有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨磨損效率試驗研究

劉曉旭，喬海波，黃 梅，王亞輝

（中國石油 冀東油田公司，河北 唐山063004）①

在有桿泵抽油系統(tǒng)中，桿管偏磨會導(dǎo)致抽油桿或油管損壞，造成井下事故，降低油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)行桿管偏磨磨損量預(yù)測的研究可以預(yù)知井下桿管偏磨情況、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，有利于延長桿管柱的使用壽命。桿管偏磨時的磨損效率是磨損量預(yù)測的重要參數(shù)。不同生產(chǎn)條件下磨損效率的大小需要通過試驗確定，目前針對這方面的試驗研究還比較少。本文采用正交試驗法研究了有桿泵抽油系統(tǒng)的桿管偏磨磨損效率，為預(yù)測抽油桿和油管的磨損量提供試驗數(shù)據(jù)。

1 磨損效率的理論計算

有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨時，由摩擦力產(chǎn)生的摩擦功Ut一部分轉(zhuǎn)化為摩擦熱，另一部分表現(xiàn)為金屬的磨損。金屬磨損吸收能量為U，關(guān)系式為：

式中：Ut為摩擦功，J；Frt為抽油桿柱與油管之間的摩擦力，N；Lz為摩擦力作用的路程，m；μ為抽油桿柱與油管之間的摩擦因數(shù)，無因次；N為抽油桿柱與油管之間的正壓力，N；U 為磨損吸收能量，J；V為金屬的磨損量，m3；H 為布氏硬度，N／m2。

磨損效率E為

由式（3）可知，磨損效率的大小與磨損量、正壓力、摩擦副及摩擦力作用的路程有關(guān)，對于某一確定生產(chǎn)條件下抽油桿與油管間的磨損，抽油桿與油管的磨損效率相同。磨損效率的大小很難通過理論計算得出。因此，本文對不同條件下的桿管偏磨進(jìn)行試驗，通過試驗測得的油管試樣的磨損量來確定桿管偏磨時磨損效率的大小。

2 磨損效率的試驗研究

2.1 試驗參數(shù)及工況

摩擦磨損試驗裝置如圖1所示。采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模擬抽油機(jī)井中抽油桿的往復(fù)運(yùn)動，抽油桿試樣為運(yùn)動件，油管試樣為靜止件。試驗機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 500r／min可調(diào)，試驗機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)由計數(shù)器來測量。試驗前，從抽油桿上截取30mm長的試樣，將油管加工成長65mm、寬30mm的試樣。

圖1 磨損試驗裝置

2.2 試驗方案及結(jié)果分析

本次試驗采用正交試驗方法進(jìn)行設(shè)計，選擇混合型正交表L16（44×23）作正交試驗表。試驗指標(biāo)為油管試樣的磨損量，選擇圓盤的材質(zhì)類型、油管材質(zhì)類型、試驗介質(zhì)類型、原油中的含砂量、桿管間的接觸正壓力以及圓盤的轉(zhuǎn)速作為試驗的因素。各因素及其水平值的確定如下：

1） 圓盤的材質(zhì)類型 本次試驗中圓盤的材質(zhì)類型選擇普通D級抽油桿材料（硬度為22～28HRC）和1種扶正器材料（硬質(zhì)合金材料，硬度為89HRA）。

2） 油管的材質(zhì)類型 本文選擇現(xiàn)場使用較多的鋼級為J55和N80的油管進(jìn)行試驗。

3） 試驗介質(zhì)類型 隨著油田開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，定向井和水平井的數(shù)量增加，油田開采中后期以后，含水量增加進(jìn)一步加劇了桿管偏磨。為模擬油田現(xiàn)場實(shí)際情況，試驗中采用油井產(chǎn)出液作為潤滑介質(zhì)，并在試驗室調(diào)配其含水量。分別在純水、含水80%的原油、含水60%的原油和不含水的原油中進(jìn)行模擬試驗。

4） 介質(zhì)中的含砂量 產(chǎn)出液從地下巖石中攜帶上來的砂子具有較強(qiáng)的磨礪性，使抽油桿與油管發(fā)生磨粒磨損。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際含砂量的變化范圍，選用現(xiàn)場提取的油井產(chǎn)出液，通過配比對含砂量分別為0‰、0.4‰、0.8‰、1.2‰的情況進(jìn)行試驗。

5） 正壓力 抽油桿與油管間正壓力的變化可以通過調(diào)節(jié)配重砝碼的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)抽油桿和油管發(fā)生失穩(wěn)摩擦?xí)r的工況分析，選擇摩擦副的正壓力分別為50、100、150、200N的情況進(jìn)行試驗［1］。

6） 轉(zhuǎn)速 由于試驗機(jī)采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動代替往復(fù)運(yùn)動模擬抽油機(jī)井中抽油桿在油管中的運(yùn)動情況，因此，結(jié)合井下實(shí)際工況，根據(jù)試驗機(jī)摩擦對偶的相對線速度與抽油桿和油管發(fā)生偏磨的線速度相等的原則確定試驗的轉(zhuǎn)速。本試驗選擇的轉(zhuǎn)速分別為70、80、90、100r／min。

