酒东油田杆管偏磨研究及对策

周妍，吴晓旭，赵全，梁佳莹，朱林(中国石油玉门油田分公司酒东采油厂，甘肃 酒泉735200)

0 引言

酒东油田随着开发的深入，泵挂不断加深至2 800 m左右，部分油井含水也不断升高，近两年因偏磨造成断脱检泵占总检泵的比例较高，维修作业频繁，油井免修期短，作业费用增加，采油成本升高，综合效益降低。通过统计偏磨井情况，偏磨的部位为抽油杆接箍和本体，位置主要集中在抽油杆的中下部。因此，针对酒东油田杆管偏磨的机理分析和防治措施研究显得十分必要。

1 酒东油田杆管偏磨现状及影响因素

抽油机井的杆管偏磨是由于抽油杆在上下冲程中与油管相对运动时产生相互接触而形成的，它受井眼轨迹、杆柱组合、采出液含水等众多因素的综合制约[1-2]。

1.1 杆管偏磨深度

通过统计，偏磨位置在1 500～2 100 m范围内，且泵挂深度2 200 m的偏磨井次比泵挂深度2 800 m要高，数据统计得出，泵挂越深，供液越好，抽油杆与油管之间润滑充分，偏磨率比较低。泵挂及偏磨井次统计如表1所示。

表1 泵挂及偏磨井次统计

1.2 井眼轨迹的影响

井斜较大的抽油井，生产时抽油杆柱与油管之间存在较大摩擦力。上冲程时，抽油杆与油管的上侧内壁产生摩擦，下冲程时，抽油杆与油管的下侧内壁产生摩擦。距离井口越近磨损越严重，油管倾斜角度越大磨损越严重。

在狗腿度较大的地方，油管内壁与抽油杆杆本体发生磨擦，由于偏磨面积较小，油管磨损较严重。抽油杆柱上部，表现为单面偏磨，这种偏磨能够把油管磨穿，是偏磨现象中最常见也是损伤最严重的一种。现场分析得出，井斜、方位角、狗腿度变化都会引起偏磨现象的发生。

1.3 抽油杆接箍影响

抽油杆接箍的外径比抽油杆本体大，所以一旦抽油杆和油管产生接触时，抽油杆接箍和油管优先产生接触，抽油杆接箍位置对油管侧向压力增大，于是摩擦力增大，长时间的线面摩擦使得抽油杆接箍出现磨损伤害，严重时导致脱扣。在检泵时对酒东油田抽油杆出现偏磨的部位进行统计，出现偏磨的部位大多是抽油杆接箍。接箍偏磨属于磨损机理中的磨料磨损[3]。

磨料磨损是指硬的磨(颗)粒物或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中产生的磨损，是表面材料发生消耗，其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。国外学者提出了以切削作用为主的磨粒磨损量，其公式[4]如式(1)所示：

式中：W为法向载荷；H为硬度，其值为载荷与压痕投影面积之比，即

1.4 油井生产参数的影响

偏磨井冲次多集中于3.5 次/min以上油井，说明冲次较大偏磨较严重。分析认为，冲次越大，泵充满程度相对较低，造成杆管摩擦相对较大，增加偏磨几率。因此，对于供液能力相对较差的油井，建议对油井进行详细普查，将间歇供液的油井，在保证产量前提下，适当增加冲程，隆低冲次。偏磨井冲次分布如图1所示。

图1 偏磨井冲次分布

1.5 采出液含水影响

统计结果反映偏磨井含水普遍较高，其中含水50%的偏磨井占60%。油井含水上升，会使产液由原来的油包水型转变为水包油型，因为失去原油的润滑保护，油管与抽油杆之间的接触面磨损速度加快。同时油井井底高温，液体中含有矿物质、CO2、H+、Cl-及细菌等腐蚀介质，直接与杆管接触，会产生腐蚀。

在偏磨的影响下，首先抽油杆表面保护层及金属处理层被磨去，然后偏磨处与腐蚀介质直接接触，再加上磨擦产生的热使腐蚀加剧，增大了偏磨的破坏程度。偏磨井含水分布如图2所示。

图2 偏磨井含水分布

1.6 沉没度的影响

根据相关文献，沉没度过高(过低)都会增加抽油杆与油管偏磨的几率，沉没度相对合理时，机抽井发生偏磨的现象相对较少。可以得出，沉没度越大，抽油泵柱塞受到向上浮力也越大，油井杆管的偏磨越厉害。相对而言沉没度太低，就容易出现供液不足，上冲程过程中液体不能及时进入泵筒导致泵筒空载，下冲程时柱塞会空载一段距离后突然撞击油液。同时沉没度低，温度下降快，液体溶解蜡的能力下降，增加抽油杆下行阻力，也会加剧杆管偏磨。

