玻璃钢抽油杆技术性能与应用探讨

胡业文,郭建设,冯 鼎,冯耀忠

(中石化胜利油田分公司纯梁采油厂,山东博兴256504)

玻璃钢抽油杆技术性能与应用探讨

胡业文,郭建设,冯 鼎,冯耀忠

(中石化胜利油田分公司纯梁采油厂,山东博兴256504)

介绍了国内外玻璃钢抽油杆技术的研究现状。玻璃钢抽油杆具有质量轻、强度高、弹性大、抗腐蚀和抽油时具有超行程等优点;可使抽油机驴头载荷降低37.5%,油井增产75%;可不更换抽油设备而增大抽吸参数;可使有杆泵抽油设备适用于超深井、斜井和严重腐蚀油井。设计玻璃钢杆柱和确定其工作制度时,必须考虑载荷系数、频率系数和阻尼系数对冲程长度的影响。

玻璃钢抽油杆;性能;应用;现状

有杆泵采油是国内外广泛采用的一种采油方式,抽油杆柱是其关键部分,钢抽油杆柱有很多致命的弱点,玻璃钢抽油杆近年来已逐步应用于油田。为了优化玻璃钢抽油杆杆柱组合和使用条件,进一步提高其使用性能和扩大应用范围,国内外对玻璃钢抽油杆的性能和使用条件进行了广泛研究。

1 美国对玻璃钢抽油杆的研究

1.1 矿场试验[1]

世界上首先开发和使用玻璃钢抽油杆的是美国。对配备玻璃钢杆的有杆抽油设备的最初研究是在1 274～1 952 m井深的11口井进行的。试验是在抽油杆柱下端采用玻璃钢杆取代钢杆,玻璃钢杆占杆柱总长的8.8%～16.6%,以保证其应力不变。试验表明,采用玻璃钢杆是合理的,它有足够高的强度和弹性。同时确定今后的发展方向是开展有针对性的研究,优化其材质、结构、杆柱组合和使用条件。

表1给出了配备玻璃钢杆的有杆抽油设备在美国油田的对比试验结果,可以看出,采用玻璃钢杆可使驴头最大载荷降低37.5%,油井平均增产75%。

为了对比钢杆和玻璃钢杆的使用性能,美国在克雷恩油田进行的工业应用试验更具有代表性。试验在880口油井上进行,其中在219口油井的杆柱中配备了玻璃钢杆,试验结果如表2。由表2可以看出,219口采用玻璃钢杆杆柱组合的油井比661口钢杆柱油井平均增产32%,单位耗电量的采液量增加60%;玻璃钢杆组合杆柱比钢杆柱平均100口 油井的断裂故障率下降57%。

表1 美国某油田玻璃钢抽油杆和钢杆对比试验结果

表2 美国某油田880口有杆泵井对比试验结果

1.2 超行程效应

采用玻璃钢杆柱油井增产的一个重要原因是其超行程效应。玻璃钢的拉伸弹性模量比钢小71%～75%,承载时的弹性变形较大。通常,杆柱在下行时会因自重力产生初始变形,上行时会因自重力及抽吸液引起弹性变形,在计算配备有玻璃钢杆杆柱的初始长度时,应考虑其初始变形,且由抽吸液质量引起的杆柱变形会使柱塞冲程长度小于光杆。为此,引入一个以柱塞和光杆冲程长度比 S1/S2表示的无量纲冲程长度D,D又可用无量纲负载系数A、无量纲频率系数B和无量纲阻尼系数C求出,其中A表示为

式中,Fjy为井液质量引起的载荷;K为杆柱刚度。

由于杆柱上行时由井液质量产生的载荷逐渐减小,由此产生的弹性变形也减小。这时杆柱在传动装置作用下固有频率的振动将发挥最重要的作用。为了描述杆柱的振动过程,引入杆柱在传动装置作用下的振动频率 N1与固有频率 N2之比表示的无量纲频率因数B。因井液阻力,杆柱还会产生阻尼系数C,C是实际和理论阻尼之比,即

