抽油機井桿柱兩級組合節能探討*

姚慶童 王建英 毛玲 謝蓮英 毛建軍 付憲

（1.華北油田公司第五采油廠；2.華北油田公司第一采油廠；3.華北油田公司勘探開發研究院；4.華北油田公司二連分公司）

設計抽油桿柱組合時，若設計的桿柱強度過大，會浪費材料，增加成本；反之，強度過小，導致偏磨破壞。高強度二級桿柱組合的桿柱較細，質量較輕，容易滿足強度要求，達到節能降耗的目的。姚春冬等人[1]使用API 方法以及由四桿機構傳動效率及井下功率損失的計算公式計算得出，抽油桿柱越重，抽油機四桿機構效率越低、井下功率損失越多，因而抽油機系統耗電增加。井下載荷的大小是決定抽油機能耗的關鍵，在設計時盡量選擇質量較輕的抽油桿柱組合來減輕舉升載荷。通過使用高強度的二級桿柱組合代替常用的三級桿柱組合，現場運用后桿柱質量可減少17.1%，耗電量減少11.77%。

1 桿柱設計

通常抽油桿按直徑大小可分為：Φ 13、Φ 16、Φ 19、Φ 22、Φ 25、Φ 29 等規格。抽油桿柱的設計內容為：桿柱的選材、直徑和長度的組合。為了抽油桿能夠安全地工作，當井深不斷增加時，要選擇不同直徑的抽油桿，即采用多級桿形式。通過應用API 設計方法合理優化桿柱組合[2]，在確定材質的前提下，采用等強度方法計算抽油桿的最大許用應力和最大應力，考慮一定的安全系數，確定抽油桿型號和最合理的多級桿組合比例，最大限度地延長抽油桿的使用壽命。

1.1 設計依據

作為抽油機井最常用的三級組合即D級Φ 25 mm桿+HY 級Φ 22 mm 桿+HY 級Φ 19 mm 桿的三級組合方式，已經得到了廣泛的應用。但是，隨著科技的不斷進步，高強度的HY 級桿可以應用到二級桿柱組合中，通過放棄使用D 級Φ 25 mm 抽油桿，使用HY 級Φ 22 mm +Φ 19 mm 抽油桿的兩級組合方式，達到減輕桿柱負荷的目的。與普通的D 級桿相比，HY級高強度抽油桿具有較高的表面硬度（HRC42～58）和較高的抗拉強度（980～1200 MPa），替代原來的D 級抽油桿降級使用后，可減輕桿柱質量20%，減少體積26%，降低懸點載荷，減少功率消耗；增大油流空間，改善桿管的受力狀況。

1.2 二級組合設計

1）泵掛深度的確定。通過地層壓力決定靜液面高度和采液強度基準，再根據油井液體的性質，確定合理的采油壓差和沉沒度，然后依據沉沒壓力和井底流壓確定泵掛深度。

2）設計方法。抽油桿柱組合的設計方法有多種，目前油田常用API方法設計抽油桿柱。建立應力-強度干涉模型，針對不同油井的地質特點、原油物性等條件，由靜強度、常規疲勞強度設計，引用動強度設計，從抽油桿柱微段的載荷計算，利用計算機數值計算，編制API函數抽油桿柱組合設計計算機軟件。API 方法給出了各種情況下的等強度抽油桿柱組合，從中選擇桿柱質量較輕的HY 級Φ 22 mm、Φ 19 mm桿的二級組合。

3）配套應用。為了能夠有效地緩解抽油桿柱下部受壓產生的彎曲變形，通過添加加重桿[3]，可改善抽油桿偏磨狀況，減少偏磨斷裂的概率；井斜時需采用內襯油管與雙向接箍；并且依據不同的油井采取相應的防蠟、防腐措施。

2 現場應用

102 號油井，原井抽油桿組合為D 級Φ 25 mm桿338 m+HY級Φ 22 mm桿595 m+HY級Φ 19 mm桿658 m+Φ 42 mm加重桿36 m，最大載荷76.4 kN。

2012年1月，根據油井原油含水86.9%，原油密度9697 kg/m3，抽油桿使用系數0.9和地質方案要求（液面1400 m，液量10 m3）進行作業施工。

設計泵徑38 mm，泵深1650 m，使用API 方法進行設計，在給出的抽油桿柱組合設計中選擇較輕的二級桿柱組合，即HY級Φ 22 mm桿936 m+HY級Φ 19 mm桿664 m+Φ 42 mm加重桿36 m的桿柱組合方式。最大載荷67.6 kN，作業前后示功圖見圖1。

圖1 作業前后示功圖

表1 桿柱組合參數

從表1可以看出，相較于該井之前運用的三級桿柱組合，二級桿柱組合的抽油桿柱重力由46.2 kN降低至38.3 kN，抽油機桿柱重力下降17.1 個百分點，抽油機耗電量減少率為11.77%。可見，使用二級桿柱組合具有明顯的節能效果。

3 結論

1）抽油桿柱組合對抽油機井耗電有較大影響的原因，在于抽油桿柱質量直接影響抽油機系統的地面效率和井下功率損失。

2）抽油機工作時，四桿機構的平均傳動效率隨著懸點載荷的增加而降低，抽油機井井下功率損失與抽油桿柱載荷成正比。也就是說，滿足強度要求設計的桿柱，盡量選擇桿柱質量輕的抽油桿柱組合。

[1]姚春冬,徐秀芬,張玉生.抽油桿柱組合對抽油機井能耗的影響[J].大慶石油學院學報,1996(2):72-75.

[2]佟麗春.應用實用節能技術降低抽油機井能耗[J].內蒙古石油化工,2013(18):101-102.

[3]龔雪,張樹江,李鵬,等.抽油桿柱的組合設計[J].當代化工,2012(3):280-281.