抽油机井杆柱两级组合节能探讨*

姚庆童 王建英 毛玲 谢莲英 毛建军 付宪

（1.华北油田公司第五采油厂；2.华北油田公司第一采油厂；3.华北油田公司勘探开发研究院；4.华北油田公司二连分公司）

设计抽油杆柱组合时，若设计的杆柱强度过大，会浪费材料，增加成本；反之，强度过小，导致偏磨破坏。高强度二级杆柱组合的杆柱较细，质量较轻，容易满足强度要求，达到节能降耗的目的。姚春冬等人[1]使用API 方法以及由四杆机构传动效率及井下功率损失的计算公式计算得出，抽油杆柱越重，抽油机四杆机构效率越低、井下功率损失越多，因而抽油机系统耗电增加。井下载荷的大小是决定抽油机能耗的关键，在设计时尽量选择质量较轻的抽油杆柱组合来减轻举升载荷。通过使用高强度的二级杆柱组合代替常用的三级杆柱组合，现场运用后杆柱质量可减少17.1%，耗电量减少11.77%。

1 杆柱设计

通常抽油杆按直径大小可分为：Φ 13、Φ 16、Φ 19、Φ 22、Φ 25、Φ 29 等规格。抽油杆柱的设计内容为：杆柱的选材、直径和长度的组合。为了抽油杆能够安全地工作，当井深不断增加时，要选择不同直径的抽油杆，即采用多级杆形式。通过应用API 设计方法合理优化杆柱组合[2]，在确定材质的前提下，采用等强度方法计算抽油杆的最大许用应力和最大应力，考虑一定的安全系数，确定抽油杆型号和最合理的多级杆组合比例，最大限度地延长抽油杆的使用寿命。

1.1 设计依据

作为抽油机井最常用的三级组合即D级Φ 25 mm杆+HY 级Φ 22 mm 杆+HY 级Φ 19 mm 杆的三级组合方式，已经得到了广泛的应用。但是，随着科技的不断进步，高强度的HY 级杆可以应用到二级杆柱组合中，通过放弃使用D 级Φ 25 mm 抽油杆，使用HY 级Φ 22 mm +Φ 19 mm 抽油杆的两级组合方式，达到减轻杆柱负荷的目的。与普通的D 级杆相比，HY级高强度抽油杆具有较高的表面硬度（HRC42～58）和较高的抗拉强度（980～1200 MPa），替代原来的D 级抽油杆降级使用后，可减轻杆柱质量20%，减少体积26%，降低悬点载荷，减少功率消耗；增大油流空间，改善杆管的受力状况。

1.2 二级组合设计

1）泵挂深度的确定。通过地层压力决定静液面高度和采液强度基准，再根据油井液体的性质，确定合理的采油压差和沉没度，然后依据沉没压力和井底流压确定泵挂深度。

2）设计方法。抽油杆柱组合的设计方法有多种，目前油田常用API方法设计抽油杆柱。建立应力-强度干涉模型，针对不同油井的地质特点、原油物性等条件，由静强度、常规疲劳强度设计，引用动强度设计，从抽油杆柱微段的载荷计算，利用计算机数值计算，编制API函数抽油杆柱组合设计计算机软件。API 方法给出了各种情况下的等强度抽油杆柱组合，从中选择杆柱质量较轻的HY 级Φ 22 mm、Φ 19 mm杆的二级组合。

3）配套应用。为了能够有效地缓解抽油杆柱下部受压产生的弯曲变形，通过添加加重杆[3]，可改善抽油杆偏磨状况，减少偏磨断裂的概率；井斜时需采用内衬油管与双向接箍；并且依据不同的油井采取相应的防蜡、防腐措施。

2 现场应用

102 号油井，原井抽油杆组合为D 级Φ 25 mm杆338 m+HY级Φ 22 mm杆595 m+HY级Φ 19 mm杆658 m+Φ 42 mm加重杆36 m，最大载荷76.4 kN。

2012年1月，根据油井原油含水86.9%，原油密度9697 kg/m3，抽油杆使用系数0.9和地质方案要求（液面1400 m，液量10 m3）进行作业施工。

设计泵径38 mm，泵深1650 m，使用API 方法进行设计，在给出的抽油杆柱组合设计中选择较轻的二级杆柱组合，即HY级Φ 22 mm杆936 m+HY级Φ 19 mm杆664 m+Φ 42 mm加重杆36 m的杆柱组合方式。最大载荷67.6 kN，作业前后示功图见图1。

图1 作业前后示功图

表1 杆柱组合参数

从表1可以看出，相较于该井之前运用的三级杆柱组合，二级杆柱组合的抽油杆柱重力由46.2 kN降低至38.3 kN，抽油机杆柱重力下降17.1 个百分点，抽油机耗电量减少率为11.77%。可见，使用二级杆柱组合具有明显的节能效果。

3 结论

1）抽油杆柱组合对抽油机井耗电有较大影响的原因，在于抽油杆柱质量直接影响抽油机系统的地面效率和井下功率损失。

2）抽油机工作时，四杆机构的平均传动效率随着悬点载荷的增加而降低，抽油机井井下功率损失与抽油杆柱载荷成正比。也就是说，满足强度要求设计的杆柱，尽量选择杆柱质量轻的抽油杆柱组合。

[1]姚春冬,徐秀芬,张玉生.抽油杆柱组合对抽油机井能耗的影响[J].大庆石油学院学报,1996(2):72-75.

[2]佟丽春.应用实用节能技术降低抽油机井能耗[J].内蒙古石油化工,2013(18):101-102.

[3]龚雪,张树江,李鹏,等.抽油杆柱的组合设计[J].当代化工,2012(3):280-281.