傾斜井眼中抽油桿扶正器的分布位置優(yōu)化研究

陸亞男（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

油田開(kāi)發(fā)中的有桿泵井桿管偏磨導(dǎo)致的桿管斷脫、漏失等問(wèn)題始終是降本增效一大難題。薩北油田因偏磨導(dǎo)致的檢泵作業(yè)井?dāng)?shù)逐年增加，占維護(hù)成本近半數(shù)以上。國(guó)內(nèi)各大油田均投入大量資源解決該問(wèn)題。抽油桿上安裝來(lái)防治偏磨是一種最常用的方法，且被大多數(shù)油田所采用。但扶正器在抽油桿上的安裝間距及如何分布目前沒(méi)有明確的依據(jù)。為此，通過(guò)對(duì)斜井抽油桿的受力分析，建立抽油桿柱相應(yīng)的力學(xué)模型，推導(dǎo)出扶正器安裝間距的理論值，有效地優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中扶正器的安裝。

1 力學(xué)模型

在斜井中帶有扶正器的抽油桿柱（圖1），可以簡(jiǎn)化為有初彎曲的縱橫彎曲連續(xù)梁。每一個(gè)扶正器相當(dāng)于一個(gè)球鉸支，相鄰的扶正器與中間的桿柱段，組成一個(gè)簡(jiǎn)支梁，斜井內(nèi)抽油桿受力示意圖見(jiàn)圖2。各個(gè)簡(jiǎn)支梁相互首尾銜接地連接起來(lái)，像一條長(zhǎng)長(zhǎng)的多節(jié)鞭往復(fù)運(yùn)動(dòng)在油管中間[1-2]。在該桿柱上還作用著各種縱向力，從整體和宏觀上看，由于長(zhǎng)細(xì)比極大，它可以作為柔桿處理；但是從局部和某個(gè)微元段來(lái)看，它又是具有剛度的一段鋼桿。抽油桿柱在油管運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使它形成初彎曲[3]。這種初彎曲的撓度曲線，一般認(rèn)為是和定向井的井眼軌跡中心線相重合的。在此基礎(chǔ)上，在桿柱的各種縱、橫載荷的聯(lián)合作用下，桿柱發(fā)生進(jìn)一步變形，即形成了它在油管中的實(shí)際狀態(tài)。

圖1 抽油桿及扶正器實(shí)物圖

圖2 斜井內(nèi)抽油桿受力示意圖

斜井井眼軌跡為三維空間曲線，抽油桿柱受彎曲應(yīng)力作用。為了描述斜井井眼軌跡通常通過(guò)井斜角和方位角來(lái)表示，而井斜角和方位角隨井深變化的快慢，常用井斜角變化率和方位角變化率來(lái)表示[4-6]。例A井軌道參數(shù)如表1所示。

表1 A井實(shí)鉆軌道參數(shù)

計(jì)算斜井中抽油桿受力情況，一般采用取出斜井中的一個(gè)測(cè)段，該測(cè)段的井身軌跡可以簡(jiǎn)化為一條圓弧線，因此它是一條平面曲線相鄰測(cè)點(diǎn)間的距離，即點(diǎn)距ΔL，實(shí)際在實(shí)鉆報(bào)表中，一般為25 m。由于數(shù)值較大，所以測(cè)段中的抽油桿柱一般不能簡(jiǎn)化為直線段[7-8]。作用在該測(cè)段桿柱上的平衡力，即測(cè)段正壓力合力或單位長(zhǎng)度正壓力可用下式計(jì)算：

式中：Fcn為測(cè)段桿柱上的正壓力合力，N；fcn為測(cè)段桿柱上的單位長(zhǎng)度正壓力，N/m；Ft為測(cè)段桿柱兩端的軸向力，N；βL為測(cè)段全角變化率，°/m，常寫成°/25m的形式；β為測(cè)段全角，°；它與全角變化率的關(guān)系，由下式?jīng)Q定：

