控制抽油機井桿斷率的措施研究

穆菲（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

抽油桿在生產(chǎn)過程中傳遞動力時，位置會發(fā)生變化，抽油桿的負荷也會隨之發(fā)生變化。上下沖程中抽油桿受力差別大，導(dǎo)致抽油桿在交變載荷的作用下進行周期性的往復(fù)運動。在運動過程中，受到液柱載荷、慣性力、抽油桿所承受的重力、抽油桿彈性而引起的振動力，當受力不均時易導(dǎo)致抽油機井桿斷。

1 聚驅(qū)抽油機井抽油桿桿體斷原因分析

1.1 載荷對抽油桿的影響

1.1.1 抽油機井載荷運行情況分析

首先對2014年6月全礦開井抽油機井的載荷運行情況進行統(tǒng)計分析，對比理論載荷與實際載荷的運行差值（表1）。

表1 第五油礦2014年6月載荷運行情況統(tǒng)計

通過對比分析，全礦開井抽油機井的實際平均交變載荷與理論平均交變載荷相比超出12.73 kN，其中水驅(qū)平均超出9.94 kN；聚驅(qū)平均超出16.79 kN。

其次對2014年上半年抽油機井桿斷作業(yè)井作業(yè)前的正常載荷運行情況進行統(tǒng)計分析，對比理論載荷與實際載荷的運行差值（表2）。

表2 第五油礦2014年上半年桿斷作業(yè)井載荷運行情況統(tǒng)計

通過對比分析，抽油機井桿斷作業(yè)井的實際平均交變載荷與理論平均交變載荷相比超出25.74 kN，其中水驅(qū)平均超出16.25 kN；聚驅(qū)平均超出30.99 kN。

同時對比抽油機井桿斷作業(yè)井與正常運行井的載荷變化情況，實際平均交變載荷超出18.32 kN，其中水驅(qū)平均超出10.76 kN；聚驅(qū)平均超出15.99 kN?？梢?，載荷大是導(dǎo)致抽油機井桿斷作業(yè)的一個重要因素。

1.1.2 抽油機井交變載荷分級統(tǒng)計分析

首先對2014年6月全礦開井抽油機井的交變載荷運行情況進行分級統(tǒng)計（表3）。

表3 第五油礦2014年6月交變載荷運行情況分級統(tǒng)計

通過對比分析，全礦開井抽油機井的實際平均交變載荷在50 kN 以上井139 口，占總井數(shù)的15.4%；其中水驅(qū)15 口，聚驅(qū)124 口。

其次對2014年上半年抽油機井桿斷作業(yè)井作業(yè)前的正常載荷運行情況進行分級統(tǒng)計（表4）。

表4 第五油礦2014年上半年抽油機井桿斷作業(yè)井交變載荷運行情況分級統(tǒng)計

通過對比分析，抽油機井桿斷作業(yè)井中平均交變載荷在50 kN 以上作業(yè)井114 井次，占抽油機井桿斷作業(yè)總井數(shù)的57.29%。說明交變載荷在50 kN以上時，抽油機井桿斷的概率較大?？梢酝茰y，現(xiàn)運行交變載荷在50 kN 以上的139 口抽油機井有桿斷作業(yè)的可能性。

1.1.3 抽油桿實際應(yīng)用強度分析

為了驗證目前在用抽油桿的強度是否達到實際需求，在杏一～三區(qū)西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊有過桿斷歷史的油井應(yīng)用瑪爾卡維茨公式，計算出抽油機井桿斷前正常時的抽油桿相當應(yīng)力，與許用相當應(yīng)力對比。

得瑪爾卡維茨公式：

式中：

Pmin——最小載荷，kN；

Pmax——最大載荷，kN；

σmin——最小循環(huán)應(yīng)力，MPa；

σmax——最大循環(huán)應(yīng)力，MPa；

σα——應(yīng)力幅，MPa；

σm——平均應(yīng)力，MPa；

f ——抽油桿截面積，m2；

σ′——相當應(yīng)力，MPa。

對2014年上半年全礦抽油機井桿斷作業(yè)井抽油桿的相當應(yīng)力進行計算，分級統(tǒng)計相當應(yīng)力的變化范圍，分析抽油機井桿斷井的井下抽油桿使用情況（表5）。