由此,整个系统的无量纲冲程长度可表示为

钢杆柱负载系数A通常为0.1～0.5,玻璃钢杆柱为0.5～0.7。当负载系数A增大时,D减小。钢杆柱的频率因数为0.10～0.45,相当于冲程长度为1.00～1.15 m[2]。玻璃钢的刚度小于钢,玻璃钢杆的固有频率也小于钢杆柱,因此在相同振动频率下,传动装置可使玻璃钢杆柱在更接近于谐振状态下使用。由于玻璃钢杆柱的频率因数为0.45～0.80,因此可保证冲程长度<2.30～2.50 m,即便考虑上行时的杆柱伸长,也能保证柱塞冲程长度大于光杆。

钢杆柱与玻璃钢杆柱的无量纲阻尼系数相同,其变化范围均为0.1～0.2。在钢杆柱的频率因数下使用,阻尼对冲程长度参数的影响不大;在玻璃钢杆柱的频率因数下使用,阻尼系数 C减小,冲程长度急剧增大。因此,在校核玻璃钢杆柱和确定其工作制度时,必须考虑 A、B、C的共同作用以及对D的共同影响。应合理选择使用的频率因数,使其最大限度地接近共振区,以使阻尼系数 C最小。此外,还应考虑光杆冲程长度、泵、柱塞直径及杆柱刚度,以保证优化采油要求的负载系数A。

考虑上述因素后,加拿大石油公司在阿尔伯塔省的尼皮萨油田采用了玻璃钢杆杆柱,结果使油井产油量由80 m3/d增至120 m3/d。

1.3 深井采油试验

1.3.1 在深井中应用

在深井中使用钢杆柱有时会发生严重问题[3]。美国西德克萨斯1口3 836 m的油井在自喷转抽时,采用钢杆柱抽油系统生产22个月,因井太深和使用条件复杂,发生了4次断杆事故,后改用喷射泵等采油方式也未能成功。1988年采用配备有玻璃钢杆的杆柱,泵深3 810 m,泵径«27 mm,光杆冲程4.667 m,冲次8 min-1,杆柱由50%的«31.75 mm玻璃钢杆和下部50%的钢杆组成。该组合杆柱可保证在选定的工作制度下,由超行程效应使柱塞冲程接近4.978 m,即,无量纲冲程长度系数 D= 1117。玻璃钢杆的最大使用应力为最大许用应力的53%。在4.5 a的时间内,油井一直正常稳定生产,并极大地降低了采油费用。

1.3.2 在高产井中应用

美国克列尔福尔克公司的一些油井采用钢杆柱达不到要求的产量,因油井太深钢杆柱会失效。为解决这一问题,用计算机程序为这类油井设计了玻璃钢杆柱。表3给出了在同一口油井采用钢杆柱和玻璃钢杆柱抽油系统的对比试验结果。由表3可以看出,在地面设备和泵径不变的情况下,采用玻璃钢杆柱光杆的最大载荷与以前相同,光杆冲程缩短。由于超行程效应,柱塞的冲程长度增大,使油井产液量增加23%,油井增油70%,单位采液量耗电下降20%。试验表明,超行程可使油井产油量大幅度提高,单位耗电的采液量增加,杆柱断裂次数减少,用于开采条件复杂的深井、斜井和高产井最有效。

表3 美国某石油公司钢杆柱和玻璃钢杆柱对比试验结果

由于玻璃钢杆柱具有高弹性,只要采用保护器保证其使用应力恒定,并正确选择杆柱组合和使用模式,就可有效地应用于斜井[2]。美国人认为井身的临界弯曲区为每30.5 m>3°。为了评价井身弯曲对玻璃钢杆柱使用性能的影响,选择有临界弯曲的斜井492和659二口斜井进行试验,其中492井在200～300 m井段的井斜变化为10°,659井在0～180 m井段的井斜变化为21.5°,2口井每30.5 m井段的井斜角变化分别为3.06°和3.64°,其中,659井的检测无故障生产时间为1 120 d,而在采用玻璃钢杆柱以前该井的抽油杆柱平均年断裂3次,869井为1 167 d,采用玻璃钢杆柱以前杆柱6个月断裂2次。这2口井的试验结果表明,玻璃钢杆柱具有很大的承受极限弯曲的能力,在斜井中有很好的使用性能。

2 俄罗斯对玻璃钢抽油杆的研究[1]

