抽油機井降低懸點載荷技術(shù)評價與組合應用

王欣（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

大慶油田進入特高含水開采階段，隨著采油井數(shù)和產(chǎn)液量的逐年增加，機采總能耗呈上升趨勢，生產(chǎn)成本逐年增高[1]。2016年機采井總能耗45.47×108kWh，噸液耗電7.7 kWh。抽油機井桿柱主要采用?22 mm鋼制抽油桿，長垣油田抽油機井平均懸點載荷53 kN，桿柱重3 t，占懸點載荷的56%；外圍油田抽油機井平均懸點載荷45 kN，桿柱重3.9 t，占懸點載荷的82%，舉升能耗大。因此，合理降低抽油機井懸點載荷是實施降本增效的有效手段之一。

統(tǒng)計抽油機井檢泵原因分析，桿問題是影響檢泵的主要因素，占36.4%。一是桿管偏磨嚴重，占檢泵的21%，采取扶正器預防，活塞效應加劇，流動阻力加大，懸點載荷增加。二是鋼制抽油桿比重大，運行載荷大，以及疲勞極限等影響，桿斷脫概率增大，桿斷、桿脫檢泵分別占14%和1.4%，同時導致裝機功率大，能耗高；為此，減少抽油機井桿管摩擦阻力和降低桿柱載荷是重點攻關(guān)方向。

1 降低油井懸點載荷技術(shù)

1.1 抽油桿降載技術(shù)

抽油機井采油技術(shù)中，桿柱重占懸點載荷比例最大，因此引入輕質(zhì)抽油桿降低桿柱質(zhì)量是一項重要措施。近年來，逐步應用了鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿、玻璃鋼抽油桿和碳纖維復合材料抽油桿等。

1.1.1 鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿

鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿目前年使用量超過50×104m，其設計取消了連接件（接箍、絲扣、鍛造部分和鍛造加熱過渡區(qū)）。一是減少了抽油桿的失效頻率，其質(zhì)量比同樣長度的普通桿輕8%～10%；二是無活塞效應，減小流動阻力，降低斷脫概率；三是桿體沒有接箍，表面噴鍍了涂料，減少了結(jié)蠟并有效地克服了桿管偏磨。但鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿在現(xiàn)場應用過程中出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，采取分段切割報廢而造成浪費。

1.1.2 玻璃鋼連續(xù)抽油桿

玻璃鋼抽油桿密度為1.92 g/cm3，具有密度小、耐腐蝕、延伸率小、彈性大等特點[2]。統(tǒng)計大慶油田近年來應用效果，在降載荷、提泵效、延長檢泵周期、深井等方面取得了一些效果，但還存在抗壓、抗扭性能差，吸水溶脹腐蝕、耐溫性較差等問題。

1.1.3 碳纖維連續(xù)抽油桿

碳纖維連續(xù)柔性抽油桿采用高強碳纖維為桿芯、高耐磨纖維布為絕緣層和特制樹脂為基體的復合材料，經(jīng)改良拉擠成型工藝制作，其最大優(yōu)點在于質(zhì)輕、高強、高模、低密度、耐高溫、抗腐蝕等。

2000年以來，國內(nèi)針對碳纖維連續(xù)抽油桿開展了大量的試驗，泵掛深度從1200 m到3000 m，累計推廣應用100口井以上。碳纖維連續(xù)抽油桿有著較好的應用前景，但仍需進一步完善配套工藝，如彈性模量低，沖程損失大，合理匹配參數(shù)、桿比例以及打撈工藝等問題[3]。

1.2 抽油管降載技術(shù)

隨著油田開發(fā)進入特高含水開采階段，定向井和大斜度井比例逐漸增多，導致油井桿管偏磨問題日益突出，同時增大了桿柱載荷。近些年出現(xiàn)內(nèi)襯油管和內(nèi)表面帶有涂層的油管，從而避免管桿接觸、降低摩擦系數(shù)和減緩油管的腐蝕。

1.2.1 內(nèi)襯油管

HDPE/EXPE內(nèi)襯油管與N80油管相比（表1），其油管表面內(nèi)襯一層高密度聚乙烯新材料，內(nèi)襯層具有優(yōu)良彈性、柔韌性、耐磨性和耐腐蝕性。但內(nèi)襯油管受工作溫度和材料性質(zhì)影響，現(xiàn)場應用存在塑性變形問題；且內(nèi)襯油管內(nèi)徑降低7～8 mm，抽油桿接箍外徑與油管內(nèi)徑接近，導致活塞效應增大，上下行阻力增加。綜上原因，使內(nèi)襯油管的適用性受到限制。

