一种新型旋转悬绳器的研发及应用——以X区块为例

张 璐，胡杨曼曼，沈产量，屈文强，薛小宝，王志坤.

(延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400)

在常规的机械采油过程中，由于井筒的弯曲、抽油机安装及抽油杆悬挂装置的误差等原因，造成了抽油杆在做往复运动时与油管、井口、抽油盘根盒等装置产生摩擦，造成了抽油杆的偏磨、振动、脱扣，以至于会直接影响抽油机的正常工作和采油生产[1-2]。目前油井常规的杆柱防偏磨技术效果并不太好，因此，在实际生产中需要一种新的工艺技术来解决杆柱偏磨的实际问题。

通过对目前偏磨情况的研究分析，研制的旋转悬绳器技术采用均匀磨损原理，从而达到防偏磨的作用[3-4]。通过旋转悬绳器的技术应用，可有效预防抽油杆偏磨与脱扣，减少振动，延长抽油杆的使用寿命，保证油井正常生产，提高机采效率[5]。

1 区块简介

X区块开采层位主要为三叠系长4+5、长61、长62。泵挂深度为1 500～1 650 m。由于抽油杆偏磨、振动、脱扣，油井断杆率居高不下，油井检泵周期较短，严重影响油田的正常生产。

X区块有52口油井在生产过程中存在问题，其中，抽油机减速箱存在串轴现象、振动较大的井29口， 井筒偏磨严重、油杆易脱扣、断杆的井23口。

2 悬绳器工作原理

2.1 基本原理

自旋式多功能悬绳器，在蜗轮箱内设计有蜗轮轴和蜗杆，并通过轴承固定。蜗杆上有一大一小的两个棘轮，而蜗轮轴设计为中空。在设备工作时，两个棘轮向同一方向偏转，大棘轮推动蜗杆做旋转运动，小棘轮则阻止蜗杆往回转。

在上冲程时，为了防止光杆倒转，由逆转机构锁死旋转装置；在下冲程时，驴头上的拉绳拉动自动复位杆，使得外置轮旋转，同时，逆转机构可自动旋转一定角度，并在预定位置锁死旋转装置。通过这样的运行模式，达到设备合理分配能量、抽油杆旋转的目的。如此反复，采用均匀磨损原理达到防偏磨作用，可保证抽油杆平稳运行，从而可改善偏磨状况，减少脱扣和断杆[6-10]。

悬绳器有转速调节机构，故可根据不同油井工况要求对转速进行调整，能有效吸收能量；反之则将能量释放出来，可有效消除冲击性振动，减少损害。同时，它结构紧凑，体积小，重量轻，便于安装、拆卸、调整。

2.2 指标参数及适用条件

依据油田的技术要求，参考本区块油井的抽油机型号设计主要指标，指标参数见表1。

表1 指标参数表Table 1 The table of indicators parameter

自旋式多功能悬绳器通过自身结构作用能利用抽油机上下冲程时，使抽油杆缓慢自动旋转，有效减缓偏磨井管、杆偏磨的危害，防止生产过程中意外事故的发生，延长设备的使用寿命和检修周期，提高抽油机井生产的综合经济效益，适用于所有实心杆抽油机井使用。

3 现场应用及评价

3.1 选井原则及现场实施方法

针对X区块在实际生产过程中，抽油杆在做往复运动时与油管、井口、抽油盘根盒等装置产生摩擦造成抽油杆的偏磨、振动、脱扣、卡泵等现象时有发生[11]，选取52口井，安装旋转悬绳器。

安装前，目测钢丝绳的长短，以防止安装旋转悬绳器后上边碰到驴头，或者下边碰到井口。观察光杆是否弯曲过大，影响旋转悬绳器从光杆上边往下套，或者安装旋转悬绳器后，光杆旋转时会被驴头或钢丝绳绊住，影响旋转悬绳器工作。如在3型-5型抽油机上安装3型-5型抽油机，由于驴头窄，两根悬绳距离太近，需使用圆形抽油杆卡子。确认无以上问题，可准备安装，按常规停机卸负荷[12-14]。

停机后，将驴头置于靠近下止点处。在光杆上靠近井口处安装方卡子，卸掉负荷并取下悬绳器上方的方卡子，去掉悬绳器，清理光杆。用吊装器将抽油机悬绳器吊起，让光杆穿过抽油机悬绳器。将悬绳器端头安装在抽油机悬绳器的悬绳定位穴内，并紧固限位螺丝。