俄罗斯巴什基尔石油公司乌发石油开采管理局在1989-06首次对玻璃钢杆进行矿场试验,试验机型和参数为:井深3 193 m,泵深1 384 m,抽油机型号 НН16-32,泵型号UP-9,油管直径«73 mm,光杆冲程2 m,冲次6.5 min-1。杆柱组合:«25.4 mm、长度 9.1 m的玻璃钢杆 77根,总长 701 m; «19 mm、长度 8 m钢杆 69根,总长 552 m; «22 mm、长度8 m钢杆16根,总长128 m。产液量4.5 m3/d,检测的无故障生产时间360 d。结果表明井下使用是成功的。

对1 000 mm和800 mm的玻璃钢杆样品进行了台架试验,结果如表4。可以看出,同型号的玻璃钢杆质量比钢杆轻63%,玻璃钢杆的弹性模量比钢杆小72%;玻璃钢杆有较高的拉伸和弯曲强度。

表4 俄罗斯某石油公司玻璃钢杆和钢杆台架试验结果

3 玻璃钢杆柱的载荷水平评价

美国石油学会推荐根据最小循环应力与最大许用应力之比σmin/[σmax]来评价玻璃钢杆柱的载荷水平,但还应考虑玻璃钢杆的使用寿命还取决于系数M,即,拉伸周期的实际最大应力与许用最大应力之比σmax/[σmax]。通常,玻璃钢杆最好在 M≤0.85的范围内使用。

为简单地评价玻璃钢杆的载荷水平,推荐采用循环载荷系数 K来表述周期载荷与静态载荷的破坏应力之比。首先设定杆柱破坏前的循环次数 N,根据循环次数lgN与循环载荷系数 K的关系确定σN的初始值,然后用公式进行计算,即

式中,[σ]为奥金格许用折算应力,MPa;KA为安全系数。

4 结论

1) 玻璃钢杆柱有高的连接强度和弹性,其质量比钢杆轻得多,可不更换地面抽油设备,通过下入大泵和小泵深抽来提高油井产量。

2) 玻璃钢杆柱可用于井深4 000 m以上油井的有杆泵采油,并可延长有杆泵在高含 H2S、CO2和水的油井中的使用寿命。

3) 玻璃钢杆柱质量轻,可使抽油机驴头载荷减小37.5%,每单位耗电的举升液量增加60%。

4) 采用玻璃钢杆可使杆柱的断裂次数下降57%,延长有杆井的免修期,并可因超行程效应使油井增产75%。

5) 玻璃钢杆柱可用于临界弯曲的斜井采油,保证斜井正常生产,延长免修期4 a以上。

6) 在设计玻璃钢杆柱和确定其工作制度时必须考虑载荷系数、无量纲频率因数和无量纲阻尼系数对无量纲冲程的影响。

[1] ПААл и е в с к и й. и д р. Н а с о с н ы е ш т а н г и и з с т е к л о п л а с т и к а[J].Н е ф т.Х -в о,2004(12):62-66.

[2] 栾国华,杨 志,于志刚,等.玻璃钢-钢混合抽油杆合理组合范围分析[J].石油矿场机械,2008,37(7):46-49.

[3] 赵焕卿.抽油杆断裂失效分析[J].石油矿场机械, 2007,36(7):60-61.

Investigate for Service Function and Application of Glass Steel Sucker Rod

HU Ye-wen,GUO Jian-she,FENG Ding,FENG Yao-zhong
(Chunliang Oil Production Plant,Shengli Oilf ield Company,Boxing256504,China)

This paper introduces the foreign researches of serviceability for glass steel sucker rod. The results indicated that pumping unit horse head load was reduced by 37.5%and oil well production was increased by 75%.The previous pumping unit raised pumping parameters,the rod pumping system was suited to overdepth well,inclined well and serious corrosive well.When design of glass steel sucker rod string and determine of the working system,consideration must be taken the impact of loading factor,frequency factor and resistive factor to the stroke length.

glass steel sucker rod;serviceability;application;current situation

1001-3482(2010)01-0035-04

TE933.2

A

2009-07-06

胡业文(1963-),男,山东淄博人,工程师,2000年毕业于中国石油大学石油工程专业,从事机械采油和油田注水的技术管理工作,E-mail:cllfyz@163.com。