抽油井維修作業完井精細化管理創新與實踐

張軍 方詩杰 姚曉亮 陳其亮 陳剛（新疆油田分公司陸梁油田作業區）

抽油機井因其結構簡單、故障率低、管理方便等優勢占總機采井數的85%以上[1]。抽油井井下作業工序完成后需要地面憋壓試泵、防沖距計算配備、抽油機懸掛負荷、井口流程檢查等一系列環節方能開井生產。整個過程需要采油生產單位、井下作業隊伍和抽油機維保隊伍互相銜接配合，各家施工隊伍所采用的作業標準沒有一個統一且貫穿始終的操作規范，導致了上述問題的普遍發生，影響了抽油井維修作業完井質量。以陸梁油田某井區為例，每年抽油井井下作業350口左右，原有的管理模式不能適應新形勢的需求，亟待形成一套適合于抽油井完井作業精細管理的新模式。

1 技術背景

1.1 維修完井作業流程不明確

以“抽油井光桿對中”環節為例：一般是修井隊下入管、桿，座封井口、探泵后，由采油隊現場監督抽油機維護保養單位進行光桿對中操作。修井隊下入管、桿，座封井口后應先進行井口法蘭水平度與采油樹垂直度檢測，只有保證井口的水平度與垂直度，抽油井光桿對中的基準才能確定，否則，所有工作都是徒勞，甚至出現抽油機底座頂出水泥基礎之外，而光桿與井口的對中度無法調正的現象，這種現象就是工序上出現的一個嚴重問題，對維修井的完井質量和開井時率影響較大。

再以“抽油井掛抽”環節為例：先是由修井隊探泵試抽，探泵確定光桿預留位置，再根據抽油機懸繩器與光桿密封器位置上提光桿，保留光桿在井口密封器上平面以上長度1.2～1.5 m之間[2]，打緊光桿卡瓦。由于抽油機維保單位與修井隊之間的測量基準存在偏差，導致調配的抽油井防沖距產生較大的誤差而影響泵效，甚至出現碰泵造成抽油桿頻繁卸載、加載，過早疲勞斷裂。

1.2 防沖距長期依賴經驗

抽油桿在工作過程中，由于受自重、油管內液柱載荷和慣性載荷的作用，會產生一定長度的伸縮。為了防止深井泵的柱塞在下行時碰撞固定凡爾罩，而把抽油桿適當上提一段距離，這段距離就叫防沖距[3]。由于存在沖程損失和無效沖程，使得柱塞沖程總是小于光桿沖程[4]。抽油井作業完井試抽前需要調配防沖距，生產過程中出現井口下碰上掛現象以及碰泵操作后也需要重新調整防沖距，抽油機沖程調整后也要相應地調整防沖距。

在一定的沖程條件下，油氣比一定，防沖距越小，抽油泵的余隙體積越小，泵筒的充滿系數越大，泵效越高。因此合理的防沖距是提高泵效的有效途徑之一[5-6]。在生產實踐中，一般是先下放桿柱，然后根據經驗上提，以不碰泵為準則。該方法不夠精確，隨著泵掛深度及桿柱組合的變化其局限性也愈加明顯。

根據泵的下入深度，防沖距應控制在0.5～1m的范圍內，做到上不刮、下不碰。在生產現場，按每100 m泵掛深度上提85～100 mm，?56 mm泵徑以下可按85 mm/100 m，?70 mm、?83 mm泵徑可按100 mm/100 m高度計（帶脫卡器的井除外），以不碰固定閥為原則。在新疆油田《機械采油技術培訓教材》中規定：安裝光桿并按每100 m泵掛深度調防沖距50～100 mm的原則，調好防沖距。但要注意，在保證柱塞不撞擊固定閥的前提下，防沖距越小越好。

抽油泵防沖距的設計及調整主要根據泵掛深度取經驗值，現場以不碰泵為準則。各油田長期以來延用相對固定的防沖距經驗值，以某井區為例，井下作業設計提供的防沖距參考值一般為400～600 mm，基本不考慮泵徑、下泵深度、桿柱組合以及沖程、沖次等因素。