式中：ΔL為相鄰測(cè)點(diǎn)間的距離，即測(cè)段弧長(zhǎng)或點(diǎn)距，m。

2 計(jì)算實(shí)例分析

根據(jù)實(shí)鉆井眼資料，按點(diǎn)距把整個(gè)抽油桿柱從下至上全部分段。在此基礎(chǔ)上，斜井中抽油桿柱扶正器分布設(shè)計(jì)可采取從最低點(diǎn)（抽油泵）開(kāi)始，由下而上逐段計(jì)算方法[9-11]。但根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，我們只針對(duì)全角變化率較大的特別側(cè)斜段做出扶正器合理分布的設(shè)計(jì)，其它側(cè)段采用直井段的扶正器安裝方式[12-13]。

實(shí)例計(jì)算某油田A井，油管內(nèi)徑φ76mm，油桿直徑φ25mm，泵深910.8m，最大井斜角/井深為22.90/550(m)，最大全角變化率/井深為4.779/300(m)，A井全角變化率大井段參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 A井全角變化率大井段參數(shù)

井液中抽油桿單位長(zhǎng)度自重（取抽油桿單位長(zhǎng)度自重為35.4N/m，井下液體密度取0.86t/m3），通過(guò)公式計(jì)算得出每段的扶正器間距，A井計(jì)算后扶正器個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 A井計(jì)算后扶正器個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

應(yīng)用該算法對(duì)某采油廠含A井在內(nèi)的A、B、C、D、共4口相同井況抽油機(jī)井進(jìn)行扶正器優(yōu)化，遵循關(guān)鍵部位就近安裝，彎曲嚴(yán)重部分，扶正器要密集分布的原則。檢泵施工過(guò)程中合理配置安裝扶正器。4口井都采用JH-XWFZFPM-22mm-HY-9.14m限位式H級(jí)抽油桿，A在井口到100m，200～400m及600～900m處每根桿中間多加一個(gè)插入式扶正器一共65個(gè)。B井在50～100m，200～400m，800～900m處每根桿中間多加一個(gè)插入式扶正器，600～800m處加雙扶正器，共80個(gè)。C井在第76～85根桿（690～810m）側(cè)斜段偏磨處每10m多加一個(gè)插入式扶正器。D井在250～500m處每根桿間多加一個(gè)扶正器。對(duì)4口井未偏磨處，依據(jù)計(jì)算結(jié)果相應(yīng)減少扶正器的安裝，單井平均減少20個(gè)扶正器。

4口井措施前后能耗參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。措施實(shí)施后，單井抽油桿柱受力更加合理，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得以提升，單井電流明顯下降，4口井平均系統(tǒng)效率上升7.13%，噸液耗電量降低0.52kWh。按單井平均日產(chǎn)液50t計(jì)算，措施實(shí)施后年節(jié)電3.79×104kWh，年獲經(jīng)濟(jì)效益2.4萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

表4 4口井措施前后能耗參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1）斜井抽油桿扶正器間距的大小受井眼軌跡的彎曲影響較大，應(yīng)遵循關(guān)鍵部位就近安裝的原則，彎曲嚴(yán)重部分，扶正器要密集分布。

2）斜井安裝扶正器后，受力會(huì)發(fā)生改變，扶正器個(gè)數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢泵情況與技術(shù)人員進(jìn)行后期實(shí)際調(diào)整。

3）通過(guò)全角變化率計(jì)算法來(lái)確定布放扶正器，能夠使抽油桿的偏磨得到更最有效的防治，降低抽油桿運(yùn)行阻力，使油井有功單耗下降，系統(tǒng)效率提高，4口抽油機(jī)井平均單井有功功率下降2.19kW，年節(jié)電3.79×104kWh，節(jié)約電費(fèi)2.4萬(wàn)元，有較好的節(jié)能效果。該方法成本較低，在斜井應(yīng)用具有優(yōu)越性且運(yùn)行可靠，是適用于抽油機(jī)井的一種節(jié)電技術(shù)。