表1 N80油管與HDPE/EXPE內(nèi)襯油管技術(shù)參數(shù)對比

1.2.2 涂層油管

涂層油管是指使用碳鋯復合樹脂涂料和酚醛改性環(huán)氧樹脂涂料等，以樹脂為基料，同時添加多種固體自潤滑材料、硬質(zhì)耐磨材料、助劑等復合而成的油管，具有良好的防腐蝕性和優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性。

通過往復磨損試驗，對比分析J55油管、N80油管、氮化油管和涂層油管的耐磨損性能。N80油管的平均摩擦系數(shù)為0.61，涂層油管的平均摩擦系數(shù)為0.15，較N80油管降低了75.41%[4]。四種不同表面材質(zhì)的油管經(jīng)4×105次往復對磨試驗，涂層油管的耐磨性能最好，是氮化油管的6.3倍，N80管材的29.3倍，J55管材的47倍。

1.3 抽油泵降載技術(shù)

1.3.1 低磨阻抽油泵

應用低磨阻泵可在保證泵效的前提下，增大柱塞與泵筒的間隙，縮短柱塞有效長度而降低磨阻[5]，進而降低交變載荷，改善管柱的受力情況。

統(tǒng)計大慶油田某區(qū)塊570口低磨阻泵井，最大載荷減小9.7 kN，最小載荷增加2.3 kN，泵效由53.6%提高到63.5%，系統(tǒng)效率由24.7%提高到31.2%。

1.3.2 側(cè)流式減載深抽泵

側(cè)流式減載深抽泵用側(cè)流閥取代了普通管式泵的游動閥，即用一個固定閥取代游動閥，并且開有一個側(cè)口，由于上、下柱塞存在面積差，始終存在一個向上的力，從而達到降低液柱載荷及懸點載荷的目的[6]。

在深抽井中動液面深度越大，泵徑越大，側(cè)流式減載泵減少的載荷就越大。當動液面深度為1500m左右時，使用38mm泵徑，可減小載荷約10kN。

1.4 配套工具降載技術(shù)

抽油桿減磨接箍是指在普通抽油桿接箍表面熔結(jié)高強度非金屬材料的連接件，該材料主要由高強度碳纖維及石墨等材料熔結(jié)而成，具有強度高、耐腐蝕和摩擦因數(shù)低的特點。油管減磨接箍是針對油管端部磕碰磨損問題，對油管接箍內(nèi)表面結(jié)構(gòu)進行了圓滑過渡設計，并對內(nèi)表面進行了硬化光潔處理。

2 油井減載技術(shù)組合設計

通過針對現(xiàn)有降載技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場應用效果分析及評價，在桿、管、泵和配套工具上，優(yōu)選出碳纖維連續(xù)桿、涂層油管、低磨阻泵和減磨接箍等技術(shù)；通過各自的性能、適應范圍和價格等因素，開發(fā)出三種組合配套的降載技術(shù)，此技術(shù)適用于目前不同油井的生產(chǎn)井況。

2.1 抽油機+常規(guī)桿+涂層油管+減磨接箍+低磨阻泵

統(tǒng)計某區(qū)塊1年之內(nèi)斷桿2次以上或連續(xù)每年桿斷的井有235口。針對其偏磨嚴重問題，將涂層油管下入偏磨井段，利用涂層油管內(nèi)表面超低的摩擦系數(shù)以及優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性，在降低自身磨損的前提下，減少接箍磨損；同時利用減磨接箍減少桿管磨損，并配套使用低磨阻泵進一步降低柱塞與泵筒間的摩擦阻力。該套減載技術(shù)組合設計與常規(guī)抽油機相比，桿管摩擦系數(shù)降低了42.8%，達到0.05，比普通油管的使用周期延長5倍以上。依靠減磨接箍、低磨阻泵和油管的自潤滑作用，使桿和接箍壽命延長2～3倍。

該套減載技術(shù)組合設計與常規(guī)抽油機相比，平均單井年減少檢泵1井次以上，節(jié)省作業(yè)費2萬元；按平均單井每次更換油管300 m計算，年節(jié)省材料費2.1萬；平均單井增油效益達3萬元/a，累計增效7.1萬/a，投資回收期小于或等于0.44年。

2.2 抽油機+碳纖維桿+普通油管+常規(guī)泵

在低滲透油田開發(fā)中，由于井深、產(chǎn)液量少，常規(guī)鋼質(zhì)抽油桿自重大占舉升力的60%以上，導致開發(fā)效益下降。利用碳纖維桿質(zhì)量輕的特點，以1500 m深的井為例，通過不同碳纖維桿比例桿柱計算（表2），設計全井桿柱重比全井鋼桿載荷減少40%～66%，懸點載荷下降9～17 kN。