1.3 實施機采系統效率需優化

陸梁油田已進入高含水開發階段，受制于目前抽油機最小沖次（4次/min）的限制，部分抽油井抽汲參數不能滿足生產需求。沖次過大，加劇了低泵效程度，容易造成動液面低于泵吸入口，隨即發生液擊，導致抽油桿失穩彎曲，桿管偏磨嚴重。開發初期配備的抽油機及電動機，為克服抽油機啟動時的慣性和正常運行中產生的高負荷峰值，通常配置過大，存在“大馬拉小車”現象，系統效率低[7]。

2020年4月，通過示功圖排查，陸梁油田某井區抽油井開井346口，存在碰泵現象的抽油井有76口，占比達22%。作業區優化機采系統效率采取換大泵等措施生產的井，下泵深度由原來的1 800 m提升至1 400～1 600 m，抽油泵也由?44 mm～?57 mm管式泵替代原來的?32 mm～?38 mm管式泵。現場繼續延用經驗配備防沖距，示功圖顯示有明顯的碰泵現象，后將防沖距調整至800～1 100 mm，示功圖顯示碰泵現象消失。此類井調整防沖距前在井口通過摸、聽等方法均未發現明顯碰泵現象，個別井在懸繩器運行至接近下死點過程中有輕微的擺動（瞬間卸載現象），但較難判斷。這是由于抽油桿、油管因抽油桿自重和液柱載荷的影響產生彈性變形，上下死點換向時抽油桿產生彎曲造成的。

1.4 防沖距管理存在漏洞

在生產過程中，巡檢人員發現井口碰掛現象，一般會及時上報基層單位調整防沖距。一些井由于防沖距較小，正常生產時不會碰泵，但在熱洗井筒后，由于熱洗液采用水洗方式，井筒液柱比重增加，受桿管彈性變形增大及熱脹因素的影響也會產生短時間的碰泵現象，井筒內的熱洗液被地層的氣液頂替后，碰泵消失，示功圖顯示正常。

根據抽油井生產工況，需要經常性地調整地面參數。例如調整沖程，抽油機沖程調整后也要相應地調整防沖距。根據抽油機運行原理，曲柄圓周運動帶動連桿、游梁、驢頭、懸繩器、光桿、抽油桿（泵）上下往復直線運動。調整沖程也就是調整曲柄圓周運動的半徑，所以沖程由小調大，曲柄圓周運動半徑增大，抽油泵的柱塞運行距離也會增加。此時，防沖距要同步調大，否則會發生碰泵現象。

如果沖程由大調小，曲柄圓周運動半徑減少，抽油泵的柱塞運行距離也會減少。此時，防沖距要同步調小，否則會發生防沖距過大、甚至出現柱塞拔出工作筒的極端現象，致使泵效降低，甚至泵不工作，嚴重影響生產。所以抽油機沖程調整后，必須同步調整防沖距，調整量是調前沖程與調后沖程差的50%。

2 改進措施

針對抽油井完井作業現場實施過程中存在的系列問題，通過建章立制建立了“一規范、兩保險、三把尺、四位一體”為核心的基層站隊管理體系，經過近兩年的實施運行，成效顯著。

2.1 “一規范”——抽油井作業完井操作規范

抽油井作業完井涉及作業隊、采油隊、抽油機維保單位多工序交接過程。雖然每道工序都有相關的執行標準，但各個單位在整個作業完井過程中存在順序顛倒，執行標準不統一等弊端。

2.1.1 形成規范

通過3個多月的現場跟蹤驗證，2020年5月，制定《抽油井維修作業完井規范操作及監督要點》，主要內容如下：

1）抽油井井口座封后，套管四通應保持水平，井口裝置應保證垂直，垂直度誤差允許為±2°，與井筒同心度誤差不大于2 mm。用水平尺依次檢測套管四通法蘭、小四通法蘭、光桿密封器調偏法蘭（壓蓋）水平度。確保井口橫平豎直，避免抽油井每維修一次就需要抽油機對中操作，甚至將抽油機底座調整至水泥基礎之外無法達到對中要求。

2）抽油井維修作業完井試抽，修井機指重表負荷瞬間卸載就說明柱塞座于固定閥上(也就是俗稱的“探泵”)。一般需要“探泵”2～3次，確定位置后，根據抽油機懸繩器與光桿密封器位置上提光桿，保留光桿在井口密封器上平面以上長度1.2～1.5 m之間，打緊光桿卡瓦。為避免抽油桿短節接箍掛井口，裝配抽油桿短節應安裝在光桿以下第一或第二根抽油桿之下。光桿以下的兩根抽油桿建議使用普通抽油桿，不使用定刮桿和尼龍刮蠟環。確保光桿表面光滑無傷痕、無毛刺。

