控制抽油机井杆断率的措施研究

穆菲（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

抽油杆在生产过程中传递动力时，位置会发生变化，抽油杆的负荷也会随之发生变化。上下冲程中抽油杆受力差别大，导致抽油杆在交变载荷的作用下进行周期性的往复运动。在运动过程中，受到液柱载荷、惯性力、抽油杆所承受的重力、抽油杆弹性而引起的振动力，当受力不均时易导致抽油机井杆断。

1 聚驱抽油机井抽油杆杆体断原因分析

1.1 载荷对抽油杆的影响

1.1.1 抽油机井载荷运行情况分析

首先对2014年6月全矿开井抽油机井的载荷运行情况进行统计分析，对比理论载荷与实际载荷的运行差值（表1）。

表1 第五油矿2014年6月载荷运行情况统计

通过对比分析，全矿开井抽油机井的实际平均交变载荷与理论平均交变载荷相比超出12.73 kN，其中水驱平均超出9.94 kN；聚驱平均超出16.79 kN。

其次对2014年上半年抽油机井杆断作业井作业前的正常载荷运行情况进行统计分析，对比理论载荷与实际载荷的运行差值（表2）。

表2 第五油矿2014年上半年杆断作业井载荷运行情况统计

通过对比分析，抽油机井杆断作业井的实际平均交变载荷与理论平均交变载荷相比超出25.74 kN，其中水驱平均超出16.25 kN；聚驱平均超出30.99 kN。

同时对比抽油机井杆断作业井与正常运行井的载荷变化情况，实际平均交变载荷超出18.32 kN，其中水驱平均超出10.76 kN；聚驱平均超出15.99 kN。可见，载荷大是导致抽油机井杆断作业的一个重要因素。

1.1.2 抽油机井交变载荷分级统计分析

首先对2014年6月全矿开井抽油机井的交变载荷运行情况进行分级统计（表3）。

表3 第五油矿2014年6月交变载荷运行情况分级统计

通过对比分析，全矿开井抽油机井的实际平均交变载荷在50 kN 以上井139 口，占总井数的15.4%；其中水驱15 口，聚驱124 口。

其次对2014年上半年抽油机井杆断作业井作业前的正常载荷运行情况进行分级统计（表4）。

表4 第五油矿2014年上半年抽油机井杆断作业井交变载荷运行情况分级统计

通过对比分析，抽油机井杆断作业井中平均交变载荷在50 kN 以上作业井114 井次，占抽油机井杆断作业总井数的57.29%。说明交变载荷在50 kN以上时，抽油机井杆断的概率较大。可以推测，现运行交变载荷在50 kN 以上的139 口抽油机井有杆断作业的可能性。

1.1.3 抽油杆实际应用强度分析

为了验证目前在用抽油杆的强度是否达到实际需求，在杏一～三区西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ块有过杆断历史的油井应用玛尔卡维茨公式，计算出抽油机井杆断前正常时的抽油杆相当应力，与许用相当应力对比。

得玛尔卡维茨公式：

式中：

Pmin——最小载荷，kN；

Pmax——最大载荷，kN；

σmin——最小循环应力，MPa；

σmax——最大循环应力，MPa；

σα——应力幅，MPa；

σm——平均应力，MPa；

f ——抽油杆截面积，m2；

σ′——相当应力，MPa。

对2014年上半年全矿抽油机井杆断作业井抽油杆的相当应力进行计算，分级统计相当应力的变化范围，分析抽油机井杆断井的井下抽油杆使用情况（表5）。

由表5 可以看出，2014年上半年抽油机井杆断作业井中，抽油杆相当应力超过许用相当应力（90 MPa）作业井101 井次，占杆断作业总井数的50.75%。其中水驱10 井次，占水驱杆断作业总井数的14.08%；聚驱91 井次，占聚驱杆断作业总井数的71.09%。说明聚驱抽油机井井下抽油杆超出自身许用相当应力是导致抽油机井杆断作业的一个因素。

表5 第五油矿2014年上半年抽油机井杆断作业井抽油杆相当应力运行情况统计

1.2 冲速对抽油杆的影响

1.2.1 冲速与抽油杆运行时间的关系

对2014年上半年聚驱128 井次抽油机井杆断作业井的冲速与抽油杆运行时间进行对比，分析抽油机井杆断井两者之间的关系（图1）。

图1 聚驱抽油机井杆断井冲速与杆服役时间的关系

通过曲线可以看出，冲速越大，抽油杆运行时间越短。分析原因为冲速越大，惯性载荷越大，同时杆柱随交变载荷的增加震动频率加大，从而增加了抽油杆疲劳断裂的机会。通过统计可以发现，冲速每增加1 min-1，抽油杆的寿命降低4 个月。

1.2.2 冲速对惯性载荷的影响

抽油机运转时，悬点所承受的载荷包括动载荷、静载荷及其他载荷。动载荷包括惯性载荷、振动载荷及摩擦载荷。静载荷是由液柱重和杆柱重所产生的。其他载荷是由沉没压力及井口回压造成的。当驴头带抽油杆和液柱做变速运动，因而产生抽油杆和液柱的惯性力。如果忽略抽油杆和液柱的的弹性影响，则可以认为抽油杆和液柱的各点与抽油机悬点运动完全一致，产生的惯性力除与抽油杆和液柱的质量有关外，还与悬点加速度的大小成正比。