表2 全井不同碳纖維桿比例桿柱統(tǒng)計

針對某油田實際生產(chǎn)情況，設計三種思路進行現(xiàn)場試驗。

降載：針對懸點載荷偏大的抽油機井，優(yōu)選90口水驅(qū)井載荷利用率超過80%，其中有27口井載荷利用率超過90%。以某油田1口井為例，下入70%比例的碳纖維連續(xù)抽油桿，直徑為19 mm，長度為1100 m；加重鋼桿直徑為28 mm，長度為400 m，沖程3 m，沖速4 min-1，泵掛深度1550 m，動液面高度為1080 m。統(tǒng)計27口井平均載荷利用率降低至68.5%。

提液：針對6型機配套?57 mm泵，因生產(chǎn)需要，采取換大泵40口井，平均泵掛深度1022 m。下入70%比例的碳纖維連續(xù)抽油桿，直徑為19 mm，長度為340 m，直徑為22 mm，長度為350 m；鋼桿直徑為25 mm，長度為310 m。經(jīng)效果統(tǒng)計，最大懸點載荷56 kN，實現(xiàn)了6型機帶動?70 mm泵，減少了換機型的成本。

深抽：針對深油層油井，可以下入低比例碳桿。試驗井井深2068 m，下入50%比例的碳纖維連續(xù)抽油桿，直徑為19 mm，長度為650 m,直徑為22 mm，長度為430 m；鋼桿直徑為22 mm，長度為700 m。最大懸點載荷67 kN，在不增加桿徑的前提下實現(xiàn)深抽。這對于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意義，有望解決深井、超深井和腐蝕井的開采難題。

以每口井下入1000 m碳纖維桿計算，共計8.5萬元，相比下入鋼桿，增加費用5.36萬元；其中效益最低的降載井消耗功率降低4 kW，全年節(jié)約電費2.1萬元；延長檢泵周期300天以上，節(jié)省費用2萬元/a,投資回收期小于或等于1.3年。

2.3 智能抽+柔性繩+碳纖維桿+加重桿+普通油管+超長沖程泵

某油田強堿三元復合驅(qū)結(jié)垢高峰期，針對頻繁垢卡井的狀況，應用智能提撈抽油機延長油井檢泵周期。進入后續(xù)水驅(qū)時，需要更換抽油機生產(chǎn)，裝機費用大，為此研制智能抽+超長沖程泵來適應三元全周期生產(chǎn)需要。但由于柔性繩耐磨性差且質(zhì)量大，導致生產(chǎn)周期短;而碳纖維桿耐磨性好、質(zhì)量輕，為此提出應用智能抽+柔性繩+碳纖維桿+加重桿+普通油管+超長沖程泵的組合設計思路。

?30 mm的柔性繩質(zhì)量為1.79 kg/m，而碳纖維桿質(zhì)量為0.586 kg/m，質(zhì)量減輕67.2%。根據(jù)智能抽+柔性繩的最佳工作載荷，設計桿柱自下而上依次為：?70mm柱塞+?42mm×1.5m加重桿（30m）+活接+安全接頭?22 mm抽油桿短接（1.5 m）+下部快速接頭+?19 mm碳纖維連續(xù)抽油桿（780 m）+上部快速接頭+密封腔連接頭+活接+?30 mm柔性抽油繩。計算桿柱載荷9.4 kN，較柔性繩載荷下降6.9 kN，下降42.5%。

按780 m碳纖維桿計算，共計6.63萬元，相比下入柔性繩，費用增加0.39萬元。消耗功率降低2 kW，全年節(jié)約電費1.05萬元，年增效益0.66萬元。

3 結(jié)論

1）目前在桿管和泵上的降載技術(shù)有很多種，各種技術(shù)都存在一定的適應性，可根據(jù)抽油機井的實際情況，優(yōu)選各類降載技術(shù)來滿足生產(chǎn)需要。

2）減載技術(shù)組合設計可進一步針對抽油機井生產(chǎn)過程中偏磨嚴重、載荷偏大、深井及三元復合驅(qū)結(jié)垢問題嚴重的井實施應用，應用效果顯著，有效地降低能耗，提高生產(chǎn)效率，延長檢泵周期。但各降載技術(shù)組合仍需要進一步的參數(shù)優(yōu)化和完善配套技術(shù)，給出合理的適用性分析，以滿足低油價形勢下油田開發(fā)的需求。