3）擺正抽油機驢頭，抽油機懸掛負荷，用水平尺測量懸繩器水平，根據“探泵”位置調配防沖距。保證開井生產后光桿方余合理（懸繩器以上光桿長度一般要求小于500 mm），防止抽油機運行過程中光桿接箍碰掛驢頭，并且井口無下碰上掛現象。

2.1.2 防沖距測算數學模型

1）抽油桿柱自重變化產生的防沖距。抽油桿上行過程中受抽油桿自身重力，下行過程中又受到井內液體的浮力影響，根據材料力學中彈性力學理論推導，彈性模量為E，即可得到抽油桿受浮力產生的防沖距為：

式中：λ桿為抽油桿柱自重變化產生的防沖距，m；γr為抽油桿的重度，N/m3；γ為井內混合液體的重度，N/m3；E為鋼的彈性模量，Pa；Lr為抽油桿長度，m；Lf為泵掛深度，m。

2）液柱載荷產生的防沖距。抽油泵正常工作時，下行程結束到上行程開始的過程，排出閥受重力及上部液柱載荷作用關閉，井筒內全部液柱載荷的作用力由油管轉移到在柱塞上，從而引起抽油桿加載伸長和油管減載縮短。因此在油管未錨定時液柱載荷變化產生的防沖距為：

式中：λ液為液柱載荷產生的防沖距，m；Ap為柱塞截面積，m2；ρ為油管內液體的密度，kg/m3；Ar為多級抽油桿柱按長度加權平均橫截面積，m2；At為多級油管柱金屬部分按長度加權平均橫截面積，m2。

3）慣性載荷產生的防沖距。當驢頭下行至下死點時，速度為零，抽油桿受向上的最大加速度和向下的最大慣性載荷，所以當驢頭到達下死點后，抽油桿在慣性力的作用下繼續下行，造成下死點超行程，將游梁式抽油機簡化為曲柄滑塊機構，由理論推導可知，因慣性載荷產生的防沖距為：

式中：λ慣為慣性載荷造成上下死點的超行程，m；Wr為抽油桿在空氣中的重量，N；S為光桿沖程，m；N為沖次，1次/min；L為泵深，m；Ar為各級抽油桿柱按長度加權平均截面積，m3；E為鋼的彈性模量，2.06×1011Pa。

根據以上對抽油泵防沖距影響因素的分析，對計算公式進行合并、整理，得到抽油機井防沖距計算公式：λ=λ桿+λ液+λ慣。

4）確定防沖距計算程序。2019年10月，在中國石油集團有限公司舉辦的一線創新成果發布會上，引進冀東油田防沖距計算程序。查閱相關資料，并與作業區機采參數優化承包商經過大量的數學模型推算與對比，歷時三個月的現場跟蹤驗證，得出結論，該程序測算的防沖距精準度較高，適合作為抽油井防沖距配備的理論依據。

2.2 “兩保險”——設計施工雙保險

在抽油井井下作業施工設計過程中工程地質一體化精細設計，按照作業施工設計的下泵深度、泵徑、桿柱組合及抽油機運行參數、含水等參數測算出參考防沖距[8]。調配防沖距以實際的泵徑、泵深、沖程、沖次、桿柱組合、油管內外徑及含水等參數，應用手機軟件快速計算，然后進行實際調配防沖距?，F場參考防沖距與實際防沖距分別由井下作業監督和完井交接監督校核、確認，確保井下作業設計與施工作業過程雙保險。設計施工雙保險結束了抽油井防沖距根據經驗配備的粗放管理方式，真正做到防沖距精準配備，一井一策。

完井交接監督專門從事抽油井維修前后的卸載、掛抽，井口水平度、垂直度檢測，防沖距測算、井口對中等環節的質量及安全把控。這樣，整個井下作業的施工形成閉環管理，現場修井開井后通知當班巡檢員工實施現場管理，工程地質崗及時協調自動化儀修崗裝配自動化監控儀器儀表，通知中控室專門對這部分井進行跟蹤計量，并對抽油井示功圖進行實時跟蹤，檢驗產量、含水恢復情況。