在抽油机悬绳器上端的光杆上安装方卡子并吃上负荷。将拉绳一端固定在悬绳器自动复位杆上，另一端固定在抽油机的驴头上。检查，适当调整，使拉绳松紧适当及抽油机悬绳器无倾斜、无偏离中心。松开刹车，卸掉井口处的方卡子，开机。检查拉绳松紧是否合适，有无磨、压拉绳现象，抽油机是否旋转，有问题应立即整改。

如油井负荷超过8T，需使用Ⅱ型旋转悬绳器，在旋转悬绳器吃负荷后，要将底部的调整螺母向下倒，直到倒不动为止。检查各部位安装牢固后，重新启动抽油机，观察无异常即可[15-18]。

3.2 应用效果评价

对油井安装旋转悬绳器，跟踪试验并进行性能评价。

3.2.1 性能评价指标

负载：5～16 t；疲劳次数：≥500万次。

3.2.2 性能评价方法

(1)负载测试：通过对储能器加载16 t载荷，得出储能器在不同时间节点下的变形量；通过对储能器匀速加载到20 t，得出储能器加载过程中的变形量[19-20]。

具体方式：测试时利用液压式压力测试机加载，将储能器放在工作台底座上，上压板匀速向下对储能器施加载荷，变形量由3个互成120°角的电阻位移传感器测量。

(2)疲劳测试：利用测试机对储能器做断裂和因松弛丧失规定功能两种状况下的疲劳测试，两种状况下共同达到的最大循环次数为储能器的疲劳寿命。

具体方式：测试机上对10个储能器进行疲劳测试，加载频率为每分钟300次，工作载荷按16 t进行。

3.2.3 性能评价结果

(1)负载测试。

对10个储能器进行测试，可得对应于各个载荷的变形值，加载过程的变形值(10个储能器测试结果平均值)见表2，16 t时不同时间下的变形值(10个储能器测试结果平均值)见表3，整个测试过程的载荷—变形曲线如图1所示。

表3 16 t时不同时间下的变形值Table 3 Deformation value at different time at 16 t

表2 加载过程的变形值Table 2 Deformation value during loading

由载荷为16 t时不同时间下储能器的变形值可以看出，储能器在长时间承受大载荷状况下其力学性能稳定。

由载荷—变形曲线可以看出，当载荷小于16 t时，曲线近似于线性，当载荷大于16 t时，变形迅速增大，说明储能器正常工况下最大可以承载16 t的载荷。

(2)通过对10个储能器进行测试，储能器至失效时循环次数平均值为5.27×106次，其中最大值为5.03×106次，表明其疲劳次数大于5.0×106次。

3.2.4 结果

对X区块振动较大、光杆断杆、偏磨严重和油杆易脱扣的52口井安装旋转悬绳器，油井通过一段时间的运行，其间无任何故障出现。总体上能达到振动降低、偏磨减少的效果，并保证油井运行正常。典型井的统计结果见表4。

表4 典型井实施效果统计Table 4 Implementation effect statistics of typical wells

3.2.5 预期经济效益和社会效益评价

(1)预期经济效益。

单井经济效益：应用旋转悬绳器后，平均检泵周期延长60 d。免修期延长一倍，相当于避免了一次检泵作业。单井平均投入检泵费用(含杆管投入费用)按6万元计算，检泵期间平均停产5 d，平均日产2 t/d，原油价格按0.3万元/t计算，则减少停产损失为：2×5×0.3=3万元。两项合计挽回经济损失约9万元。

预计52口井，总体创经济效益468万元。

(2)预期社会效益。

通过旋转悬绳器技术的应用，可以减少作业井次，降低作业费用，同时挽回一定的产能损失，为作业区降低成本、增加产能提供了一条可行之路。

4 结论

(1)悬绳器能合理分配能量，自动旋转，使偏磨角度从35°扩大到360°，从而能延长磨损周期10倍以上，有效地避免因偏磨带来的一系列问题。

(2)旋转悬绳器在发生应力突然变大时，能有效吸收能量；反之则将能量释放出来，可有效消除冲击性振动，减少损害。

(3)该项技术在X区块具有较好的适应性，平均检泵周期延长60 d，保证油井正常生产，提高抽油机井生产的综合经济效益。

(4)该旋转悬绳器适用于所有实心杆抽油机井使用。