由表5 可以看出，2014年上半年抽油機井桿斷作業(yè)井中，抽油桿相當應(yīng)力超過許用相當應(yīng)力（90 MPa）作業(yè)井101 井次，占桿斷作業(yè)總井數(shù)的50.75%。其中水驅(qū)10 井次，占水驅(qū)桿斷作業(yè)總井數(shù)的14.08%；聚驅(qū)91 井次，占聚驅(qū)桿斷作業(yè)總井數(shù)的71.09%。說明聚驅(qū)抽油機井井下抽油桿超出自身許用相當應(yīng)力是導(dǎo)致抽油機井桿斷作業(yè)的一個因素。

表5 第五油礦2014年上半年抽油機井桿斷作業(yè)井抽油桿相當應(yīng)力運行情況統(tǒng)計

1.2 沖速對抽油桿的影響

1.2.1 沖速與抽油桿運行時間的關(guān)系

對2014年上半年聚驅(qū)128 井次抽油機井桿斷作業(yè)井的沖速與抽油桿運行時間進行對比，分析抽油機井桿斷井兩者之間的關(guān)系（圖1）。

圖1 聚驅(qū)抽油機井桿斷井沖速與桿服役時間的關(guān)系

通過曲線可以看出，沖速越大，抽油桿運行時間越短。分析原因為沖速越大，慣性載荷越大，同時桿柱隨交變載荷的增加震動頻率加大，從而增加了抽油桿疲勞斷裂的機會。通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，沖速每增加1 min-1，抽油桿的壽命降低4 個月。

1.2.2 沖速對慣性載荷的影響

抽油機運轉(zhuǎn)時，懸點所承受的載荷包括動載荷、靜載荷及其他載荷。動載荷包括慣性載荷、振動載荷及摩擦載荷。靜載荷是由液柱重和桿柱重所產(chǎn)生的。其他載荷是由沉沒壓力及井口回壓造成的。當驢頭帶抽油桿和液柱做變速運動，因而產(chǎn)生抽油桿和液柱的慣性力。如果忽略抽油桿和液柱的的彈性影響，則可以認為抽油桿和液柱的各點與抽油機懸點運動完全一致，產(chǎn)生的慣性力除與抽油桿和液柱的質(zhì)量有關(guān)外，還與懸點加速度的大小成正比。

假設(shè)油井目前沖程為2.5 m，沖速5 min-1，由理論排量計算公式可知，在調(diào)整抽油機井抽汲參數(shù)時，沖程由2.5 m 調(diào)至3 m 與將沖速由5 min-1調(diào)至6 min-1的理排變化是相同的，但調(diào)整沖程使慣性載荷增加20%，調(diào)整沖速使慣性載荷增加44%。在泵深為1000 m，桿徑19 mm，管徑62 mm 的條件下，計算不同沖程沖速下懸點最大慣性載荷如表6。

表6 不同沖程、沖速最大慣性載荷統(tǒng)計

從表中可以看出，最大慣性載荷隨沖速的增加而增大；說明沖速越大，運行載荷越大，對抽油桿的疲勞損傷越大。同時可以說明聚驅(qū)油井參數(shù)大是導(dǎo)致抽油桿斷作業(yè)的一個因素。故針對供液嚴重不足并且頻繁作業(yè)井應(yīng)及時調(diào)小參數(shù)。

1.3 回油壓力對抽油桿的影響

第五油礦聚驅(qū)抽油機井的平均回油壓力均高于水驅(qū)油井的平均回油壓力，利用壓強公式P=F/S計算聚驅(qū)與水驅(qū)抽油機井井下抽油桿拉力的差距，從而判斷回油壓力對聚驅(qū)與水驅(qū)抽油機井井下的工具的作用情況（表7）。

表7 水驅(qū)與聚驅(qū)抽油機井抽油桿拉力對比統(tǒng)計

通過對比水驅(qū)、聚驅(qū)不同泵徑下的抽油機井的平均回油壓力差值，計算出井下抽油桿拉力的差值?？梢钥闯?，聚驅(qū)抽油機井比水驅(qū)抽油機井的井下抽油桿拉力平均高出0.74 kN，說明平均回油壓力高是導(dǎo)致聚驅(qū)抽油機井桿斷次數(shù)較水驅(qū)抽油機井桿斷次數(shù)多的一個因素。

1.4 見聚濃度對抽油桿的影響

通過對比杏一～三區(qū)西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊與杏四區(qū)西部相同注聚時期的見聚濃度，分析見聚濃度與上升速度變化情況。具體情況如圖2。

