抽油桿偏磨斷裂受力分析與解決對策

王敏　金雙詩　蘇啟超

摘 要： 本文針對目前抽油桿斷的普遍現象，分析了抽油桿下行阻力造成彎曲的原因，找出了抽油桿下行過程中所受阻力。分析了抽油桿下行阻力對抽油桿穩定性的影響。結合目前井筒管柱結構，從理論上分析了管柱結構、井身結構造成油管彎曲原因及對抽油桿偏磨的影響。總結評價了抽油桿不同偏磨因素對生產周期的影響，建立了管柱優化、桿柱優化、參數優化、工藝轉向等防偏磨措施對偏磨井的治理思路。

關鍵詞： 抽油桿；斷裂；制約因素；對策

前 言

近年以來，抽油桿偏磨已經成為開發管理的深層次矛盾之一，成為制約油井正常生產的突出矛盾。因此，深入開展抽油桿偏磨斷裂原因分析研究，有效控制抽油桿偏磨，已成為工程技術管理人員需要解決的問題。抽油桿更新力度不足，因桿的問題導致油井躺井比例居高不下。抽油桿年更新率為13%左右。由于桿的質量較以前有所下降，加之歷史欠帳嚴重，近年來抽油桿報廢率呈逐年上升趨勢。根據多年來實際使用情況來看，抽油桿更新率應保持在20%以上，而目前實際年抽油桿更換率為13%左右，遠不能滿足需要，為維持油水井的正常生產，只能采取降低桿報廢標準、實行分級分類使用的辦法來延長桿的使用周期，但結果是因桿問題導致油井躺井比例居高不下。

1抽油桿偏磨斷裂受力分析

抽油桿下行時，抽油桿柱受的合力方向向下，對于下部抽油桿來說，同時也受方向向上的應力作用，包括慣性力、抽油桿柱所受摩擦力、襯套與柱塞間的摩擦力以及采出液經過游動凡爾的阻力等方向向上的作用力。

1.1 抽油機下沖程時，抽油桿柱在作變速運動，因而將產生抽油桿慣性力。

下沖程前半沖程時慣性力向上，其最大值為：

P慣=（（L桿×W×s×n2）/1790）×（1-r/l）

式中：P慣-下沖程最大抽油桿慣性力，N；L桿-抽油桿柱長度，m；W-抽油桿單位長度的重量，N/m；S-沖程，m；n-沖次， ；r-抽油機曲柄半徑，m；l-抽油機連桿半徑，m。由公式看出，泵掛越深，生產參數越大，特別是沖次越大，慣性力越大，對抽油桿穩定性的影響越大。

1.2由于抽油桿柱作變速運動和交變載荷的作用，引起的抽油桿彈性振動形成的阻力。

P振=（（E×f×Vmax）/a）×sin（（πn/30）×L桿/ E）

式中，E-鋼的彈性模量，2.06×1011 ； f-抽油桿直徑，mm；a-抽油桿中的聲速，5100m/s；V-抽油桿下行速度，Vmax=πsn/60。

在抽油桿材質一定的情況下，振動載荷主要與抽油井的沖程、沖次以及抽油桿的長度和直徑成函數關系。

1.3 摩擦阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，其最大值為：

P液摩=2πu L桿（（m3-1）/（（ m3+1）lnm-（m3-1）））Vmax. u=uo（1-fw）+uw fw；

Vmax=πsn/60

式中，u-井內液體粘度，mPa.s；對于原油和水等牛頓流體，可以采用加權法計算混合液的粘度；m-油管內徑與抽油桿直徑比（計算節箍摩擦力時為油管內徑與節古直徑比）。

摩擦力阻力的決定因素是抽油桿柱的運動速度和原油粘度。

1.4 抽油桿與油管的摩擦力P。抽油桿接近垂直狀態時，通常不超過抽油桿柱重量的1.5%。以上四種力主要與泵掛、生產參數有關，泵掛越深、沖程、沖次越大，慣性力、振動載荷等四種力越大，由于該四種力都為均勻分布在抽油桿柱的，因此計算中下部抽油桿與液柱的摩擦力時，取抽油桿柱的1/2，即1/2 L泵掛；該類力對中下部抽油桿的的影響相對較小，因此不做詳細介紹。

