玻璃鋼－鋼混合抽油桿柱優化設計與節能評價

彭元東

（中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽473132）

隨著油氣田開發的深入，為滿足深抽提液要求或解決井筒流體腐蝕影響抽油桿使用壽命等問題［1］，近年來玻璃鋼抽油桿在油氣開采中的應用規模不斷增加，但油田生產實踐中缺乏對玻璃鋼抽油桿柱的特性研究和節能效果分析，對玻璃鋼抽油桿柱的優化設計尚處于經驗狀態［2－3］。筆者對有桿抽油系統的行為預測方法進行研究，期望獲得相關的設計與分析方法，為油井玻璃鋼－鋼混合抽油桿柱設計和節能效果分析提供指導。

1 玻璃鋼－鋼混合桿柱模型及求解

1.1 玻璃鋼－鋼混合桿柱系統行為預測模型

有桿抽油系統行為預測方法由抽油桿柱的Gibbs波動方程和邊界條件（包括懸點運動規律及井下泵的受力條件）組成。

當抽油桿為不同材料及桿徑的混合桿時，預測模型的Gibbs波動方程組為：

在不同材料及桿徑的界面處的連續條件為：

式中：ui（x，t）——第i級抽油桿截面x 處在t時刻位移，m；Li——第i級抽油桿長度，m；Ei——第i級抽油桿柱的彈性模量，Pa；Ai——第i級抽油桿柱的橫截面積，m2；

邊界條件包括：懸點運動條件和井下泵的受力狀態。

根據懸點運動條件。懸點位移時間函數UO（t）：可以根據抽油機類型與幾何運動特性求出懸點位移方程的精確解［4］；井下泵的受力狀態：泵載荷時間函數PP（t）可以根據抽油泵工作過程以及泵內流體參數計算得到［5］。

1.2 模型的求解

通過有限差分法［6］求解玻璃鋼抽油桿柱系統的行為預測模型，可得抽油桿柱任意截面位移u（x，t），抽油桿下端即抽油泵柱塞處的位移un（t）與泵柱塞載荷PP（t），可得泵功圖。

已知抽油桿柱任意截面位移u（x，t），則抽油機懸點載荷為：

式中：P（t）——懸點載荷，N；Wr——抽油桿柱在井筒液體中的重量，N；E——鋼的彈性模量，2.06×1011Pa；A——抽油桿截面積，m2。

根據懸點載荷P（t）與懸點位移UO（t）即可得到地面功圖。

根據泵功圖、地面功圖和電機輸入功率，可計算該抽油機井的井下舉升效率、地面效率和系統效率。

2 實例計算與分析

油井基本資料：油壓為0.2 MPa；套壓為0 MPa；井液粘度為70 mPa·s；井液密度為952 kg／m3；動液面深度為1 300 m；下泵深度為2 000 m；油管外徑為89 mm；油管內徑為73 mm；油管錨定；常規桿式泵泵徑為44 mm；選擇抽油機的型號為常規抽油機（CYJ12－4.8－73HB）；沖程為4.2 m；沖次為8 min－1。

2.1 不同玻璃鋼－鋼混合桿柱組合的性能對比分析

由于玻璃鋼抽油桿不能承受壓力，所以在油田應用中，通常采用玻璃鋼－鋼混合桿柱生產。選擇玻璃鋼－鋼桿混合桿柱為二級桿，玻璃鋼抽油桿為第一級抽油桿，桿徑為25 mm；D級鋼抽油桿為第二級抽油桿，桿徑為22 mm。不改變下泵深度，確定為2 000 m，下面通過改變玻璃鋼抽油桿和鋼桿的組合長度，分析其對柱塞沖程、產量、懸點載荷和系統效率的影響。

2.1.1 確定混合桿柱中玻璃鋼桿的極限長度

由于玻璃鋼抽油桿不能承受壓力，那么需要找出在給定油井生產狀況下，玻璃鋼抽油桿不受壓時的最大長度。由圖1可以看出，當玻璃鋼抽油桿長度達到1 600 m，鋼桿400 m時，其下沖程最小載荷將接近0N；當玻璃鋼抽油桿長度達到1 700 m時，其將會受壓。研究結果表明，在當前油井生產狀況下，玻璃鋼抽油桿長度應小于等于1 600 m，即所占玻璃鋼－鋼桿混合桿柱總長度的比例小于等于80%。