假设油井目前冲程为2.5 m，冲速5 min-1，由理论排量计算公式可知，在调整抽油机井抽汲参数时，冲程由2.5 m 调至3 m 与将冲速由5 min-1调至6 min-1的理排变化是相同的，但调整冲程使惯性载荷增加20%，调整冲速使惯性载荷增加44%。在泵深为1000 m，杆径19 mm，管径62 mm 的条件下，计算不同冲程冲速下悬点最大惯性载荷如表6。

表6 不同冲程、冲速最大惯性载荷统计

从表中可以看出，最大惯性载荷随冲速的增加而增大；说明冲速越大，运行载荷越大，对抽油杆的疲劳损伤越大。同时可以说明聚驱油井参数大是导致抽油杆断作业的一个因素。故针对供液严重不足并且频繁作业井应及时调小参数。

1.3 回油压力对抽油杆的影响

第五油矿聚驱抽油机井的平均回油压力均高于水驱油井的平均回油压力，利用压强公式P=F/S计算聚驱与水驱抽油机井井下抽油杆拉力的差距，从而判断回油压力对聚驱与水驱抽油机井井下的工具的作用情况（表7）。

表7 水驱与聚驱抽油机井抽油杆拉力对比统计

通过对比水驱、聚驱不同泵径下的抽油机井的平均回油压力差值，计算出井下抽油杆拉力的差值。可以看出，聚驱抽油机井比水驱抽油机井的井下抽油杆拉力平均高出0.74 kN，说明平均回油压力高是导致聚驱抽油机井杆断次数较水驱抽油机井杆断次数多的一个因素。

1.4 见聚浓度对抽油杆的影响

通过对比杏一～三区西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ块与杏四区西部相同注聚时期的见聚浓度，分析见聚浓度与上升速度变化情况。具体情况如图2。

图2 杏一～三区西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ块与杏四区西部见聚浓度对比曲线

西部Ⅱ块投产至今平均见聚浓度为260.2 mg/L，最高时达到469.2 mg/L；西部Ⅰ块投产至今平均见聚浓度为342.5 mg/L，最高时达到825.5 mg/L；西部Ⅲ块投产至今平均见聚浓度为365.8 mg/L，最高时达到696.1 mg/L；杏四西投产至今平均见聚浓度为255.5 mg/L，最高时达到432.9 mg/L。

随着杏一～三区西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ块见效，见聚浓度及上升速度远高于杏四西同期。同时杏四西井距200 m，而杏一～三区井距只有125 m。

若采出液黏度越高，则液柱与抽油杆之间的摩擦力会增加。由于杏一～三区西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ块注入高深度聚合物，液体黏度增加，使液柱与抽油杆之间的摩擦力增大。结果造成增加抽油杆的疲劳程度，从而降低了抽油杆的使用寿命，增加了抽油机井杆断的概率。

2 聚驱抽油机井杆断治理对策

2.1 调整参数降低油井载荷[1]

2014年上半年，为治理大参数、高载荷频繁作业及高载荷严重供液不足的抽油机井，共计对此类抽油机井实施调小参数152 井次（表8）。

表8 第五油矿2014年上半年抽油机井调小参效果统计

抽油机井调小参数后平均交变载荷下降12.65 kN，其中水驱单井平均下降6.25 kN；聚驱单井平均下降16.26 kN。

2.2 治理高载荷机采井

为解决因道路问题无法热洗的高载荷及高回压机采井，积极通过铺设加长油管的方式完成对高回压及高载荷机采井的治理工作（表9）。

表9 第五油矿2014年上半年铺设加长油管热洗效果统计

2014年上半年共计实施12 口井，其中高压热洗7 口井，平均交变载荷下降7.64 kN；冲干线5 口井，治理后平均回压下降1.5 MPa。

2.3 集中治理蜡影响井

为解决热洗不及时或热洗效果差的井，第五油矿通过单井节点分析，找出高载荷运行原因，实施蜡影响井集中治理（表10）。

表10 第五油矿2014年上半年蜡影响井治理前后载荷变化统计

2014年上半年共计集中治理蜡影响井99 口，其中高压热洗50 口井；常规热洗49 口井。治理后交变载荷平均下降5.6 kN。

3 节能效果

通过分析冲速与载荷的关系，同时结合交变载荷与惯性载荷的影响因素，总结出治理抽油机井蜡影响程度，可减少高负荷运行井。治理后，年均可减少高负荷运行井80 口，平均单井每天可节省耗电量10 kWh。经此推算，年均可节省用电量29.2×104kWh。按照0.5 kWh/元计算，年均可节省用电费用14.6 万元。年均可减少检泵作业120 口井，年均可节省劳务费240 万元。

4 结论

1）对于交变载荷在50 kN 以上及相当应力在90 MPa 以上的抽油机井应及时通过洗井或调小参数处理，以防因抽油杆疲劳生产造成的抽油机井杆断。

2）在调整抽汲参数时，可调的井应优先调整冲程，冲程调至最大后再调整冲速，对于参数大、严重供液不足抽油机井及时调整参数，防止因参数过高降低抽油杆使用寿命而造成的抽油机井杆断。

3）严格控制聚驱冷输井回油压力，防止因回油压力高而增加井下抽油杆的拉力，增大抽油杆的疲劳程度。

4）对于见聚浓度高的采出井实施调小参数。

[1]丁建国,李学丰.抽汲参数调整对油井检泵率的影响[J].油气田地面工程,2003(8):9-11.