抽油機井桿管偏磨原因及治理措施探討

王羕（大慶油田采油工程研究院）

抽油機采油作為一種傳統、技術成熟、適用范圍廣的采油技術，占據著原油開采領域絕對性的領導地位。然而，桿管偏磨現象時常發生，甚至造成桿管斷脫、漏失，縮短采出井免修期，增加維護費用[1-2]。隨油田開發程度的增加，尤其在油田開發中后期，桿管偏磨現象愈發明顯，因桿管偏磨造成的檢泵作業數量逐年增加，占維護成本半數以上[3]，已成為增加檢泵率、降低免修期的主要因素，是各大油田中后期開發的主要限制性因素之一[4-7]。

大慶、遼河、勝利等各大油田均投入大量資源以解決桿管偏磨的困境，但因各油田所屬區塊采出井井況的差異性及開發程度的不同，造成各自結論的局限性不一而足。為解決這一問題，文中對桿管偏磨的原理進行了細致分析，并提出相應的解決方案，為防偏磨措施的進一步研究奠定了基礎。

1 桿管偏磨原因

1.1 井身結構

我國各大油田在采出井生產過程中，除了優先選用垂直井外，還會不可避免的選用斜井，以確保原油產量及開采合理化，圖1即是抽油桿在自然井斜內的示意圖。因油管與垂直方向保持了一定角度，在抽油桿自身重力的作用下，沿抽油桿的徑向方向對油管內壁產生壓力。因壓力的存在，導致抽油桿接箍始終同油管內壁相接觸，在抽油桿往復運動運動的過程中，該接觸面的磨損程度會逐漸增大，一方面使抽油桿接箍外表面磨損直至斷裂失效，另一方面使油管內壁造成磨損直至穿孔失效[8-9]。除自然井斜外，還有部分采出井是由于地層運動使套管變形，進而擠壓油管，使油管在垂直方向上發生一定程度的偏移，造成桿管偏磨[10-11]，套損井桿管偏磨泵示意圖見圖2。

圖1 自然井斜內示意圖

1.2 抽油桿運動規律

圖2 套損井桿管偏磨示意圖

在抽油桿做往復運動引起桿管偏磨的過程中，“失穩”為主要因素[12]。當抽油桿進行下沖程運動時，在中和點上部的抽油桿重量由懸點承受，主要受拉力作用，抽油桿無彎曲變形；中和點之下的抽油桿因自身重力小于慣性力，當抽油桿整體做下沖程運動時，中和點下部抽油桿繼續向上運動，造成抽油桿彎曲，形成“失穩”現像[13]，圖3 為抽油桿下沖程運動時“失穩”示意圖。抽油桿在不斷彎曲、恢復的過程中，改變了抽油桿的振動頻率，使抽油桿易發生共振，加大了抽油桿的變形概率。“失穩-共振”相互促進，致使桿管偏磨的進一步加劇。“失穩”引發的偏磨為抽油機井的主要偏磨形式，亦是各油田的重點研究對象。

圖3 抽油桿“失穩”示意圖

1.3 泵徑

不同泵徑的抽油泵在油管內所占據的空間是不一樣的，小泵徑的抽油泵柱塞底端截面積較小，受環空液柱所產生的壓力也較小，在運動過程中，抽油桿下端的柱塞與泵筒摩擦阻力小，中和點相比大泵徑的抽油泵要更低，抽油桿振動小，發生“失穩”偏磨的概率遠低于大抽油泵[14]。圖4 為某油田不同區塊下不同泵徑偏磨率曲線圖。抽油泵柱塞與泵筒摩擦阻力隨抽油泵直徑的增加而增大，令抽油桿中和點的位置向井口方向上移，增加了中和點距抽油桿底端的長度，使該部分易于彎曲，造成桿管偏磨概率的增加。