圖1 不同玻璃鋼桿長度下玻璃鋼桿與鋼桿接點處的示功圖

2.1.2 混合桿柱中不同玻璃鋼桿長度對柱塞沖程、懸點載荷和系統效率的影響

玻璃鋼桿長度的改變將會使柱塞沖程發生改變，從而影響油井產量；同時隨著玻璃鋼桿長度的增加，懸點載荷將會減小。

由表1可以看出，通過改變玻璃鋼－鋼桿混合桿柱中的玻璃鋼桿比例，柱塞沖程將會發生變化，隨著玻璃鋼桿長度的增加，柱塞沖程將會增加，當玻璃鋼桿長度大于1 000 m，即玻璃鋼桿的比例大于50%時，柱塞沖程將會下降；只有當玻璃鋼桿長度大于400 m 且小于1 200 m，即玻璃鋼桿的比例在20%～60%之間時，才會出現超沖程現象。

表1 不同玻璃鋼桿長度下柱塞泵的位移和沖程變化

由表2可知，當玻璃鋼桿長度大于400 m小于1 200 m，即玻璃鋼桿的比例在20%～60%之間時，泵效將大于1；隨著玻璃鋼桿長度增加（在混合桿柱中所占比例增加），懸點的最大載荷、最小載荷不斷降低；油井舉升效率變化不大，但地面效率不斷增大。

2.2 玻璃鋼－鋼混合桿柱與實心鋼抽油桿桿柱的對比分析

綜上所述，當玻璃鋼桿長度在1 000～1 200 m之間時，混合桿柱既有較高的系統效率又會有超沖程現象產生，因此取玻璃鋼桿長度為1 100 m時的混合桿柱與實心鋼抽油桿柱進行系統參數的對比分析。取實心鋼抽油桿為二級桿，桿柱組合為25 mm×560 m，22 mm×1 440 m；抽油桿類型為D級桿，對比結果如表3，表4所示。

由表3可知，玻璃鋼－鋼混合桿柱在生產過程中可產生超沖程現象，這是由于玻璃鋼－鋼混合桿柱的固有頻率比鋼的抽油桿固有頻率要低，沖數越接近抽油桿固有頻率，使抽油桿柱的振幅增大，柱塞沖程加大。由表4可知，與實心鋼抽油桿桿柱相比，使用玻璃鋼－鋼混合桿柱的油井可提高產量。同時玻璃鋼抽油桿的密度不足鋼制抽油桿的三分之一，懸點載荷大幅減小，相對于鋼制抽油桿減小約35 kN；由于玻璃鋼抽油桿的彈性模量只是鋼的1／4，彈性變形大，在上沖程時能夠儲存能量，下沖程釋放能量，從而使懸點載荷差減小約21 kN，地面效率提高了10%，系統效率提高了5.3%。

表2 不同玻璃鋼桿長度下的系統參數

表3 玻璃鋼－鋼混合桿柱與實心鋼抽油桿的柱塞泵位移和沖程的對比

表4 玻璃鋼－鋼混合桿柱與實心鋼抽油桿的系統參數對比

3 結論與認識

（1）運用考慮抽油桿柱縱向振動的一維有阻尼波動方程，以懸點運動規律和泵柱塞載荷為約束條件，建立了玻璃鋼－鋼混合桿柱系統行為預測模型，可進行玻璃鋼－鋼混合抽油桿柱優化設計和節能效果分析，為油田生產節能和油井抽油桿的選型提供了理論依據。

（2）相比較于實心鋼抽油桿桿柱，玻璃鋼－鋼混合桿柱油井的懸點載荷將會降低，在不改變地面設備類型的情況下可使用大直徑柱塞泵來提高產量或提高下泵深度進行深井采油。井例計算結果表明，最佳桿柱組合的玻璃鋼－鋼混合桿柱可使懸點載荷差減小約21kN，系統效率提高約5個百分點，玻璃鋼抽油桿占玻璃鋼－鋼混合桿柱總長度的比例小于等于80%時玻璃鋼抽油桿不會受壓。

［1］ 胡業文，郭建設，馮鼎，等.玻璃鋼抽油桿技術性能與應用探討［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：35－38.

［2］ 郭生武.油田用玻璃鋼管［M］.北京：石油工業出版社，2004.

［3］ 馬來增，謝先華.抽油機井應用玻璃鋼管采油技術研究［J］.石油天然氣學報，2010，32（3）：369－372.

［4］ 王常斌，陳濤平，鄭俊德.游梁式抽油機運動參數的精確解［J］.石油學報，1998，19（2）：107－110.

［5］ 崔振華，余國安，安錦高，等.有桿抽油系統［M］.北京：石油工業出版社，1994.

［6］ 張琪.采油工程原理與設計［M］.東營：中國石油大學出版社，2006：132－133.