抽油井维修作业完井精细化管理创新与实践

张军 方诗杰 姚晓亮 陈其亮 陈刚（新疆油田分公司陆梁油田作业区）

抽油机井因其结构简单、故障率低、管理方便等优势占总机采井数的85%以上[1]。抽油井井下作业工序完成后需要地面憋压试泵、防冲距计算配备、抽油机悬挂负荷、井口流程检查等一系列环节方能开井生产。整个过程需要采油生产单位、井下作业队伍和抽油机维保队伍互相衔接配合，各家施工队伍所采用的作业标准没有一个统一且贯穿始终的操作规范，导致了上述问题的普遍发生，影响了抽油井维修作业完井质量。以陆梁油田某井区为例，每年抽油井井下作业350口左右，原有的管理模式不能适应新形势的需求，亟待形成一套适合于抽油井完井作业精细管理的新模式。

1 技术背景

1.1 维修完井作业流程不明确

以“抽油井光杆对中”环节为例：一般是修井队下入管、杆，座封井口、探泵后，由采油队现场监督抽油机维护保养单位进行光杆对中操作。修井队下入管、杆，座封井口后应先进行井口法兰水平度与采油树垂直度检测，只有保证井口的水平度与垂直度，抽油井光杆对中的基准才能确定，否则，所有工作都是徒劳，甚至出现抽油机底座顶出水泥基础之外，而光杆与井口的对中度无法调正的现象，这种现象就是工序上出现的一个严重问题，对维修井的完井质量和开井时率影响较大。

再以“抽油井挂抽”环节为例：先是由修井队探泵试抽，探泵确定光杆预留位置，再根据抽油机悬绳器与光杆密封器位置上提光杆，保留光杆在井口密封器上平面以上长度1.2～1.5 m之间[2]，打紧光杆卡瓦。由于抽油机维保单位与修井队之间的测量基准存在偏差，导致调配的抽油井防冲距产生较大的误差而影响泵效，甚至出现碰泵造成抽油杆频繁卸载、加载，过早疲劳断裂。

1.2 防冲距长期依赖经验

抽油杆在工作过程中，由于受自重、油管内液柱载荷和惯性载荷的作用，会产生一定长度的伸缩。为了防止深井泵的柱塞在下行时碰撞固定凡尔罩，而把抽油杆适当上提一段距离，这段距离就叫防冲距[3]。由于存在冲程损失和无效冲程，使得柱塞冲程总是小于光杆冲程[4]。抽油井作业完井试抽前需要调配防冲距，生产过程中出现井口下碰上挂现象以及碰泵操作后也需要重新调整防冲距，抽油机冲程调整后也要相应地调整防冲距。

在一定的冲程条件下，油气比一定，防冲距越小，抽油泵的余隙体积越小，泵筒的充满系数越大，泵效越高。因此合理的防冲距是提高泵效的有效途径之一[5-6]。在生产实践中，一般是先下放杆柱，然后根据经验上提，以不碰泵为准则。该方法不够精确，随着泵挂深度及杆柱组合的变化其局限性也愈加明显。

根据泵的下入深度，防冲距应控制在0.5～1m的范围内，做到上不刮、下不碰。在生产现场，按每100 m泵挂深度上提85～100 mm，ϕ56 mm泵径以下可按85 mm/100 m，ϕ70 mm、ϕ83 mm泵径可按100 mm/100 m高度计（带脱卡器的井除外），以不碰固定阀为原则。在新疆油田《机械采油技术培训教材》中规定：安装光杆并按每100 m泵挂深度调防冲距50～100 mm的原则，调好防冲距。但要注意，在保证柱塞不撞击固定阀的前提下，防冲距越小越好。

抽油泵防冲距的设计及调整主要根据泵挂深度取经验值，现场以不碰泵为准则。各油田长期以来延用相对固定的防冲距经验值，以某井区为例，井下作业设计提供的防冲距参考值一般为400～600 mm，基本不考虑泵径、下泵深度、杆柱组合以及冲程、冲次等因素。

