油井管桿偏磨機(jī)理國(guó)外研究進(jìn)展初探

王鑫

摘要：桿管偏磨機(jī)理的研究大多還只是簡(jiǎn)單地、定性地描述了產(chǎn)生桿管偏磨的原因，而具體到實(shí)際某一口井產(chǎn)生了桿管偏磨，卻不能定量地描述各種偏磨原因?qū)υ摼畻U管偏磨的影響程度，而且不能準(zhǔn)確表達(dá)各因素對(duì)偏磨的影響規(guī)律和各因素間的相關(guān)關(guān)系，因此很有必要對(duì)管桿偏磨的機(jī)理及技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：管桿偏磨;發(fā)展歷程;防磨技術(shù);

1.抽油桿偏磨機(jī)理國(guó)外研究進(jìn)展

1950年，Lubinski首先研究了鉆柱在垂直井眼中的平面（正弦）屈曲，并根據(jù)鉆柱的受力和變形分析，導(dǎo)出了鉆柱的屈曲方程，同時(shí)給出了方程的級(jí)數(shù)解，并利用邊界條件推導(dǎo)出了該方程的臨界屈曲載荷，他在鉆柱平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)鉆柱兩端的平衡條件，確定了鉆柱的一次、二次及更高次的臨界鉆壓。此外，Lubinski還給出了鉆柱在井眼中的屈曲形狀，切點(diǎn)位置的確定方法，屈曲后鉆柱的變形，彎矩的變化以及彎曲應(yīng)力等。

1953年，Lubinski和Woods對(duì)管柱在斜直井中的屈曲進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了管柱在井眼中的螺旋屈曲現(xiàn)象以及井斜角對(duì)管柱臨界屈曲載荷有較大影響。他們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到了管柱在斜直井發(fā)生螺旋屈曲臨界載荷的計(jì)算式。

1964年，Paslay、Bogy引等利用能量法對(duì)管柱在斜直圓井中的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，導(dǎo)出了管柱在斜直井眼中發(fā)生正旋屈曲的臨界載荷計(jì)算公式，他們指出，由于軸向壓力隨著油井深度增加而增大，桿柱壓力失穩(wěn)后的振幅也隨著桿的深度增加而增加，而振蕩周期則隨著桿的深度增加而減小。

1994年，Suryanarayana對(duì)摩擦影響受橫向限制的屈曲和后屈曲行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由管柱在定向井和水平井中的數(shù)字信號(hào)的分析表明，摩擦極大地延遲了屈曲的開(kāi)始，對(duì)后屈曲行為也引起了顯著的滯后現(xiàn)象，與此對(duì)應(yīng)，卸載力往往小于加載力，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上對(duì)已有理論進(jìn)行了重新修正，并對(duì)實(shí)際操作和油田應(yīng)用的限制進(jìn)行了討論。

2000年，Xu Jun 綜合考慮受拉桿柱偏磨、液體粘性阻力、井眼軌跡的綜合性抽油桿以及油管管柱的動(dòng)力學(xué)模型，提出了針對(duì)斜井井眼軌跡的管柱三維準(zhǔn)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，該方法主要考慮了三維彎曲井眼導(dǎo)致的桿柱屈曲及沖次較低排采方式下的抽油桿系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性，這對(duì)于解決桿柱載荷計(jì)算、位移及應(yīng)力分析等有良好的近似。

2006年Hernando Ariza在位于哥倫比亞的托利瑪油田的開(kāi)發(fā)出S型斜井，采用由傳統(tǒng)抽油桿驅(qū)動(dòng)的氣泵（PCP）系統(tǒng)完井?？紤]到抽油桿故障與井身結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制度有關(guān)，提出了連續(xù)的抽油桿，實(shí)現(xiàn)減少了抽油桿失效引起的經(jīng)濟(jì)損失。

2010年，F(xiàn)rancisco Diaz Telli考慮到現(xiàn)場(chǎng)操作條件的局限性，對(duì)抽油桿不同部位的應(yīng)力分析和故障統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)最弱的點(diǎn)位于耦合連接處，因而，開(kāi)發(fā)出一種新型的連接桿，它在減少連接疲勞方面表現(xiàn)出非常積極的效果。新設(shè)計(jì)中涉及的要點(diǎn)如下：由于桿之間存在間隙，可放松連接的趨勢(shì)。這一間隙允許當(dāng)桿經(jīng)受壓縮或沖擊時(shí)，耦合螺紋之間的運(yùn)動(dòng)。

