南堡1-29断块抽油井杆管偏磨综合治理

鲁娟党，刘 鑫，于 斌，陈 强，王 伟，徐向雲

（冀东油田南堡油田作业区采油二区，河北唐海063200）

南堡1-29断块抽油井杆管偏磨综合治理

鲁娟党*，刘 鑫，于 斌，陈 强，王 伟，徐向雲

（冀东油田南堡油田作业区采油二区，河北唐海063200）

南堡油田1-29断块由于井斜大，泵挂深，综合含水逐年上升等特点，致使抽油杆、油管在井下的工作环境日益恶劣，杆管偏磨问题十分严重，造成油井作业频繁、检泵周期短、作业成本增加。通过对南堡油田抽油井杆管偏磨的原因进行分析，认为造成杆管偏磨的因素主要有井身结构弯曲、杆柱载荷变化、生产参数不合理、采出液含水高等。为此，结合生产实际提出了优化杆管组合、优选井下工具、调整合理的生产参数等措施。通过综合防治措施在现场的应用，大大减缓了杆管的偏磨，检泵周期延长了152d，取得了较好的防偏磨效果。

偏磨；油管；抽油杆；综合治理；南堡油田

有杆泵采油是利用抽油杆柱在油管内上下往复运动带动井下抽油泵工作进行采油，理论上只要各参数设计合理，抽油杆只是在油管的中心做上下往复运动。但在实际现场的应用中，由于抽油杆与油管之间存在相对位移，必然产生杆管间的相互接触摩擦，从而造成油管、抽油杆的磨损，而且随着油田的开发，油井综合含水的不断上升，泵挂越来越深，工艺越来越复杂，抽油机井杆管偏磨井数在不断增加，抽油杆断脱比例上升，检泵周期缩短，作业费用增加[1]。对2012年南堡1-29断块25口检泵井进行统计分析，因杆管偏磨导致检泵共18井次，占72%，18口井平均检泵周期仅为187天，杆管偏磨已成为影响南堡1-29断块抽油机井正常生产的主要原因。因此，分析杆管偏磨规律，采取相应的治理措施，对于减缓抽油机井杆管偏磨，提高泵效，延长抽油机井的检泵周期是十分必要的。

1 抽油井杆管偏磨现状调查

对南堡油田1-29断块18口偏磨井进行现场分析，对偏磨位置及形状进行了现场调查。18口偏磨井平均泵挂2045m，其中泵挂超过2200m的13口，占72.2%，18口井的综合含水61.2%。从偏磨的深度范围来看，杆管偏磨最突出的井段多位于杆柱底部，12口井均在泵上部0-600m存在偏磨现象，而泵筒上350m范围内偏磨最为严重，9井次的偏磨发生在这一范围内，占75%。从偏磨井生产参数来看，偏磨严重井的冲次普遍较快，平均冲次为2.7次，较其它井快1.4次。从偏磨井井身结构来看，偏磨井杆管所在位置的平均井斜为46.2°，较其它井大5.4°，处于斜井段的杆管长度为820m，较其他井长86m。从偏磨的形貌看，抽油杆表现为接箍或本体一侧或两侧被磨平，严重的可将抽油杆母扣全部磨掉，将公扣磨平；油管偏磨表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽，甚至被磨出一条裂缝。

2 杆管偏磨影响因素分析

2.1 井身结构的影响

由于井身结构的影响，油层套管会在某一井段存在螺旋弯曲，油管下入后随着套管弯曲也处于一种弯曲状态或曲线状态，完全受井身结构的影响，抽油杆也随着弯曲或紧贴于油管壁上，造成杆管之间的摩擦[2]。当油井正常生产时，杆管之间的磨阻很大，特别是抽油杆接箍处容易受到磨损，从而造成杆管偏磨。随着井斜角的增加油井偏磨的几率不断增加[3]。南堡1-29断块18口偏磨井平均泵深2045m，平均最大井斜角41°，平均最大全角变化率为3.4°/25m，泵挂深、井斜大、全角变化率大是造成南堡1-29断块抽油机井偏磨的直接因素。