1.3 实施机采系统效率需优化

陆梁油田已进入高含水开发阶段，受制于目前抽油机最小冲次（4次/min）的限制，部分抽油井抽汲参数不能满足生产需求。冲次过大，加剧了低泵效程度，容易造成动液面低于泵吸入口，随即发生液击，导致抽油杆失稳弯曲，杆管偏磨严重。开发初期配备的抽油机及电动机，为克服抽油机启动时的惯性和正常运行中产生的高负荷峰值，通常配置过大，存在“大马拉小车”现象，系统效率低[7]。

2020年4月，通过示功图排查，陆梁油田某井区抽油井开井346口，存在碰泵现象的抽油井有76口，占比达22%。作业区优化机采系统效率采取换大泵等措施生产的井，下泵深度由原来的1 800 m提升至1 400～1 600 m，抽油泵也由ϕ44 mm～ϕ57 mm管式泵替代原来的ϕ32 mm～ϕ38 mm管式泵。现场继续延用经验配备防冲距，示功图显示有明显的碰泵现象，后将防冲距调整至800～1 100 mm，示功图显示碰泵现象消失。此类井调整防冲距前在井口通过摸、听等方法均未发现明显碰泵现象，个别井在悬绳器运行至接近下死点过程中有轻微的摆动（瞬间卸载现象），但较难判断。这是由于抽油杆、油管因抽油杆自重和液柱载荷的影响产生弹性变形，上下死点换向时抽油杆产生弯曲造成的。

1.4 防冲距管理存在漏洞

在生产过程中，巡检人员发现井口碰挂现象，一般会及时上报基层单位调整防冲距。一些井由于防冲距较小，正常生产时不会碰泵，但在热洗井筒后，由于热洗液采用水洗方式，井筒液柱比重增加，受杆管弹性变形增大及热胀因素的影响也会产生短时间的碰泵现象，井筒内的热洗液被地层的气液顶替后，碰泵消失，示功图显示正常。

根据抽油井生产工况，需要经常性地调整地面参数。例如调整冲程，抽油机冲程调整后也要相应地调整防冲距。根据抽油机运行原理，曲柄圆周运动带动连杆、游梁、驴头、悬绳器、光杆、抽油杆（泵）上下往复直线运动。调整冲程也就是调整曲柄圆周运动的半径，所以冲程由小调大，曲柄圆周运动半径增大，抽油泵的柱塞运行距离也会增加。此时，防冲距要同步调大，否则会发生碰泵现象。

如果冲程由大调小，曲柄圆周运动半径减少，抽油泵的柱塞运行距离也会减少。此时，防冲距要同步调小，否则会发生防冲距过大、甚至出现柱塞拔出工作筒的极端现象，致使泵效降低，甚至泵不工作，严重影响生产。所以抽油机冲程调整后，必须同步调整防冲距，调整量是调前冲程与调后冲程差的50%。

2 改进措施

针对抽油井完井作业现场实施过程中存在的系列问题，通过建章立制建立了“一规范、两保险、三把尺、四位一体”为核心的基层站队管理体系，经过近两年的实施运行，成效显著。

2.1 “一规范”——抽油井作业完井操作规范

抽油井作业完井涉及作业队、采油队、抽油机维保单位多工序交接过程。虽然每道工序都有相关的执行标准，但各个单位在整个作业完井过程中存在顺序颠倒，执行标准不统一等弊端。

2.1.1 形成规范

通过3个多月的现场跟踪验证，2020年5月，制定《抽油井维修作业完井规范操作及监督要点》，主要内容如下：

1）抽油井井口座封后，套管四通应保持水平，井口装置应保证垂直，垂直度误差允许为±2°，与井筒同心度误差不大于2 mm。用水平尺依次检测套管四通法兰、小四通法兰、光杆密封器调偏法兰（压盖）水平度。确保井口横平竖直，避免抽油井每维修一次就需要抽油机对中操作，甚至将抽油机底座调整至水泥基础之外无法达到对中要求。

2）抽油井维修作业完井试抽，修井机指重表负荷瞬间卸载就说明柱塞座于固定阀上(也就是俗称的“探泵”)。一般需要“探泵”2～3次，确定位置后，根据抽油机悬绳器与光杆密封器位置上提光杆，保留光杆在井口密封器上平面以上长度1.2～1.5 m之间，打紧光杆卡瓦。为避免抽油杆短节接箍挂井口，装配抽油杆短节应安装在光杆以下第一或第二根抽油杆之下。光杆以下的两根抽油杆建议使用普通抽油杆，不使用定刮杆和尼龙刮蜡环。确保光杆表面光滑无伤痕、无毛刺。

