指在普通抽油桿上鑄的塑料扶正塊，每根鑄3個(gè)扶正塊，在桿柱組合設(shè)計(jì)中主要用在造斜井段、降斜井段及井斜軌跡較差的其它井段，在減輕桿管偏磨方面效果明顯。

3.2.2 安裝自旋式尼龍扶正器

自旋式尼龍扶正器具有扶正、防偏磨、刮蠟、助抽增油的作用，是一種提高泵充滿系數(shù)的工具，相當(dāng)于在抽油桿上安裝了多個(gè)提油活塞，這種分段提油的方法，大幅度減少了抽油泵上的液柱壓力，減小了漏失，有效緩解斜井抽油桿和油管內(nèi)的偏磨。

3.2.3 安裝自動(dòng)變斜面接觸式扶正器

自動(dòng)變斜面扶正器具有防止在油井開發(fā)過(guò)程中由于井斜問(wèn)題造成的偏磨，有效保護(hù)抽油桿、油管。由于扶正器本體與接箍中軸并非是緊密接觸，而是有一定的間隙，使扶正器本身可以旋轉(zhuǎn)，并可沿軸向作一定角度的傾斜。隨著抽油桿不斷的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有橢圓形橫截面的扶正器本體外表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證它可以徑向旋轉(zhuǎn)和軸向傾斜，在運(yùn)行過(guò)程中可以隨油管的彎曲變化自動(dòng)調(diào)整傾斜角度，確保扶正器最大的圓弧面始終保持與油管壁面接觸，能有效緩解抽油桿與油管的偏磨。

3.2.4 應(yīng)用AOC雙向保護(hù)接箍

雙向保護(hù)接箍是在普通接箍上涂覆一層AOC-160耐磨、耐蝕、減摩涂層。AOC-160涂層特有的成份在涂層（接箍硬表面）與油管（軟表面）摩擦過(guò)程中，以片狀形式轉(zhuǎn)移到油管表面，在接箍和油管摩擦過(guò)程中該片狀物的存在降低了接箍和油管之間的摩擦系數(shù)，保護(hù)和減緩了油管表面的磨損，起到了片狀減磨的作用。

3.2.5 使用耐磨內(nèi)涂層油管

針對(duì)南堡油田1-29斷塊油井桿管偏磨這一實(shí)際情況，在抽油桿和油管接觸表面進(jìn)行噴涂耐磨涂層，試驗(yàn)證明，經(jīng)噴涂處理的油管與抽油桿進(jìn)行摩擦?xí)r，耐磨性能較好，摩擦系數(shù)與磨損率都較低。

3.2.6 安裝油管和抽油桿自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置

對(duì)于井斜大、偏磨嚴(yán)重的油井，盡管安裝了扶正器，使用耐磨內(nèi)涂層油管，但是油管與扶正器間長(zhǎng)時(shí)間的偏磨最終導(dǎo)致管柱失效。對(duì)此類井，使用油管和抽油桿旋轉(zhuǎn)裝置，能大大改善偏磨效果，在抽油桿和油管上分別安裝自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，生產(chǎn)過(guò)程中油管和抽油桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程不同步，其被磨損面從19°～21°擴(kuò)大到360°，桿管之間的線摩擦通過(guò)桿管的不同步旋轉(zhuǎn)變?yōu)槊婺Σ?，能使油管和抽油桿四周均勻磨損，防止桿管在同一位置重復(fù)磨損造成偏磨，延長(zhǎng)桿管的使用壽命，同時(shí)有效防止抽油桿脫扣。

3.3 調(diào)整合理的生產(chǎn)參數(shù)

（1）在偏磨井中，應(yīng)在滿足深井泵產(chǎn)液量要求的前提下[9]，盡量采用“長(zhǎng)沖程+慢沖次”和小泵徑生產(chǎn)，從而增大油管與抽油桿的磨損面積，降低慣性載荷及懸點(diǎn)最大載荷，減少偏磨次數(shù)，使磨損均勻，延長(zhǎng)抽油桿和油管的使用壽命。

（2）保持足夠的沉沒(méi)度才能得到較高的泵效，同時(shí)降低桿管偏磨的影響，對(duì)沉沒(méi)度大于300m的抽油井可上提泵掛或換大泵提液，既減小桿管接觸面積，同時(shí)也減輕抽油機(jī)載荷，使磨損減輕[10]。

（3）低產(chǎn)低效井的泵的有效工作時(shí)間占其工作時(shí)間比例很小，泵效極低，對(duì)這類井利用液面恢復(fù)曲線方程，計(jì)算出最合理的停開抽周期，在采取間開生產(chǎn)，在產(chǎn)液量變化不大的情況下，大大減少了井下抽油桿與油管之前的相互磨損時(shí)間，延長(zhǎng)桿管使用壽命。

通過(guò)以上綜合治理方法的實(shí)施，南堡1-29斷塊33口抽油井平均沖程5.5m，沖次1.4次/min，減小了偏磨，降低了躺井，延長(zhǎng)了檢泵周期，與2012年相比，2013年抽油井開井率提高了3.7%，檢泵周期延長(zhǎng)了152d。

4 結(jié)論

（1）南堡油田1-29斷塊有桿泵井抽油桿和油管偏磨主要是由泵掛深、井斜大、桿柱載荷變化、生產(chǎn)參數(shù)大、沉沒(méi)度不合理、采出液性質(zhì)等因素引起的。

（2）優(yōu)化抽油桿和油管的組合、優(yōu)選和應(yīng)用井下防偏磨工具、安裝抽油桿和油管井口自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置等能有效地防治桿管偏磨，延長(zhǎng)桿管使用壽命及油井的檢泵周期。

（3）防治抽油桿和油管的偏磨的是一個(gè)綜合治理的過(guò)程，具體應(yīng)用哪些防偏磨措施，應(yīng)根據(jù)油井的實(shí)際情況，有針對(duì)性地選擇幾種防偏磨措施進(jìn)行同時(shí)實(shí)施，才能達(dá)到防治有桿泵桿管偏磨的最佳效果。

（4）在滿足泵排量和泵效的情況下，合理的生產(chǎn)參數(shù)（長(zhǎng)沖程+慢沖次）可有效的減緩抽油桿和油管磨損，達(dá)到延長(zhǎng)檢泵周期的目的。

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TE355

B

1004-5716(2015)06-0038-04

2014-05-27

魯娟黨（1982-），男（漢族），陜西武功人，工程師，現(xiàn)從事油田開發(fā)工作。