樊学油区杆柱断脱现象的原因及治理措施

2014-05-02冯爱霞

石油工业技术监督 2014年4期

韩亮，张帆，冯爱霞

陕西延长石油（集团）有限责任公司定边采油厂樊学采油队（陕西榆林 718600）

樊学油区共管理油井1 498口，其中斜井占78%，主要开采层位为三叠系延长组长4+5，储层物性普遍较差，属低孔、低渗、特低渗和超低渗储层，开采难度较大，井下环境复杂，产液高含水现象普遍。油区采用的主要为有杆泵采油系统，油井泵挂平均1 650m，杆柱负荷高，全年修井检泵达到967井次，其中断杆占到51%。因此，如何降低油井修井作业次数，减少油杆断脱是实现油田经济利益最大化的关键。

1 原因分析

抽油杆断脱的主要原因是偏磨,占近50%;其次是疲劳,占近30%;其他因素和材质占近20%。抽油杆断脱机理主要与锻造、机械损伤、杆体弯曲、预紧力不足、腐蚀环境等诸多因素有关。

1.1 锻造的影响

1.1.1 锻造缺陷

主要缺陷是折叠、裂纹和皱折。折叠和裂纹的存在，减少了有效载面，降低了承载能力，特别是折叠和裂纹末端的应力集中，大大缩短了疲劳裂纹的萌生期，从而大大降低了抽油杆的疲劳寿命。

1.1.2 热影响区

在锻造过程中，由于沿纵向的非均匀加热使抽油杆产生热塑性变形，从而在热影响区段产生纵向的高残余拉应力和金相组织粗大。

1.2 机械损伤的影响

在运输、储存过程中可能受到人为的机械损伤：杆体表面被擦伤或碰伤而出现凹坑、刻痕，这些表面缺陷就会因局部应力集中而形成疲劳源，导致疲劳断裂。当处于腐蚀环境中，这些凹坑和刻痕还会加快腐蚀的速度引起疲劳断裂。另外，在施工中严重磨损的抽油杆吊卡有时损伤杆头的颈部，也会引起疲劳断裂。

1.3 抽油杆偏磨

1.3.1 井斜的影响

斜井井身结构存在一定的井斜角，如果抽油泵下到造斜点以下，泵上油管会随着套管一起弯曲，生产时，抽油杆的综合拉力产生了一个侧向分力，导致油管和抽油杆发生偏磨[1]。弯曲段或造斜点的角度越大，抽油杆与油管之间的磨损越严重。这种磨损发生在抽油杆的上、下2个冲程的全过程，磨损较严重。即使对于直井，目前的钻井技术很难保证井身完全垂直，这样套管在某一段就会出现弯曲现象，其后下入的油管也会随着套管弯曲，且当弯曲段出现在泵以上时，由于抽油杆在油管中的上下往复运动，也会造成管杆之间的摩擦。

1.3.2 井下座封器的影响

当生产管柱有封隔器时,靠生产管柱的自重进行座封,使管柱产生弯曲,在生产过程中弯曲段油管与抽油杆产生磨损,从而降低了抽油杆的寿命。

1.3.3 高含水率的影响

油井产出液含水越高,杆柱偏磨越严重。原因是产出液含水率低时,管杆摩擦面处于良好的油润滑状态,动摩擦因数较小,磨损较轻;当产出液含水高于74%时,管杆摩擦处于水润滑状态,动摩擦因数大大增加,加快了管杆磨损。樊学油区部分油井含水高达85%，因此这也是造成油杆偏磨的一个主要原因[2]。

1.3.4 预紧力不足的影响

当预紧力不足时，抽油杆外螺纹接头不仅受到较高的应力幅度的作用，而且由于外螺纹接头在接箍中摇动还要受到弯曲应力，就可能发生早期断脱。

1.4 腐蚀与出砂的影响

樊学油区主要产层为三叠系延长组，以点腐蚀为主。油井产液中含有H2S、CO2等有害气体，在腐蚀介质的作用下，腐蚀坑处产生应力集中，形成腐蚀疲劳裂纹源[3]。

由于樊学油区油井压裂一般采用水力压裂，以及一些地区地层本来出砂，生产时一些压裂支撑剂及地层砂随地层液体产出，油井的固含量偏高一方面，压裂支撑剂及地层砂的硬度大于管、杆表面的硬度，加剧了对管、杆表面的破坏；另一方面，增加了柱塞与衬套间的半干摩擦，杆柱下行阻力增大。这会加大抽油杆与油管之间的摩擦，严重时可造成泵卡从而拉断抽油杆。

腐蚀与出砂相互作用，相互促进，二者交替作用具有更大的破坏性。腐蚀坑为砂粒的存在提供空间，砂粒的摩擦加速抽油杆的腐蚀。

1.5 振动的影响

冲次增加，使抽油杆产生强烈振动，增加循环次数和动应力，事故与冲次的高（大于4）次方成正比。严重者高冲次引起剧烈振动乃至趋于共振。容易发生螺旋弯曲，在接头附近破裂，杆管相互摩擦，造成的大部分断裂通常出现在泵上140m以内。