1.7 管杆结蜡影响

存在偏磨的结蜡井，结蜡厚度大部分大于3.8 mm，最厚到达10 mm，表面采出液析蜡是影响酒东油田杆管偏磨的原因之一。油井结蜡凝结减小油管及杆柱间环形空间面积，加剧“活塞效应”，增加抽油杆柱受压段长度，即增加抽油杆与油管间的接触几率，使抽油杆下行时与油管间产生严重的碰撞摩擦，严重时导致抽油杆蜡卡、管杆偏磨。偏磨井结蜡厚度分布如图3所示。

图3 偏磨井结蜡厚度分布

1.8 杆柱结构的影响

目前，酒东采油厂采用的抽油杆组合结构为三级组合结构，直径分别为19 mm、22 mm、25 mm。根据杆柱组合的等强度准则，要求抽油杆组合顺序必须从下到上依次是191 mm、22 mm、25 mm。在下冲程中，中和点以上的抽油杆始终处于拉伸状态不会发生弯曲变形，偏磨几率小；中和点以下的抽油杆，受惯性力、浮力、摩擦力等组成的向上的阻力，易发生失稳，产生弯曲，此部分产生偏磨的几率较大。

2 杆管偏磨措施研究

2.1 抽油杆扶正措施

抽油杆采取扶正措施，是防治杆管偏磨直接有效的一种形式[5]。

扶正抽油杆采用热塑成型固定式，按照井斜大小设计配下，井斜在5～10°之间配下一杆一扶，井斜在10～20°配下一杆二扶，井斜在20°以上配下一杆三扶。

2.2 加重杆优化

上冲程过程中抽油杆受到合力向上，整个抽油杆处于拉伸状态，在此认为不会发生杆管偏磨现象；下冲程过程中整个抽油杆受力不均，从而存在一个合力为零的中和点，中和点以上的抽油杆合力向上，处于拉伸状态不发生偏磨；而中性点以下部分，由于受到压力作用会发生弯曲，从而造成杆管偏磨的现象。因此尽量将杆柱中和点位置下移，能够降低杆管偏磨现象的发生。

确定加重杆直径dz，公式如式(2)所示：

式中：pμ为下冲程过程中所有向上的阻力之和(除压差力)(N)。Lγ为单级抽油杆长度，取8 m。E是抽油杆的弹性模量，大小为210 000 MPa。

计算出一个dz后，通过查询标准加重杆直径，以确定合适的加重杆直径dz，标准加重杆直径及相关参数如表2所示。

表2 标准加重杆参数对照表

如式(3)所示，确定单根抽油杆的允许承受的最大压力Pcr：

如式(4)所示，计算所需加重杆长度LZ：

2.3 防偏磨接箍

根据文献[6]资料，主要对不同金属材料、不同硬度的接箍零部件进行磨损。

试验方法：将两种不同类型的接箍与J55型电阻焊接油管，放置于专用磨损装置进行试验，考虑到井下抽汲介质的影响，采用水润滑并施加侧向载荷。在测定摩擦力的磨损试验时，利用电阻应变片测定轴向力，该力与侧向载荷和摩擦方式有关，总重以重量减少来衡量接箍的磨损。试验各部件测量物性参数，如表3所示。

表3 试验各部件物性参数

(1)两种接箍磨损量对比，表明硬质合金钢接箍的耐磨性高于225 HV标准接箍。

(2)油管磨损量对比，表明硬质合金接箍与油管的磨损量更小，其耐磨性更好。

(3)侧向载荷对不同接箍磨损量对比，表明硬质合金接箍磨损量几乎与侧向载荷无关。

(4)摩擦系数对不同接箍磨损量对比，表明标准接箍磨损越来越严重，表面粗糙度增大。硬质合金接箍随着侧向载荷的增大，其摩擦系数变化趋于平缓。由于硬质合金接箍表面涂层发挥作用，所以使接箍表面粗糙度稳定，表面摩擦系数几乎不变。

3 防偏磨措施建议

(1)偏磨井中接箍偏磨现象较为普遍，因此建议防偏磨措施、优选接箍类型，适度使用硬质合金接箍。对于高含水、狗腿度变化大的油井，建议采用扶正注塑抽油杆减少偏磨；对于供液能力不足的油井，在不影响正常生产的前提下，合理调整生产参数；对于结蜡较严重的油井，建议采用加药，配合合理清蜡制度，从而达到减缓偏磨。

(2)通过中性点计算，2 200 m泵挂深度油井中性点在1 100 m深度附近，2 800 m泵挂深度油井中性点在1 500 m深度左右，加重杆直径宜采用D38 mm。

(3)做好杆管设备台账，追踪杆管使用年限，合理替换长期服役杆管，降低检泵频率，延长油井免修期，节约生产成本。

4 结语

通过分析酒东油田的杆管偏磨现状，结合现有防偏磨技术，提出可行的防偏磨措施，比如加扶正器、加重杆、防偏磨接箍等，确实有效减少了偏磨现象的发生，但是并不能从根本上解决任何成因的偏磨。因此，结合文章研究内容，针对单井偏磨情况具体分析，采取针对性的防偏磨措施，并优化现场生产管理，从多方面入手，降低因杆管偏磨引起的检泵作业次数，保障油田效益生产。