油井管桿偏磨機理國內研究進展初探

王鑫

摘要：為了研究管桿偏磨機理，國內學者考慮了部分管桿偏磨的因素，建立了不同的力學模型，并用一些數值法、有限元法、能量法等進行模型求解。桿柱下部所受的力很大，導致管柱已經發生多次螺旋屈曲，多次屈曲的臨界載荷和偏磨點位置無法確定。抽油桿柱多次屈曲的屈曲規律、臨界載荷、屈曲變形后的形狀等情況尚沒有統一而完整的認識，因此，對于管桿偏磨機理需進一步的深究。

關鍵詞：管桿偏磨;發展歷程;防磨技術;

1.抽油桿偏磨機理國內研究進展

1990年國內的高德利、高國華、崔孝秉對井下管柱的力學屈曲問題進行過深入研究，但主要研究的是單純無重管柱的屈曲問題，而沒有考慮管柱共同作用下的力學屈曲運動配合問題。

1994年以來，高國華教授對管柱在井眼中的屈曲行為進行了較為系統的研究，建立了正弦和螺旋屈曲的數學力學模型，通過對微元體的受力分析，由靜力平衡方程、變形幾何方程和物理方程導出了管柱在彎曲井眼中的三維屈曲方程，這是一個四階的非線性微分方程，該方程有三種不同形式的解，分別對應于管柱的穩定狀態、正弦屈曲狀態和螺旋屈曲狀態。

1998年焦永樹、張永宏、張眾等分別研究了流體流動、接觸壓力、振動對管柱屈曲行為的影響，但沒有考慮抽油桿的屈曲問題。

2005年，楊海濱進行了抽油桿柱的三維受力變形分析，從而進行偏磨點的預測。該模型綜合了抽油桿柱受到的各種力，綜合運用了動量定理和動量矩定理，是一種動態模型，在最大支反力的基礎上進行偏磨預測。

2006年，高德利綜合考慮了桿柱的結構和材料的性能、載荷特征及井眼約束條件等諸多因素的影響，建立了桿柱屈曲微分控制方程，采用能量變分法進行求解，得到了受不同井眼約束條件下桿柱的正弦和螺旋屈曲模型，給出了在壓扭組合作用下桿柱屈曲的臨界載荷及桿柱軸向變形與載荷之間的關系，并且分析了桿柱自重對后屈曲行為的影響，同時還對桿管接觸力進行了分析。

2010年，王文昌等人結合定向井井眼軌跡的三維空間特征和超細長桿柱在井眼中的雙重非線性（接觸非線性和幾何非線性）特征，同時考慮Ray-leigh阻尼及液體摩擦影響，建立了抽油桿柱三維動態有限元方程。

2011年，王一平依據微元分析理論，對運動狀態下的抽油桿柱進行了受力分析，建立了描述抽油桿柱在定向井中受力狀態的三維力學模型，模型釆用波動方程的形式，考慮了井眼軌跡、桿柱組合、抽油泵以及流體的影響，通過有限差分法進行求解。

2012年，劉巨保等人針對機械采油工程中桿管偏磨問題，考慮直井內受壓油管屈曲變形與套管、抽油桿的雙層接觸，以及油管和抽油桿的變截面結構和環空間隙，采用有限元結構穩定性分析方法對受壓油管進行失穩計算。

2013年，陳迎春等人對管柱屈曲的研究方法進行了概述和對比，并對管柱屈曲研究的未來走向做了探討，井筒形狀、接頭、扭矩、摩擦、旋轉、螺旋逆轉、封隔器等因素對管柱屈曲均有影響。

2014年，張昌美等人運用最小勢能原理導出定向井造斜段下凹管柱屈曲載荷計算公式。定向井造斜段下凹管柱屈曲臨界載荷隨井眼曲率半徑的增大呈指數遞減趨勢，隨平均井斜角的增大而指數遞增，管柱壁厚的增加會提高管柱抵抗屈曲變形的能力，但這種影響會隨井眼曲率半徑、油套管徑向間隙的增大而減小。

2015年，黃文君、高德利等人針對無重管柱（忽略管柱重力的影響）螺旋屈曲問題，從虛功原理出發，將管柱邊界條件分成2大類。指出前人的研究大多集中于第一類邊界條件，而忽略了第二類邊界條件。提出塞子模型模擬管柱的端部約束條件，并推導出管柱變形的廣義勢能泛函。

2016年，勞立明、趙玉剛等人精確估計抽油桿波動方程中的粘性阻尼系數，提出基于等摩擦功原理的等效粘性阻尼系數計算方法。該方法通過建立管桿同心環空牛頓流體層流的運動方程，結合抽油桿上、下沖程的邊界條件，求解了上、下沖程不同的環空流場分布及對應的粘性能耗。

2017年林偉、董宗正根據數值仿真原理及修井管柱受力特性，建立了管柱有限元模型，對影響水平井管柱屈曲臨界載荷的摩擦因數和環空間隙等因素進行了分析。研究結果表明：摩擦因數越大其正弦和螺旋屈曲臨界載荷都隨著增大，且螺旋屈曲臨界載荷對摩擦因數更敏感;環空間隙變大，會導致管柱的屈曲載荷減小，且當環空間隙大于35 mm時，管柱的螺旋屈曲臨界載荷小于正弦屈曲臨界載荷。

2 抽油桿防偏磨技術國內研究進展

國內外學者設計了各種類型扶正器及其他防磨工具，雖然桿與管隔離，但排液過流面積較小，液流阻力的增大，增加了桿柱的下行阻力，將這種防磨類型歸類為均勻磨損類，下面是一些常用的防磨工具：①鋼質滾輪式防偏磨扶正器，滾輪軸易磨壞，造成卡桿的事故;②鋼質滾珠式防偏磨扶正器，滾珠槽易被磨掉，使滾珠散落，扶正器失效，同時也可能造成卡抽油桿、卡泵事故;③尼龍扶正器，被磨薄后抗擠強度變差，易被擠碎，而且在偏磨井段長的情況下增加了許多連接部位，扶正間距過大，增加了抽油桿的斷脫幾率;

國內外學者通過研究桿柱的正弦屈曲和螺旋屈曲規律，提出了一些減緩管桿變形的技術，將這種防磨類型歸類為減小桿柱屈曲類，下面是一些常用的技術：①加重抽油桿，增加了抽油桿柱重量，增加了上行載荷，中和點下移，上下沖程中始終處于受拉狀態，減緩油桿的螺旋屈曲，可以改善桿柱受力狀況，但只適用于偏磨不嚴重的油井，但目前對加重桿的選用長度尚不能準確把握;②低磨阻采油工藝技術，該技術的主要特點是在高含水的產出液環境下，在桿管之間制造一個充滿原油、減緩偏磨的小環境。轉換泵在中和點略靠上位置，較輕的原油逐漸在抽油泵以上、轉換泵以下的腔內聚集，使桿柱中和點下的桿管之間充滿原油。改善了潤滑條件，增加了桿柱抗失穩的能力，明顯減緩桿管的偏磨腐蝕;

3 小結

隨著我國大部分油田逐漸進入中、后期開采階段，桿管偏磨問題日益突出，因此，國內科研工作者對防偏磨技術作了大量的研究工作，各種各樣的防偏磨技術應運而生，這些防偏磨技術可以分為減小桿柱屈曲變形類、降低摩擦系數類、均勻磨損類、抗磨類及其它方法。

參考文獻：

[1] 王文昌 三維定向井抽油桿柱力學特性有限元分析新方法[J].石油學報，2010（06）