2014年，Mihaly Gajda研究了抽油桿是重量沿它的長(zhǎng)度分布，任何一節(jié)都至少要承載它下面的所有桿的重量。表明，理想的形狀是一個(gè)倒錐，從上到下不斷地逐漸變細(xì)。由于這樣的桿柱是不可能制造出來(lái)的，所以要通過(guò)設(shè)計(jì)錐形的桿體來(lái)達(dá)到理想的形狀，在表面上增加直徑的部分。對(duì)于淺井，可使用統(tǒng)一直徑的桿柱，但更深的井不可避免地需要使用錐形的桿體，防止抽油桿偏磨或者斷脫等故障。

2016年Victoria Mallory Pons提出改進(jìn)的 Everitt-Jennings算法利用有限差分來(lái)求解波動(dòng)方程。傳統(tǒng)上，應(yīng)力只在每個(gè)錐度的頂部計(jì)算。然而，當(dāng)應(yīng)力失效發(fā)生時(shí)，它們發(fā)生在高摩擦力和應(yīng)力區(qū)域，這些區(qū)域可能不一定靠近錐度的頂部，因此無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算來(lái)檢測(cè)。使用有限差分的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠從桿中選擇有限差分節(jié)點(diǎn)，可以在桿串的任意點(diǎn)位置計(jì)算應(yīng)力。

2017年，Gabor Takacs and Mihaly Gajda通過(guò)阻尼波動(dòng)方程預(yù)測(cè)載荷和應(yīng)力的計(jì)算方法。通過(guò)使用預(yù)測(cè)分析程序，計(jì)算桿應(yīng)力（繪制在修正的古德曼圖上），提供了不同桿柱設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，提出了在一維波動(dòng)方程的解中得到的增強(qiáng)的桿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，與以往的設(shè)計(jì)相比，其對(duì)疲勞失效的安全性要高得多。

2 抽油桿防偏磨技術(shù)國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)結(jié)合桿柱所處井筒環(huán)境及產(chǎn)出液的性質(zhì)，提出了一些減緩桿管磨損速度減的技術(shù)，將這種防磨類(lèi)型歸類(lèi)為降低摩擦系數(shù)類(lèi)，下面是一些常用的技術(shù)。

2.1固體潤(rùn)滑技術(shù)

采用渡、噴涂等方法將固體潤(rùn)滑劑粘著在摩擦表面上形成固體潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑膜既可防止對(duì)偶材料表面直接接觸，又可減少接觸薄層的剪切強(qiáng)度，對(duì)于減小摩擦系數(shù)有顯著效果。

2.2HDPE內(nèi)襯油管

內(nèi)襯管壁厚3.5-4.5mm，造成油管內(nèi)孔縮徑較大，造成抽油桿接箍與油管之間間隙小，造成抽油桿柱下行阻力大，從而造成了抽油桿的早期疲勞斷裂.

2.3防腐材料涂層

通過(guò)在油管和抽油桿上涂敷一層高分子復(fù)合材料，形成一層保護(hù)層保護(hù)抽油桿。這種復(fù)合高分子材料層與油管內(nèi)壁粘附力強(qiáng)，具有等同于常規(guī)油管的抗彎抗沖擊能力，但這類(lèi)涂層材料成本較高，制約著該技術(shù)在油田廣泛使用。

3 小結(jié)

國(guó)外在抽油機(jī)井偏磨方面的研究開(kāi)展的比較早，50年代美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家的石油公司就開(kāi)始進(jìn)行基礎(chǔ)研究，發(fā)展新材料，開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品上都做了很多創(chuàng)造性的工作。抽油桿導(dǎo)向器，減小抽油桿在油管內(nèi)上下移動(dòng)期間產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易損壞，維修成本高。COROD公司開(kāi)發(fā)的空心桿采油技術(shù)，可減輕偏磨、有效提高泵效、簡(jiǎn)化作業(yè)工序和節(jié)省作業(yè)費(fèi)用，與普通抽油桿相比，中間沒(méi)有接箍，全長(zhǎng)只有兩個(gè)接頭，大大減少了由于接頭松動(dòng)、接頭腐蝕、磨損等導(dǎo)致的檢泵作業(yè)。與普通抽油桿相比，較大直徑的連續(xù)抽油桿可下入較小的油管內(nèi)，因而桿柱應(yīng)力減小。各種防偏磨技術(shù)雖然在一定程度上延長(zhǎng)了油井的免修期，但也給油田生產(chǎn)帶來(lái)了新的問(wèn)題。因此，有必要對(duì)防偏磨技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，找出能從根本上解決油井偏磨問(wèn)題的對(duì)策。

參考文獻(xiàn)：

[1] 狄勤豐.定向井抽油桿柱空間形態(tài)的計(jì)算方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.