2.2 杆柱交变载荷的影响

抽油杆上行时，抽油泵游动阀关闭，油管受力主要为自身重力、油管在液体中的浮力、抽油杆柱与油管内壁的摩擦力、柱塞与泵筒的摩擦力、液柱与油管内壁之间的摩擦力，这些力的合力作用在油管上存在中合点，中合点以下油管受压发生螺旋弯曲，此时抽油杆柱因受较大的张力而基本保持直线状态，从而使抽油杆柱与螺旋弯曲的油管每隔一定距离就相互接触而发生偏磨。

抽油杆下行时，抽油杆柱主要依靠自身向下的重力克服上冲程产生的向上的惯性力、抽油杆柱下行产生的摩擦阻力、液体的浮力、衬套与柱塞间的摩擦力以及采出液流过游动阀的阻力，这些力作用在抽油杆上，也存在一个上下力平衡的中合点。抽油杆在运行中存在弯曲失稳的现象，从而产生横向分力，形成动力失稳，当杆体上的周期压载频率与压杆的横向自振频率之间的比值达到一定值时，压杆发生剧烈的横向振动，也就是说抽油杆柱发生失稳的实质是抽油杆柱在运动中受压弯曲失稳造成的。

根据材料力学欧拉公式计算抽油杆失稳弯曲力P的计算公式为：

P=(π3Ed4)/64H

式中：E——常数，E=20.5947×104；

d——抽油杆直径,mm；

H——抽油杆长度,m。

由上式可以看出，H越大，失稳力P越小，即抽油杆越长，杆柱越不稳定，容易发生弯曲，抽油杆柱底部第一根抽油杆极易失稳弯曲。从理论上解释了现场泵上0～600mm均发生杆管偏磨，且在0～350m这段偏磨特别严重的根本原因。

2.3 生产参数对杆管偏磨的影响

在有杆泵井工作过程中，不合理的生产参数对有杆泵工况及抽油杆、油管寿命影响很大，会使杆管偏磨状况进一步恶化[4]。理想状态下当冲程、冲次、杆柱组合等参数选择合适时，抽油杆的全部重量应该加载到抽油机悬绳器上，抽油杆行进速度与悬绳器速度同步，抽油杆柱始终处于拉伸状态。实际上，在抽油机下冲程时，抽油杆柱受井底液体阻尼作用和各类摩擦力及杆柱组合不合理造成的杆柱受力状态不同，相当一部分抽油杆包括活塞滞后于悬升器运行速度，特别是中和点以下的抽油杆全部处于受压状态，容易产生弯曲变形。

在发生偏磨的油井中，有杆泵的冲程长度和冲次大小对杆管的偏磨影响较大。冲程越短，偏磨部位也就越小；冲次越高，相同工作时间内偏磨的次数就越多，磨损时的相对运动速度也就越大，这样抽油杆柱下行阻力也就越大，将加剧抽油杆的弯曲变形程度，从而加剧了杆管的偏磨。

抽油杆柱下行时的惯性载荷Fg的计算公式为：

Fg=WrSn2(1-E)/1790

式中：Wr——抽油杆柱的重力,N；

S——冲程,m；

n——冲次,次/min；

E——常数。

从上式可以看出Fg与冲次n成平方关系，与冲程S成正比例关系，因此冲次对惯性载荷Fg的影响远大于冲程，而且随着抽吸速度的增加，抽油杆柱下行阻力增大。

2.4 沉没度对杆管偏磨的影响

沉没度过低时，抽油机上冲程时井底液体不能充满泵筒，游动阀下面留有气穴，抽油杆下行时，柱塞撞击液面瞬间，游动阀不能及时打开[5]，下行速度发生瞬间突变，抽油杆柱的动量必然发生急剧变化，从而造成抽油杆的瞬间弯曲，这种弯曲会导致杆管偏磨和抽油杆断裂。实践证明，抽油泵在较低和较高的充满程度下液击载荷均较小，而在充满程度50%左右时液击载荷最大。当油井供液充足，动液面较浅，泵的沉没度过高时，不仅增加了杆管接触面积，加重了抽油机载荷，而且在抽油杆下行过程中，由于井底流压高，固定阀不能及时关闭，液体冲击力作用于泵柱塞，使抽油杆柱下行阻力增加，承受的弯曲载荷增大，加剧了抽油管的偏磨。

