魯娟黨，劉 鑫，于 斌，陳 強，王 偉，徐向雲

（冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)采油二區(qū)，河北唐海063200）

南堡1-29斷塊抽油井桿管偏磨綜合治理

魯娟黨*，劉 鑫，于 斌，陳 強，王 偉，徐向雲

（冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)采油二區(qū)，河北唐海063200）

南堡油田1-29斷塊由于井斜大，泵掛深，綜合含水逐年上升等特點，致使抽油桿、油管在井下的工作環(huán)境日益惡劣，桿管偏磨問題十分嚴重，造成油井作業(yè)頻繁、檢泵周期短、作業(yè)成本增加。通過對南堡油田抽油井桿管偏磨的原因進行分析，認為造成桿管偏磨的因素主要有井身結構彎曲、桿柱載荷變化、生產參數不合理、采出液含水高等。為此，結合生產實際提出了優(yōu)化桿管組合、優(yōu)選井下工具、調整合理的生產參數等措施。通過綜合防治措施在現場的應用，大大減緩了桿管的偏磨，檢泵周期延長了152d，取得了較好的防偏磨效果。

偏磨；油管；抽油桿；綜合治理；南堡油田

有桿泵采油是利用抽油桿柱在油管內上下往復運動帶動井下抽油泵工作進行采油，理論上只要各參數設計合理，抽油桿只是在油管的中心做上下往復運動。但在實際現場的應用中，由于抽油桿與油管之間存在相對位移，必然產生桿管間的相互接觸摩擦，從而造成油管、抽油桿的磨損，而且隨著油田的開發(fā)，油井綜合含水的不斷上升，泵掛越來越深，工藝越來越復雜，抽油機井桿管偏磨井數在不斷增加，抽油桿斷脫比例上升，檢泵周期縮短，作業(yè)費用增加[1]。對2012年南堡1-29斷塊25口檢泵井進行統(tǒng)計分析，因桿管偏磨導致檢泵共18井次，占72%，18口井平均檢泵周期僅為187天，桿管偏磨已成為影響南堡1-29斷塊抽油機井正常生產的主要原因。因此，分析桿管偏磨規(guī)律，采取相應的治理措施，對于減緩抽油機井桿管偏磨，提高泵效，延長抽油機井的檢泵周期是十分必要的。

1 抽油井桿管偏磨現狀調查

對南堡油田1-29斷塊18口偏磨井進行現場分析，對偏磨位置及形狀進行了現場調查。18口偏磨井平均泵掛2045m，其中泵掛超過2200m的13口，占72.2%，18口井的綜合含水61.2%。從偏磨的深度范圍來看，桿管偏磨最突出的井段多位于桿柱底部，12口井均在泵上部0-600m存在偏磨現象，而泵筒上350m范圍內偏磨最為嚴重，9井次的偏磨發(fā)生在這一范圍內，占75%。從偏磨井生產參數來看，偏磨嚴重井的沖次普遍較快，平均沖次為2.7次，較其它井快1.4次。從偏磨井井身結構來看，偏磨井桿管所在位置的平均井斜為46.2°，較其它井大5.4°，處于斜井段的桿管長度為820m，較其他井長86m。從偏磨的形貌看，抽油桿表現為接箍或本體一側或兩側被磨平，嚴重的可將抽油桿母扣全部磨掉，將公扣磨平；油管偏磨表現為內壁被磨出一條平行于軸心的凹槽，甚至被磨出一條裂縫。

2 桿管偏磨影響因素分析

2.1 井身結構的影響

由于井身結構的影響，油層套管會在某一井段存在螺旋彎曲，油管下入后隨著套管彎曲也處于一種彎曲狀態(tài)或曲線狀態(tài)，完全受井身結構的影響，抽油桿也隨著彎曲或緊貼于油管壁上，造成桿管之間的摩擦[2]。當油井正常生產時，桿管之間的磨阻很大，特別是抽油桿接箍處容易受到磨損，從而造成桿管偏磨。隨著井斜角的增加油井偏磨的幾率不斷增加[3]。南堡1-29斷塊18口偏磨井平均泵深2045m，平均最大井斜角41°，平均最大全角變化率為3.4°/25m，泵掛深、井斜大、全角變化率大是造成南堡1-29斷塊抽油機井偏磨的直接因素。

2.2 桿柱交變載荷的影響

抽油桿上行時，抽油泵游動閥關閉，油管受力主要為自身重力、油管在液體中的浮力、抽油桿柱與油管內壁的摩擦力、柱塞與泵筒的摩擦力、液柱與油管內壁之間的摩擦力，這些力的合力作用在油管上存在中合點，中合點以下油管受壓發(fā)生螺旋彎曲，此時抽油桿柱因受較大的張力而基本保持直線狀態(tài)，從而使抽油桿柱與螺旋彎曲的油管每隔一定距離就相互接觸而發(fā)生偏磨。