1.6 结蜡的影响

油井含蜡量高,从而使井下结蜡严重,导致蜡卡、杆下不去、抽油杆下行变形与油管之间产生严重碰磨和抽油杆或光杆的超负荷,造成油杆偏磨严重导致油杆断脱等现象。

2 治理措施及取得效果

2.1 优化杆柱结构

2.1.1 更换使用专用光杆

由于樊学油区老井使用的基本上是Ф25mm旧油杆处理做成的，由于这些油杆使用年限过长，油杆本体上不同程度存在凹陷、擦痕，表面粗糙，这样容易造成光杆偏磨以致磨断现象。而专用光杆表面经过特殊加工，可以耐老化、耐磨损，耐腐蚀。为此选择部分井口位置偏磨严重的油井，更换专用光杆以及新井投产必须使用专用光杆。2012年共计189口更换安装专用光杆，取得了很好的效果，降低了光杆断落的作业井次。

2.1.2 偏磨位置加扶正器与扶正块

结合斜井的钻井资料，主要在拐点位置上、下端2～3根油杆处加上扶正器；在偏磨位置处加上扶正器，在偏磨杆柱处加扶正块，可以有效地降低杆柱弯曲、偏磨。2012年共因偏磨而修井作业500井次，共计使用扶正器10 165根，平均延长检泵周期142d，节省了作业费用。

2.1.3 全井更换油杆

对于油杆本体偏磨严重、超期服役的杆柱，进行全井更换油杆[4]。

2.1.4 使用内衬油管

对于偏磨井，造成油管和抽油杆失效的主要原因：一是受油井井深轨迹的影响，造斜点越浅，井斜角越大，杆管接触点水平分力越大，偏磨越严重；樊学油区2012年偏磨造成断杆井次275次，其偏磨原因主要是偏磨位置集中在杆柱中下部，井斜和高含水致使管杆偏磨严重。为了避免偏磨造成的断杆修井井次的逐年增加，采用了在偏磨位置更换普通油管，下入内衬油管的办法。内衬油管的衬层可以避免抽油杆与油管间的直接磨擦从而防止油管内壁磨损，从而延长油井杆管的使用寿命。2012年，樊学油区更换内衬油管井次为15口，延长检泵周期79d，节省费用50余万元。

2.2 合理调节生产参数

2013年，选择了一些高含水的油井，进行了24井次的调节抽油生产参数作业，主要依据“低冲次高冲程”原则，减少抽油杆疲劳应力损坏，减少杆柱与油管摩擦损坏率。抽油机的最大冲次不能和抽油杆自振频率的整数倍相重合，以免发生共振现象。结合油井实际情况，对于Ф44mm泵充满系数不高的油井更换Ф38mm泵，提高泵的充满系数，降低油井的“液击”现象，弥补大泵径造成大的冲程损失、载荷增大等不利因素造成油杆所承受的应力载荷增大以致断杆。经过调节生产参数使平均泵效由原来的7.81%提高到现在的10.62%。部分油井生产参数调节后，产量和泵效有了明显提升，其免修期也明显延长（表 1）。

表1 樊学油区油井生产参数调整效果对比表

2.3 建立合理的间抽制度

对于间隔性出液且产量小于300kg/d的油井，实行间抽，对于不同的油井不仅能减少因供液不足，出现活塞与泵筒干磨，导致的不能正常生产造成检泵的作业工作量，而且能减少由于“液击”现象对于抽油杆工况的影响，还节约了大量电能。樊学油区共管理间抽井39口，每月少开井18 096h，年节省电费21余万元，同时降低了油井作业井次和提高了三抽设备使用寿命等经济效益。

2.4 防蜡防垢技术

2.4.1 化学加药

根据井下产液的实际情况，决定化学药品类型，提高药品与井下的配伍性，依据油井原油性质以及油井的结蜡与结垢的周期，来确定加药量与加药浓度[4]。樊学油区共对83口油井进行加药计划，主要为清蜡剂等化学药剂，针对每口油井采取不同的符合本油井的加药计划，在保证其配伍性高的情况下，由采油工和专门技术人员灌入套管环空，以减缓井筒内的结蜡速度，延长检泵周期42d。

2.4.2热洗环空清蜡

对油井的液量、沉没度等来确定热循环时间及热循环液量，依据室内试验及现场情况来看，热洗环空清蜡时，水温最低需达到80℃，最好在80～85℃之间，加药时根据原油性质以及油井结蜡周期，按照油井产液含蜡浓度，确定热洗环空清蜡过程中化学添加剂的用量，并结合实际情况及原油性质，来确定热洗环空清蜡周期[5]。目前对24口油井进行了热洗环空作业，增油效果明显。