1.5 液體經過游動凡爾產生的阻力P。由于液流通過游動凡爾產生的壓頭損失將對柱塞產生的一定下行阻力P游阻：

P游阻=3/728μ2 ×F3（1+ f0/F）/f02×（（s×n）2）×pf

式中，F-柱塞截面積，m2；f0-游動凡爾座孔的斷面積，m2；f-抽油桿截面積，m2； pf-混合液密度，kg/ m3。由于井筒混合液中有油、氣、水三相介質，因此混合液密度不能簡單的加權平均，在此借鑒了經驗公式確定：當地面原油密度ρo≥0.91時，

pf=（3.2×ρo-2.17）（1-fw）+0.95×fw； 當地面原油密度ρo<0.91時，

pf=（0.8×ρo+0.01）（1-fw）+0.95×fw；μ-流量系數，由μ=f（Re）試驗曲線確定。

1.6 襯套與柱塞間的半干摩擦力P。目前普遍采用的Ⅱ級泵半徑上的間隙為0.04-0.065mm，在目前抽油井普遍含砂介質下，砂粒混雜在柱塞與襯套之間，會使半干摩擦力顯著增大。

1.7 柱塞下行因為“液擊”造成的沖擊載荷P。大泵采液強度過大或沉沒壓力過小，致使泵筒內井液充滿程度不夠而造成柱塞下行的“液擊”現象，對柱塞造成一定的沖擊載荷。Φ70mm泵一般沉沒度小于250米，在理論排量大于100m3/d出現液擊，液擊載荷為3-4kN。

2 抽油桿偏磨斷裂特點

高含水介質下，抽油桿偏磨斷裂顯著增加；泵掛越深，抽油桿偏磨斷裂比率增大；抽油泵泵徑增大，抽油桿偏磨斷裂比率上升；高含水、深泵掛環境下，抽油桿偏磨斷裂位置普遍上移。以往抽油桿偏磨斷裂的位置主要分布在泵掛深度2/3處，而目前已經上移至泵上30-70%處，并且已經出現全井偏磨的現象；抽油桿偏磨斷裂生產周期普遍較短。

3抽油桿偏磨斷裂治理對策

（1）合理設計管柱，預防坐封造成的偏磨。對坐封載荷超過65 kN的抽油井，原則上在管柱上使用油管錨、伸縮管防止坐封載荷超標造成油管彎曲；盡量采取打丟手簡化管柱或增大泵與封隔器的距離的措施，避免坐封對泵上油管的影響。（2）采用油管錨定，避免油管蠕動造成的偏磨。主要應用液壓油管錨定技術，避免油管蠕動彎曲。根據Ф62mm油管承受交變載荷20～24 kN的彎曲界限，應用Ф62mm油管Ф56mm泵泵掛超過1050米、Ф70mm泵超過800米以上必須錨定。（3）使用配套的防偏磨技術，延緩偏磨。對于斜井或已經采取了防偏磨措施但是仍然存在偏磨的井，使用新型抽油桿扶正器，以及配套使用抽油桿、抽油管旋轉井口裝置，定期進行旋轉，可以變單向點式磨損變為均勻周向磨損，有效延緩偏磨，延長生產周期。（4）優化生產參數，降低偏磨頻率。恢復地層壓力、上提泵掛，合理優化抽油井的生產參數，對控制偏磨桿斷井有著一定的作用。（5）對有偏磨現象的油井，作業過程中首先進行測井斜，根據井斜資料合理設計管柱結構。對偏磨較輕的，綜合采用扶正防偏技術；對管桿偏磨嚴重的，采取無桿采油工藝，包括水動力螺桿泵技術和電潛泵采油工藝，受水質不達標的影響，推廣電潛泵采油工藝，水動力螺桿泵主要用于偏磨、腐蝕均較嚴重的油井上。

參考文獻

1.朱海濱，劉鐵軍，王廣軍，高近顯. 文留油田抽油桿常見事故原因分析及防治措施[J]. 科技資訊. 2014（02）