圖4 某油田不同區塊下不同泵徑偏磨率曲線圖

1.4 泵掛深度

圖5 為某油田不同區塊泵掛深度與偏磨率曲線圖，從圖中可看出偏磨率隨泵掛深度的增加呈現出明顯的上升趨勢。泵掛深度增加后，井身結構對采出井的影響愈發突出，井斜、地層運動等因素會增加套損及抽油桿、油管間相互摩擦的可能性，提升桿管偏磨的概率。此外，抽油桿的下行阻力會隨泵掛深度的增加而增大，使抽油桿在下沖程運動中和點上移、振動加大、穩定性變差，加劇了“失穩”現象的發生概率[15]。

圖5 不同區塊泵掛深度與偏磨率曲線圖

1.5 其他因素

除井身結構、抽油桿運動、抽油泵泵徑及泵掛深度4個因素外，抽油泵工作時性能的穩定性、采出井結蠟程度及井液含聚濃度也是影響桿管偏磨的重要因素。當抽油泵的工作性能（泵效）頻繁變化時，其充滿系數隨泵效發生劇烈變化，抽油桿受力情況隨之發生頻繁變化，導致“失穩”引起偏磨。抽油桿在結蠟嚴重的采出井內做往復運動時，會產生距離的抖動，引起桿管接觸，產生偏磨。采出井含聚濃度增加時，其井液黏度也隨之增加，使受力中和點不斷向井口方向移動，增大“失穩”概率。

2 治理措施

國內外研究人員除研制無桿舉升方式以達到防偏磨的目的外，主要從有桿泵采油配套技術與桿管表面強化技術的角度進行攻關。配套技術以扶正、旋轉、加重原理為主，以達到防偏磨目的；桿管表面強化技術以增強桿管接觸面的光滑度、抗磨強度為主要手段，實現桿管抗摩擦的功能。

2.1 扶正技術

在抽油桿上加裝扶正器避免桿管接觸為常用的扶正手段[16]。經過試驗證明，接箍式扶正器（圖6）具有良好的扶正效果，避免了扭卡式扶正器（圖7）存在的竄位、刮落現象。接箍式扶正器可避免桿管的直接接觸，延長桿管的工作壽命。但其徑向尺寸大于抽油桿，在井液流經接箍式扶正器時會降低井液的過流面積，造成流動阻力上升，使抽油桿的下沖程阻力增加，故在大排量抽油機井應用過程中效果一般。

圖6 接箍式扶正器

圖7 扭卡式扶正器

2.2 旋轉技術

旋轉防偏磨技術主要利用抽油桿上下往復運動時所產生的動能，并利用特殊的裝置將其轉換為抽油桿或油管的旋轉能量，使抽油桿或油管在控制范圍內進行轉動（抽油桿每日旋轉3～5圈，油管每日旋轉4°～6°），使桿管由單側摩擦變為圓周摩擦，避免桿管的局部磨損過多，造成抽油桿斷脫或油管磨漏[17]，圖8、圖9分別為抽油桿旋轉裝置和油管旋轉裝置的現場應用實物。該技術曾在遼河油田曙光采油廠取得良好應用效果，適用于泵掛深度大、沉沒度低的采出井[18]。

圖8 抽油桿旋轉裝置應用實物圖

圖9 油管旋轉裝置現場應用實物圖

2.3 加重技術

抽油桿加重技術以解決抽油桿下沖程運動時中和點下部所產生的彎曲現象為著力點，通過合理匹配加重塊或加重桿[19]，使抽油桿的重量增加，讓抽油桿在下沖程運動時自身重力大于向上的阻力，中和點下移，使其處于拉伸狀態，減少抽油桿的變形彎曲長度，降低“失穩”發生頻率，減少桿管偏磨[20]。圖10、圖11分別為加重桿示意圖、實物圖。

圖10 加重桿示意圖

圖11 加重桿實物圖

2.4 表面強化技術

桿管表面強化是在桿管表面增加抗磨圖層。以抽油桿雙向保護接箍（圖12）和超高分子內襯油管（圖13）為主[21]。表面涂層不僅增加二者的抗磨損能力，同時令桿管的摩擦系數大幅減少。雙向保護接箍的使用壽命是普通接箍的20 倍以上，在大港油田、中原油田的應用中均取得良好效果[22]。內襯油管技術隨著超高分子聚乙烯材料的逐漸成熟，越來越受到各油田的青睞，內襯油管可有效降低桿管接觸時的摩擦系數，對桿管起到良好的雙向保護作用，在遼河油田應用過程中取得良好效果[23]。