3）摆正抽油机驴头，抽油机悬挂负荷，用水平尺测量悬绳器水平，根据“探泵”位置调配防冲距。保证开井生产后光杆方余合理（悬绳器以上光杆长度一般要求小于500 mm），防止抽油机运行过程中光杆接箍碰挂驴头，并且井口无下碰上挂现象。

2.1.2 防冲距测算数学模型

1）抽油杆柱自重变化产生的防冲距。抽油杆上行过程中受抽油杆自身重力，下行过程中又受到井内液体的浮力影响，根据材料力学中弹性力学理论推导，弹性模量为E，即可得到抽油杆受浮力产生的防冲距为：

式中：λ杆为抽油杆柱自重变化产生的防冲距，m；γr为抽油杆的重度，N/m3；γ为井内混合液体的重度，N/m3；E为钢的弹性模量，Pa；Lr为抽油杆长度，m；Lf为泵挂深度，m。

2）液柱载荷产生的防冲距。抽油泵正常工作时，下行程结束到上行程开始的过程，排出阀受重力及上部液柱载荷作用关闭，井筒内全部液柱载荷的作用力由油管转移到在柱塞上，从而引起抽油杆加载伸长和油管减载缩短。因此在油管未锚定时液柱载荷变化产生的防冲距为：

式中：λ液为液柱载荷产生的防冲距，m；Ap为柱塞截面积，m2；ρ为油管内液体的密度，kg/m3；Ar为多级抽油杆柱按长度加权平均横截面积，m2；At为多级油管柱金属部分按长度加权平均横截面积，m2。

3）惯性载荷产生的防冲距。当驴头下行至下死点时，速度为零，抽油杆受向上的最大加速度和向下的最大惯性载荷，所以当驴头到达下死点后，抽油杆在惯性力的作用下继续下行，造成下死点超行程，将游梁式抽油机简化为曲柄滑块机构，由理论推导可知，因惯性载荷产生的防冲距为：

式中：λ惯为惯性载荷造成上下死点的超行程，m；Wr为抽油杆在空气中的重量，N；S为光杆冲程，m；N为冲次，1次/min；L为泵深，m；Ar为各级抽油杆柱按长度加权平均截面积，m3；E为钢的弹性模量，2.06×1011Pa。

根据以上对抽油泵防冲距影响因素的分析，对计算公式进行合并、整理，得到抽油机井防冲距计算公式：λ=λ杆+λ液+λ惯。

4）确定防冲距计算程序。2019年10月，在中国石油集团有限公司举办的一线创新成果发布会上，引进冀东油田防冲距计算程序。查阅相关资料，并与作业区机采参数优化承包商经过大量的数学模型推算与对比，历时三个月的现场跟踪验证，得出结论，该程序测算的防冲距精准度较高，适合作为抽油井防冲距配备的理论依据。

2.2 “两保险”——设计施工双保险

在抽油井井下作业施工设计过程中工程地质一体化精细设计，按照作业施工设计的下泵深度、泵径、杆柱组合及抽油机运行参数、含水等参数测算出参考防冲距[8]。调配防冲距以实际的泵径、泵深、冲程、冲次、杆柱组合、油管内外径及含水等参数，应用手机软件快速计算，然后进行实际调配防冲距。现场参考防冲距与实际防冲距分别由井下作业监督和完井交接监督校核、确认，确保井下作业设计与施工作业过程双保险。设计施工双保险结束了抽油井防冲距根据经验配备的粗放管理方式，真正做到防冲距精准配备，一井一策。

完井交接监督专门从事抽油井维修前后的卸载、挂抽，井口水平度、垂直度检测，防冲距测算、井口对中等环节的质量及安全把控。这样，整个井下作业的施工形成闭环管理，现场修井开井后通知当班巡检员工实施现场管理，工程地质岗及时协调自动化仪修岗装配自动化监控仪器仪表，通知中控室专门对这部分井进行跟踪计量，并对抽油井示功图进行实时跟踪，检验产量、含水恢复情况。