2.5 采出液性质对杆管偏磨的影响

2.5.1 高含水对杆管偏磨的影响

南堡1-29断块采用注水驱油的开采方式，随着油田的不断开发，油井产出液的综合含水逐年上升。产出液含水越高，偏磨越严重。原因是产出液含水率低时，杆管摩擦面处于良好的油润滑状态，动摩擦因数较小，磨损较轻；产出液含水高时，杆管摩擦处于水润滑状态，动摩擦因数大大增加，加快了杆管磨损。在理想状态下，当产出液含水大于74.02%时产出液由油相转为水相[6]，动摩擦因数加大，由原来的油包水型转换为水包油型。杆管摩擦的润滑剂由原油变成了水，失去了原油的润滑作用，产生水与金属直接接触，动摩擦因数加大，增大了杆管之间的摩擦力，使杆管的磨损速度加快。南堡1-29断块产出液含水大于74.02%的有杆泵井共有8口，均存在偏磨现象。

2.5.2 腐蚀介质的影响

南堡1-29断块有杆泵井产出液的矿化度一般在4000mg/L左右，产出液中Cl-、HCO3-、S2-、游离的CO2和细菌等含量较高，在加上适当的温度，存在如下反应[7-8]：

CO2+H2O→H++HCO3-；

CO2的含量越高，产出水中H+越多，pH值越低，产出液呈弱酸性，具有腐蚀性。且当水中H+含量增加时，会与S2-反应生成H2S，反应式如下：

2H++S2-→H2S↑

H2S为强腐蚀性气体。与Fe存在如下反应：

Fe+H2S→FeS↓+H2↑

同时产出液中的腐蚀还原菌可在烃类物质条件下把水中的SO42-还原成S2-，从而加快杆管偏磨腐蚀。杆管表面更粗糙，磨损也更为严重。偏磨和腐蚀相互作用，相互促进，二者结合具有更大的破坏性。

3 杆管偏磨的防治措施

3.1 优化杆管组合

（1）在抽油泵上接一部分加重抽油杆，加重杆可以有效地减少抽油杆下行阻力，一方面可以将上部抽油杆拉直，另一方面可以利用其抗压临界载荷大、不易弯曲的特点，使杆柱中和点下移（合理下移至加重杆内），避免下部抽油杆受压弯曲导致杆管偏磨。加重杆外径大刚性好，承受相同载荷时不易变形弯曲，达到防偏磨的目的。

（2）增加泵下尾管长度，使泵上油管所受的预拉力增加，以免在上冲程时泵上油管受压弯曲导致杆管接触磨损。

（3）在检泵作业过程中，一方面在活塞上部增加或者去掉一个冲程长度的抽油杆短节，改变抽油杆接箍与油管的磨损位置，使磨损均匀，以延长杆管使用寿命；另一方面分段调整抽油杆和油管的位置，使原来处于严重磨损位置的杆管调至磨损较轻或者不磨损的位置。

3.2 优选井下工具

3.2.1 应用斜井杆

有杆泵斜井杆是指在普通抽油杆上铸的塑料扶正块，每根铸3个扶正块，在杆柱组合设计中主要用在造斜井段、降斜井段及井斜轨迹较差的其它井段，在减轻杆管偏磨方面效果明显。

3.2.2 安装自旋式尼龙扶正器

自旋式尼龙扶正器具有扶正、防偏磨、刮蜡、助抽增油的作用，是一种提高泵充满系数的工具，相当于在抽油杆上安装了多个提油活塞，这种分段提油的方法，大幅度减少了抽油泵上的液柱压力，减小了漏失，有效缓解斜井抽油杆和油管内的偏磨。

