油井管杆偏磨机理国外研究进展初探

王鑫

摘要：杆管偏磨机理的研究大多还只是简单地、定性地描述了产生杆管偏磨的原因，而具体到实际某一口井产生了杆管偏磨，却不能定量地描述各种偏磨原因对该井杆管偏磨的影响程度，而且不能准确表达各因素对偏磨的影响规律和各因素间的相关关系，因此很有必要对管杆偏磨的机理及技术的发展历程进行研究。

关键词：管杆偏磨;发展历程;防磨技术;

1.抽油杆偏磨机理国外研究进展

1950年，Lubinski首先研究了钻柱在垂直井眼中的平面（正弦）屈曲，并根据钻柱的受力和变形分析，导出了钻柱的屈曲方程，同时给出了方程的级数解，并利用边界条件推导出了该方程的临界屈曲载荷，他在钻柱平衡状态时，根据钻柱两端的平衡条件，确定了钻柱的一次、二次及更高次的临界钻压。此外，Lubinski还给出了钻柱在井眼中的屈曲形状，切点位置的确定方法，屈曲后钻柱的变形，弯矩的变化以及弯曲应力等。

1953年，Lubinski和Woods对管柱在斜直井中的屈曲进行了模拟实验，经过实验观察到了管柱在井眼中的螺旋屈曲现象以及井斜角对管柱临界屈曲载荷有较大影响。他们通过对实验数据的拟合，得到了管柱在斜直井發生螺旋屈曲临界载荷的计算式。

1964年，Paslay、Bogy引等利用能量法对管柱在斜直圆井中的稳定性进行了理论分析，导出了管柱在斜直井眼中发生正旋屈曲的临界载荷计算公式，他们指出，由于轴向压力随着油井深度增加而增大，杆柱压力失稳后的振幅也随着杆的深度增加而增加，而振荡周期则随着杆的深度增加而减小。

1994年，Suryanarayana对摩擦影响受横向限制的屈曲和后屈曲行为进行了实验研究，由管柱在定向井和水平井中的数字信号的分析表明，摩擦极大地延迟了屈曲的开始，对后屈曲行为也引起了显著的滞后现象，与此对应，卸载力往往小于加载力，他们在实验研究基础上对已有理论进行了重新修正，并对实际操作和油田应用的限制进行了讨论。

2000年，Xu Jun 综合考虑受拉杆柱偏磨、液体粘性阻力、井眼轨迹的综合性抽油杆以及油管管柱的动力学模型，提出了针对斜井井眼轨迹的管柱三维准静态设计方法，该方法主要考虑了三维弯曲井眼导致的杆柱屈曲及冲次较低排采方式下的抽油杆系统的准静态力学特性，这对于解决杆柱载荷计算、位移及应力分析等有良好的近似。

2006年Hernando Ariza在位于哥伦比亚的托利玛油田的开发出S型斜井，采用由传统抽油杆驱动的气泵（PCP）系统完井。考虑到抽油杆故障与井身结构和生产制度有关，提出了连续的抽油杆，实现减少了抽油杆失效引起的经济损失。

2010年，Francisco Diaz Telli考虑到现场操作条件的局限性，对抽油杆不同部位的应力分析和故障统计，发现最弱的点位于耦合连接处，因而，开发出一种新型的连接杆，它在减少连接疲劳方面表现出非常积极的效果。新设计中涉及的要点如下：由于杆之间存在间隙，可放松连接的趋势。这一间隙允许当杆经受压缩或冲击时，耦合螺纹之间的运动。

2014年，Mihaly Gajda研究了抽油杆是重量沿它的长度分布，任何一节都至少要承载它下面的所有杆的重量。表明，理想的形状是一个倒锥，从上到下不断地逐渐变细。由于这样的杆柱是不可能制造出来的，所以要通过设计锥形的杆体来达到理想的形状，在表面上增加直径的部分。对于浅井，可使用统一直径的杆柱，但更深的井不可避免地需要使用锥形的杆体，防止抽油杆偏磨或者断脱等故障。

2016年Victoria Mallory Pons提出改进的 Everitt-Jennings算法利用有限差分来求解波动方程。传统上，应力只在每个锥度的顶部计算。然而，当应力失效发生时，它们发生在高摩擦力和应力区域，这些区域可能不一定靠近锥度的顶部，因此无法通过传统的应力计算来检测。使用有限差分的优点之一是能够从杆中选择有限差分节点，可以在杆串的任意点位置计算应力。

2017年，Gabor Takacs and Mihaly Gajda通过阻尼波动方程预测载荷和应力的计算方法。通过使用预测分析程序，计算杆应力（绘制在修正的古德曼图上），提供了不同杆柱设计方法。同时，提出了在一维波动方程的解中得到的增强的杆柱结构设计模型，与以往的设计相比，其对疲劳失效的安全性要高得多。

2 抽油杆防偏磨技术国外研究进展

国内外学者通过结合杆柱所处井筒环境及产出液的性质，提出了一些减缓杆管磨损速度减的技术，将这种防磨类型归类为降低摩擦系数类，下面是一些常用的技术。

2.1固体润滑技术

采用渡、喷涂等方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜，润滑膜既可防止对偶材料表面直接接触，又可减少接触薄层的剪切强度，对于减小摩擦系数有显著效果。

2.2HDPE内衬油管

内衬管壁厚3.5-4.5mm，造成油管内孔缩径较大，造成抽油杆接箍与油管之间间隙小，造成抽油杆柱下行阻力大，从而造成了抽油杆的早期疲劳断裂.

2.3防腐材料涂层

通过在油管和抽油杆上涂敷一层高分子复合材料，形成一层保护层保护抽油杆。这种复合高分子材料层与油管内壁粘附力强，具有等同于常规油管的抗弯抗冲击能力，但这类涂层材料成本较高，制约着该技术在油田广泛使用。

3 小结

国外在抽油机井偏磨方面的研究开展的比较早，50年代美国、前苏联等国家的石油公司就开始进行基础研究，发展新材料，开发新技术、新工艺、新产品上都做了很多创造性的工作。抽油杆导向器，减小抽油杆在油管内上下移动期间产生的应力和应变，但结构复杂，容易损坏，维修成本高。COROD公司开发的空心杆采油技术，可减轻偏磨、有效提高泵效、简化作业工序和节省作业费用，与普通抽油杆相比，中间没有接箍，全长只有两个接头，大大减少了由于接头松动、接头腐蚀、磨损等导致的检泵作业。与普通抽油杆相比，较大直径的连续抽油杆可下入较小的油管内，因而杆柱应力减小。各种防偏磨技术虽然在一定程度上延长了油井的免修期，但也给油田生产带来了新的问题。因此，有必要对防偏磨技术进行进一步研究，找出能从根本上解决油井偏磨问题的对策。

参考文献：

[1] 狄勤丰.定向井抽油杆柱空间形态的计算方法[J].中国石油大学学报（自然科学版）.