圖2 杏一～三區(qū)西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊與杏四區(qū)西部見聚濃度對比曲線

西部Ⅱ塊投產(chǎn)至今平均見聚濃度為260.2 mg/L，最高時達到469.2 mg/L；西部Ⅰ塊投產(chǎn)至今平均見聚濃度為342.5 mg/L，最高時達到825.5 mg/L；西部Ⅲ塊投產(chǎn)至今平均見聚濃度為365.8 mg/L，最高時達到696.1 mg/L；杏四西投產(chǎn)至今平均見聚濃度為255.5 mg/L，最高時達到432.9 mg/L。

隨著杏一～三區(qū)西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊見效，見聚濃度及上升速度遠高于杏四西同期。同時杏四西井距200 m，而杏一～三區(qū)井距只有125 m。

若采出液黏度越高，則液柱與抽油桿之間的摩擦力會增加。由于杏一～三區(qū)西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊注入高深度聚合物，液體黏度增加，使液柱與抽油桿之間的摩擦力增大。結(jié)果造成增加抽油桿的疲勞程度，從而降低了抽油桿的使用壽命，增加了抽油機井桿斷的概率。

2 聚驅(qū)抽油機井桿斷治理對策

2.1 調(diào)整參數(shù)降低油井載荷[1]

2014年上半年，為治理大參數(shù)、高載荷頻繁作業(yè)及高載荷嚴重供液不足的抽油機井，共計對此類抽油機井實施調(diào)小參數(shù)152 井次（表8）。

表8 第五油礦2014年上半年抽油機井調(diào)小參效果統(tǒng)計

抽油機井調(diào)小參數(shù)后平均交變載荷下降12.65 kN，其中水驅(qū)單井平均下降6.25 kN；聚驅(qū)單井平均下降16.26 kN。

2.2 治理高載荷機采井

為解決因道路問題無法熱洗的高載荷及高回壓機采井，積極通過鋪設(shè)加長油管的方式完成對高回壓及高載荷機采井的治理工作（表9）。

表9 第五油礦2014年上半年鋪設(shè)加長油管熱洗效果統(tǒng)計

2014年上半年共計實施12 口井，其中高壓熱洗7 口井，平均交變載荷下降7.64 kN；沖干線5 口井，治理后平均回壓下降1.5 MPa。

2.3 集中治理蠟影響井

為解決熱洗不及時或熱洗效果差的井，第五油礦通過單井節(jié)點分析，找出高載荷運行原因，實施蠟影響井集中治理（表10）。

表10 第五油礦2014年上半年蠟影響井治理前后載荷變化統(tǒng)計

2014年上半年共計集中治理蠟影響井99 口，其中高壓熱洗50 口井；常規(guī)熱洗49 口井。治理后交變載荷平均下降5.6 kN。

3 節(jié)能效果

通過分析沖速與載荷的關(guān)系，同時結(jié)合交變載荷與慣性載荷的影響因素，總結(jié)出治理抽油機井蠟影響程度，可減少高負荷運行井。治理后，年均可減少高負荷運行井80 口，平均單井每天可節(jié)省耗電量10 kWh。經(jīng)此推算，年均可節(jié)省用電量29.2×104kWh。按照0.5 kWh/元計算，年均可節(jié)省用電費用14.6 萬元。年均可減少檢泵作業(yè)120 口井，年均可節(jié)省勞務(wù)費240 萬元。

4 結(jié)論

1）對于交變載荷在50 kN 以上及相當應(yīng)力在90 MPa 以上的抽油機井應(yīng)及時通過洗井或調(diào)小參數(shù)處理，以防因抽油桿疲勞生產(chǎn)造成的抽油機井桿斷。

2）在調(diào)整抽汲參數(shù)時，可調(diào)的井應(yīng)優(yōu)先調(diào)整沖程，沖程調(diào)至最大后再調(diào)整沖速，對于參數(shù)大、嚴重供液不足抽油機井及時調(diào)整參數(shù)，防止因參數(shù)過高降低抽油桿使用壽命而造成的抽油機井桿斷。

3）嚴格控制聚驅(qū)冷輸井回油壓力，防止因回油壓力高而增加井下抽油桿的拉力，增大抽油桿的疲勞程度。

4）對于見聚濃度高的采出井實施調(diào)小參數(shù)。

[1]丁建國,李學(xué)豐.抽汲參數(shù)調(diào)整對油井檢泵率的影響[J].油氣田地面工程,2003(8):9-11.