2.3 “三把尺”——質量把控點前移

運用“卡尺、卷尺、水平尺”提前介入抽油井完井交接關鍵環節，確保修井施工質量。明確要求修井隊嚴格按照井下作業設計施工，提出井筒的管、桿結蠟、結垢及變形部位必須用游標卡尺精確測量，現場拍照由主管井下作業的技術人員存檔；下入井筒的管、桿用“卷尺”丈量，由井下作業監督現場核實。井口水平度、垂直度，懸繩器水平度用水平尺測量，抽油井防沖距在統一井下作業隊伍與抽油機維保隊伍測量基準后必須用鋼卷尺精準測量，由完井交接監督現場核實。

2.4 “四位一體”——提高實施效率

在實施過程中建立抽油井防沖距臺帳。在抽油井管理的過程中，涉及采油生產單位工程、地質崗位，生產現場巡檢崗位與抽油機維保單位。采油生產單位工程、地質崗位負責抽油井的日常管理及抽油井井下作業設計，下達抽油井地面參數的調整指令，生產現場巡檢崗位負責每月抽油井參數的現場校核、設備巡檢及資料錄取等工作。抽油井維保單位負責抽油機維護保養、地面參數調整及一般故障的處理。

在抽油井管理的整個過程中，缺失了一個環節，就是對抽油井防沖距的管理。防沖距的管理追根溯源要從自噴井轉抽、抽油井維修開始。日常生產過程中還要根據抽油井生產工況，經常性地調整地面參數，抽油機參數的調整也與防沖距有直接、間接的關系。

3 應用效果

3.1 偏磨桿斷井數大幅下降

自2020年3月至2021月12月，應用防沖距計算程序現場調整維修井防沖距636口，生產井調整防沖距76口，共計712口，結束了長期以來依靠經驗值配備防沖距的歷史。經過實施抽油井完井作業精細化管理，偏磨桿斷井已由33口降至14口，全年的的檢泵井數呈下降趨勢，2019—2021年檢泵原因分析對比見表1。

表1 2019—2021年檢泵原因分析對比Tab.1 Analysis and comparison of pump inspection reasons from 2019 to 2021 次

3.2 躺井數明顯下降

經過近兩年的運行，通過精準配備防沖距，建立防沖距臺帳，完善抽油井完井作業規范操作及監督要點，跟蹤示功圖，及時調整抽油井參數等措施。2021年初，某井區躺井較往年同期減少50%，躺井較上年減少39井次，整個井區檢泵周期平均延長18 d，取得了年初生產任務的主動權。提高生產時率的增油效益可觀，提質增效效果突顯。

3.3 建立防沖距臺賬，實現抽油井精細化管理

建立并完善防沖距臺賬，實現抽油井精細化管理，防止防沖距過大造成泵效下降或防沖距過小造成碰泵導致的桿柱過早疲勞斷裂，延長檢泵周期[9]。規范抽油井維修完井流程，預防井口不正導致光桿無法對中或維修完井后反復對中；避免抽油桿短節接箍掛碰井口[10]。與同期相比，二次調整防沖距井數減少76井次，節約施工費用1.52萬元。

2020年3月至2021年12月，調整防沖距共計712井次，平均每口井提高開井時率2 h，增油效益16.94萬元；節約井下作業成本47井次255.4萬元；減少產量損失104.5萬元；合計創效376.8萬元。

4 結語

在抽油井管理中，要通過強化參數優化、優化技術設備，多措并舉降低采油井系統能耗，提高抽油泵效。抽油泵在實際作業過程中難免會愛到諸多外界因素的影響，因此有必要采取積極的措施，減少其對抽油泵的影響。抽油井完井作業精細化管理在采油生產單位協作管理上實現了目標統一化、工程、地質一體化、生產管理精細化三大特點，使該項工作從制度規范向體系化、系統化深入，使管理方式和管理理念發生了重大轉變，管理效率明顯提升。這種全新的管理模式，在陸梁油田取得成功，已形成獨特的“石南模式”，形成制度規范，提高現場勞動效率與數據的精準度，在陸梁采油站、瑪東采油站推廣應用也取得良好效果。對油田公司提質增效具有借鑒意義，應用前景廣闊。