2.3 “三把尺”——质量把控点前移

运用“卡尺、卷尺、水平尺”提前介入抽油井完井交接关键环节，确保修井施工质量。明确要求修井队严格按照井下作业设计施工，提出井筒的管、杆结蜡、结垢及变形部位必须用游标卡尺精确测量，现场拍照由主管井下作业的技术人员存档；下入井筒的管、杆用“卷尺”丈量，由井下作业监督现场核实。井口水平度、垂直度，悬绳器水平度用水平尺测量，抽油井防冲距在统一井下作业队伍与抽油机维保队伍测量基准后必须用钢卷尺精准测量，由完井交接监督现场核实。

2.4 “四位一体”——提高实施效率

在实施过程中建立抽油井防冲距台帐。在抽油井管理的过程中，涉及采油生产单位工程、地质岗位，生产现场巡检岗位与抽油机维保单位。采油生产单位工程、地质岗位负责抽油井的日常管理及抽油井井下作业设计，下达抽油井地面参数的调整指令，生产现场巡检岗位负责每月抽油井参数的现场校核、设备巡检及资料录取等工作。抽油井维保单位负责抽油机维护保养、地面参数调整及一般故障的处理。

在抽油井管理的整个过程中，缺失了一个环节，就是对抽油井防冲距的管理。防冲距的管理追根溯源要从自喷井转抽、抽油井维修开始。日常生产过程中还要根据抽油井生产工况，经常性地调整地面参数，抽油机参数的调整也与防冲距有直接、间接的关系。

3 应用效果

3.1 偏磨杆断井数大幅下降

自2020年3月至2021月12月，应用防冲距计算程序现场调整维修井防冲距636口，生产井调整防冲距76口，共计712口，结束了长期以来依靠经验值配备防冲距的历史。经过实施抽油井完井作业精细化管理，偏磨杆断井已由33口降至14口，全年的的检泵井数呈下降趋势，2019—2021年检泵原因分析对比见表1。

表1 2019—2021年检泵原因分析对比Tab.1 Analysis and comparison of pump inspection reasons from 2019 to 2021 次

3.2 躺井数明显下降

经过近两年的运行，通过精准配备防冲距，建立防冲距台帐，完善抽油井完井作业规范操作及监督要点，跟踪示功图，及时调整抽油井参数等措施。2021年初，某井区躺井较往年同期减少50%，躺井较上年减少39井次，整个井区检泵周期平均延长18 d，取得了年初生产任务的主动权。提高生产时率的增油效益可观，提质增效效果突显。

3.3 建立防冲距台账，实现抽油井精细化管理

建立并完善防冲距台账，实现抽油井精细化管理，防止防冲距过大造成泵效下降或防冲距过小造成碰泵导致的杆柱过早疲劳断裂，延长检泵周期[9]。规范抽油井维修完井流程，预防井口不正导致光杆无法对中或维修完井后反复对中；避免抽油杆短节接箍挂碰井口[10]。与同期相比，二次调整防冲距井数减少76井次，节约施工费用1.52万元。

2020年3月至2021年12月，调整防冲距共计712井次，平均每口井提高开井时率2 h，增油效益16.94万元；节约井下作业成本47井次255.4万元；减少产量损失104.5万元；合计创效376.8万元。

4 结语

在抽油井管理中，要通过强化参数优化、优化技术设备，多措并举降低采油井系统能耗，提高抽油泵效。抽油泵在实际作业过程中难免会爱到诸多外界因素的影响，因此有必要采取积极的措施，减少其对抽油泵的影响。抽油井完井作业精细化管理在采油生产单位协作管理上实现了目标统一化、工程、地质一体化、生产管理精细化三大特点，使该项工作从制度规范向体系化、系统化深入，使管理方式和管理理念发生了重大转变，管理效率明显提升。这种全新的管理模式，在陆梁油田取得成功，已形成独特的“石南模式”，形成制度规范，提高现场劳动效率与数据的精准度，在陆梁采油站、玛东采油站推广应用也取得良好效果。对油田公司提质增效具有借鉴意义，应用前景广阔。