圖12 抽油桿雙向保護接箍

圖13 超高分子內襯油管

2.5 生產參數調節

通過生產參數調節防偏磨，主要是通過抽油機沖程、沖速的合理匹配以達到優化生產的目的，多應用于低產井。其前提是保證采出井產液量，在該基礎上可以降低抽油桿的沖程，以減小井液對抽油泵的阻力，使中和點下移，以減少抽油桿受壓部分的長度；減少沖速，抽油桿下沖程運動頻率降低，減少抽油桿發生共振及桿管接觸頻率，可優先考慮間抽技術。

3 組合式防偏磨措施

采出井運轉的現場情況一般較為復雜，只應用一種防偏磨措施，往往不能達到理想的應用效果。根據采出井的生產數據及井況，正確組合、匹配治理措施，有助于提高防偏磨效果，延長免修期。為試驗組合式防偏磨措施的應用效果，在東北某大型油田部分采油廠進行現場試驗，分別測試不同組合式防偏磨措施對低產偏磨井和高產偏磨井的應用效果。

3.1 加重桿+接箍扶正器

對于偏磨嚴重的外圍低產采出井可采用加重桿與接箍扶正器組合措施。表1為某油田加重桿、接箍扶正器組合應用前后免修對比，應用組合式防偏磨措施后，7 口偏磨井的免修期均得到有效延長，平均免修期增加近200 天，防偏磨措施應用效果良好。

表1 某油田加重桿、接箍扶正器組合應用前后免修期對比

3.2 加重桿+雙向保護接箍

不適用于扶正器的高產偏磨井，可選用加重桿、雙向保護接箍的組合結構，以避免井液在運動中造成過流面積減少的現象發生。該組合可增加桿管表面光滑程度，降低其摩擦系數，達到理想的應用效果，某油田加重桿、雙向保護接箍組合前后免修期對比見表2，單井最長免修周期延長近400 天（L 井）。

表2 某油田加重桿、雙向保護接箍組合應用前后免修期對比

組合式防偏磨措施對低產偏磨井、高產偏磨井均具有良好的防偏磨效果，有效延長偏磨井的免修期，二者平均免修周期由285 天延長至516 天延長了231天，每三年因桿管偏磨所引起的檢泵作業由4 次降低至2 次，桿管偏磨檢泵率降低50%，組合式防偏磨措施應用效果顯著。

該大型油田2016—2018 年抽油機井平均檢泵超12 000 井次/a，而桿管偏磨所引起的檢泵作業占抽油機井總檢泵數量20%以上，即抽油機井桿管偏磨作業的檢泵數量超2 400井次/a。應用組合式防偏磨措施，桿管偏磨檢泵率可降低近50%，減少檢泵作業1 200 井次/a，降低檢泵費用4 800 萬元/a（抽油機井檢泵作業費用4 萬元/次）；該油田抽油機井平均產液量為26.18 t/d，平均含水率為96.4%，平均產油量為0.942 t/d，而檢泵至恢復生產的平均周期為4天/井次，則每年因檢泵作業減少而降低的原油產能損耗可達4 521.6 t，減少原油產能的經濟損失為1 164.493萬元/a。應用組合式防偏磨措施，可為該大型油田減少經費損失5 964.493萬元/a，具有巨大的潛在經濟效益。

4 結束語

抽油機井桿管偏磨的影響因素主要有井身結構、抽油桿運動規律、抽油泵泵徑、泵掛深度。除在井斜狀態下造成桿管磨損外，抽油桿做下沖程運動時“失穩”變形也是桿管偏磨的主要因素，抽油泵泵徑增加、泵掛加深都將加大偏磨現象的發生概率。應用防偏磨裝置可有效治理桿管偏磨，但各措施在具體應用時，還需根據現場實際條件進行合理選擇，組合式防偏磨措施在現場試驗中取得了良好的應用效果，可對其進一步推廣應用，并結果生產參數調節的方式，以發揮組合式防偏磨措施的優點，實現油田穩產增長、節能降耗的生產目的。