3.2.3 安装自动变斜面接触式扶正器

自动变斜面扶正器具有防止在油井开发过程中由于井斜问题造成的偏磨，有效保护抽油杆、油管。由于扶正器本体与接箍中轴并非是紧密接触，而是有一定的间隙，使扶正器本身可以旋转，并可沿轴向作一定角度的倾斜。随着抽油杆不断的上下往复运动，具有椭圆形横截面的扶正器本体外表结构设计保证它可以径向旋转和轴向倾斜，在运行过程中可以随油管的弯曲变化自动调整倾斜角度，确保扶正器最大的圆弧面始终保持与油管壁面接触，能有效缓解抽油杆与油管的偏磨。

3.2.4 应用AOC双向保护接箍

双向保护接箍是在普通接箍上涂覆一层AOC-160耐磨、耐蚀、减摩涂层。AOC-160涂层特有的成份在涂层（接箍硬表面）与油管（软表面）摩擦过程中，以片状形式转移到油管表面，在接箍和油管摩擦过程中该片状物的存在降低了接箍和油管之间的摩擦系数，保护和减缓了油管表面的磨损，起到了片状减磨的作用。

3.2.5 使用耐磨内涂层油管

针对南堡油田1-29断块油井杆管偏磨这一实际情况，在抽油杆和油管接触表面进行喷涂耐磨涂层，试验证明，经喷涂处理的油管与抽油杆进行摩擦时，耐磨性能较好，摩擦系数与磨损率都较低。

3.2.6 安装油管和抽油杆自动旋转装置

对于井斜大、偏磨严重的油井，尽管安装了扶正器，使用耐磨内涂层油管，但是油管与扶正器间长时间的偏磨最终导致管柱失效。对此类井，使用油管和抽油杆旋转装置，能大大改善偏磨效果，在抽油杆和油管上分别安装自动旋转装置，生产过程中油管和抽油杆旋转过程不同步，其被磨损面从19°～21°扩大到360°，杆管之间的线摩擦通过杆管的不同步旋转变为面摩擦，能使油管和抽油杆四周均匀磨损，防止杆管在同一位置重复磨损造成偏磨，延长杆管的使用寿命，同时有效防止抽油杆脱扣。

3.3 调整合理的生产参数

（1）在偏磨井中，应在满足深井泵产液量要求的前提下[9]，尽量采用“长冲程+慢冲次”和小泵径生产，从而增大油管与抽油杆的磨损面积，降低惯性载荷及悬点最大载荷，减少偏磨次数，使磨损均匀，延长抽油杆和油管的使用寿命。

（2）保持足够的沉没度才能得到较高的泵效，同时降低杆管偏磨的影响，对沉没度大于300m的抽油井可上提泵挂或换大泵提液，既减小杆管接触面积，同时也减轻抽油机载荷，使磨损减轻[10]。

（3）低产低效井的泵的有效工作时间占其工作时间比例很小，泵效极低，对这类井利用液面恢复曲线方程，计算出最合理的停开抽周期，在采取间开生产，在产液量变化不大的情况下，大大减少了井下抽油杆与油管之前的相互磨损时间，延长杆管使用寿命。

通过以上综合治理方法的实施，南堡1-29断块33口抽油井平均冲程5.5m，冲次1.4次/min，减小了偏磨，降低了躺井，延长了检泵周期，与2012年相比，2013年抽油井开井率提高了3.7%，检泵周期延长了152d。

4 结论

（1）南堡油田1-29断块有杆泵井抽油杆和油管偏磨主要是由泵挂深、井斜大、杆柱载荷变化、生产参数大、沉没度不合理、采出液性质等因素引起的。

（2）优化抽油杆和油管的组合、优选和应用井下防偏磨工具、安装抽油杆和油管井口自动旋转装置等能有效地防治杆管偏磨，延长杆管使用寿命及油井的检泵周期。

（3）防治抽油杆和油管的偏磨的是一个综合治理的过程，具体应用哪些防偏磨措施，应根据油井的实际情况，有针对性地选择几种防偏磨措施进行同时实施，才能达到防治有杆泵杆管偏磨的最佳效果。

（4）在满足泵排量和泵效的情况下，合理的生产参数（长冲程+慢冲次）可有效的减缓抽油杆和油管磨损，达到延长检泵周期的目的。

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TE355

B

1004-5716(2015)06-0038-04

2014-05-27

鲁娟党（1982-），男（汉族），陕西武功人，工程师，现从事油田开发工作。