由以上分析可以看出：6種因素中，對圓盤材料和油管材質(zhì)2種因素選擇2個水平值；而對其他4種因素選擇4個水平值，如表1。

本文試驗中，不同轉(zhuǎn)數(shù)時摩擦力作用的路程Lz為：

式中：d為圓盤的直徑，m；nm為試驗機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。將式（4）代入式（3）得

式中：B＝ρtμN(yùn)nmπd／Ht；Δm 為不同轉(zhuǎn)數(shù)時對應(yīng)的油管質(zhì)量磨損量，kg；ρt為油管材料的密度，kg／m3； Ht為油管材料的布氏硬度，N／m2。

表1 試驗中6種因素的水平值

按上述正交試驗設(shè)計共進(jìn)行16組磨損試驗，每組試驗總轉(zhuǎn)數(shù)為5×104圈，每轉(zhuǎn)5 000圈采用精度為0.1mg的天平測定試驗前后油管試樣的磨損質(zhì)量損失，即磨損量?？紤]到摩擦因數(shù)的測量誤差較大，且已有很多學(xué)者對摩擦因數(shù)進(jìn)行試驗，本文僅根據(jù)前人的試驗數(shù)據(jù)對摩擦因數(shù)取值［2－5］。通過式（5）可知，Δm與B為線性關(guān)系。根據(jù)試驗測得的16種試驗條件下在不同轉(zhuǎn)數(shù)時的磨損量數(shù)據(jù)，擬合出16組試驗條件下的磨損效率值，具體結(jié)果如表2。

表2 各組試驗中磨損量數(shù)據(jù)及摩擦因數(shù)和磨損效率

3 磨損效率的應(yīng)用

通過試驗確定不同工況下的磨損效率后，可計算出有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨時，抽油桿和油管的體積磨損量以及油管和抽油桿的最大磨損深度，從而較好地預(yù)測井下桿管偏磨情況，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

抽油桿和油管的體積磨損量預(yù)測公式為

油管最大磨損深度［6］為

式中：s為沖程，m ；n為沖次，min－1；t為給定的時間，s；Nu為上沖程時抽油桿柱與油管之間的正壓力大小，N；N為下沖程時抽油桿柱與油管之間的正壓力大小，N；Ht為油管材料的布氏硬度，N／m2；k為抽油桿柱軸線與油管軸線之間的距離，m；Rr為抽油桿半徑，m；Rt為油管內(nèi)圓半徑，m；ht為油管的最大磨損深度，m。

通過二分法確定k值后，可由式（9）求得油管的最大磨損深度。

抽油桿最大磨損深度［6］為

式中：Hr為抽油桿材料的布氏硬度，N／m2；hr為抽油桿的最大磨損深度，m。

由式（10）并采用二分法求解抽油桿的最大磨損深度。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)能量法原理確定了磨損效率的計算方法，同時應(yīng)用正交試驗法設(shè)計了有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨的模擬試驗，模擬了16種試驗條件下抽油桿與油管的磨損情況。通過試驗測得油管磨損量數(shù)據(jù)，擬合出了各試驗條件下的磨損效率，為有桿泵抽油系統(tǒng)桿管偏磨磨損量的預(yù)測以及油管和抽油桿最大磨損深度的預(yù)測奠定了基礎(chǔ)，從而為較好地了解井下桿管偏磨情況、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

2） 本文僅對16種情況進(jìn)行了試驗，考慮到影響桿管偏磨因素的復(fù)雜性，建議針對具體油田的情況對現(xiàn)場更多生產(chǎn)條件下的偏磨進(jìn)行模擬試驗，從而確定更多條件下的桿管間的磨損效率并消除誤差的影響，為更好地預(yù)測不同生產(chǎn)條件下的磨損量提供依據(jù)。

［1］Long S W.Measured rod string／tubing wear and associated side loading［R］.SPE37502.

［2］王旱祥，隋允康，張金中.抽油桿和油管材料在油田污水介質(zhì)中的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2004，24（5）：467－470.

［3］顏廷俊，王奎升，郭立謙，等.抽油桿／油管耐磨涂層摩擦磨損特性試驗研究［J］.潤滑與密封，2004（4）：46－52.

［4］顏廷俊，王奎升，張金中，等.高含水原油對油管和抽油桿摩擦磨損性能的影響研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2004，24（2）：177－180.

［5］顏廷俊，王奎升，吳大勇.高含水期井液對抽油桿／油管偏磨影響試驗研究［J］.石油礦場機(jī)械，2005，34（4）：24－26.

［6］劉曉旭，林元華，曾德智，等.有桿抽油系統(tǒng)桿管偏磨磨損量預(yù)測研究［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（1）：34－37.