抽油桿下行時，抽油桿柱主要依靠自身向下的重力克服上沖程產生的向上的慣性力、抽油桿柱下行產生的摩擦阻力、液體的浮力、襯套與柱塞間的摩擦力以及采出液流過游動閥的阻力，這些力作用在抽油桿上，也存在一個上下力平衡的中合點。抽油桿在運行中存在彎曲失穩(wěn)的現象，從而產生橫向分力，形成動力失穩(wěn)，當桿體上的周期壓載頻率與壓桿的橫向自振頻率之間的比值達到一定值時，壓桿發(fā)生劇烈的橫向振動，也就是說抽油桿柱發(fā)生失穩(wěn)的實質是抽油桿柱在運動中受壓彎曲失穩(wěn)造成的。

根據材料力學歐拉公式計算抽油桿失穩(wěn)彎曲力P的計算公式為：

P=(π3Ed4)/64H

式中：E——常數，E=20.5947×104；

d——抽油桿直徑,mm；

H——抽油桿長度,m。

由上式可以看出，H越大，失穩(wěn)力P越小，即抽油桿越長，桿柱越不穩(wěn)定，容易發(fā)生彎曲，抽油桿柱底部第一根抽油桿極易失穩(wěn)彎曲。從理論上解釋了現場泵上0～600mm均發(fā)生桿管偏磨，且在0～350m這段偏磨特別嚴重的根本原因。

2.3 生產參數對桿管偏磨的影響

在有桿泵井工作過程中，不合理的生產參數對有桿泵工況及抽油桿、油管壽命影響很大，會使桿管偏磨狀況進一步惡化[4]。理想狀態(tài)下當沖程、沖次、桿柱組合等參數選擇合適時，抽油桿的全部重量應該加載到抽油機懸繩器上，抽油桿行進速度與懸繩器速度同步，抽油桿柱始終處于拉伸狀態(tài)。實際上，在抽油機下沖程時，抽油桿柱受井底液體阻尼作用和各類摩擦力及桿柱組合不合理造成的桿柱受力狀態(tài)不同，相當一部分抽油桿包括活塞滯后于懸升器運行速度，特別是中和點以下的抽油桿全部處于受壓狀態(tài)，容易產生彎曲變形。

在發(fā)生偏磨的油井中，有桿泵的沖程長度和沖次大小對桿管的偏磨影響較大。沖程越短，偏磨部位也就越??；沖次越高，相同工作時間內偏磨的次數就越多，磨損時的相對運動速度也就越大，這樣抽油桿柱下行阻力也就越大，將加劇抽油桿的彎曲變形程度，從而加劇了桿管的偏磨。

抽油桿柱下行時的慣性載荷Fg的計算公式為：

Fg=WrSn2(1-E)/1790

式中：Wr——抽油桿柱的重力,N；

S——沖程,m；

n——沖次,次/min；

E——常數。

從上式可以看出Fg與沖次n成平方關系，與沖程S成正比例關系，因此沖次對慣性載荷Fg的影響遠大于沖程，而且隨著抽吸速度的增加，抽油桿柱下行阻力增大。

2.4 沉沒度對桿管偏磨的影響

沉沒度過低時，抽油機上沖程時井底液體不能充滿泵筒，游動閥下面留有氣穴，抽油桿下行時，柱塞撞擊液面瞬間，游動閥不能及時打開[5]，下行速度發(fā)生瞬間突變，抽油桿柱的動量必然發(fā)生急劇變化，從而造成抽油桿的瞬間彎曲，這種彎曲會導致桿管偏磨和抽油桿斷裂。實踐證明，抽油泵在較低和較高的充滿程度下液擊載荷均較小，而在充滿程度50%左右時液擊載荷最大。當油井供液充足，動液面較淺，泵的沉沒度過高時，不僅增加了桿管接觸面積，加重了抽油機載荷，而且在抽油桿下行過程中，由于井底流壓高，固定閥不能及時關閉，液體沖擊力作用于泵柱塞，使抽油桿柱下行阻力增加，承受的彎曲載荷增大，加劇了抽油管的偏磨。

2.5 采出液性質對桿管偏磨的影響

2.5.1 高含水對桿管偏磨的影響

南堡1-29斷塊采用注水驅油的開采方式，隨著油田的不斷開發(fā)，油井產出液的綜合含水逐年上升。產出液含水越高，偏磨越嚴重。原因是產出液含水率低時，桿管摩擦面處于良好的油潤滑狀態(tài)，動摩擦因數較小，磨損較輕；產出液含水高時，桿管摩擦處于水潤滑狀態(tài)，動摩擦因數大大增加，加快了桿管磨損。在理想狀態(tài)下，當產出液含水大于74.02%時產出液由油相轉為水相[6]，動摩擦因數加大，由原來的油包水型轉換為水包油型。桿管摩擦的潤滑劑由原油變成了水，失去了原油的潤滑作用，產生水與金屬直接接觸，動摩擦因數加大，增大了桿管之間的摩擦力，使桿管的磨損速度加快。南堡1-29斷塊產出液含水大于74.02%的有桿泵井共有8口，均存在偏磨現象。

2.5.2 腐蝕介質的影響

南堡1-29斷塊有桿泵井產出液的礦化度一般在4000mg/L左右，產出液中Cl-、HCO3-、S2-、游離的CO2和細菌等含量較高，在加上適當的溫度，存在如下反應[7-8]：

CO2+H2O→H++HCO3-；

CO2的含量越高，產出水中H+越多，pH值越低，產出液呈弱酸性，具有腐蝕性。且當水中H+含量增加時，會與S2-反應生成H2S，反應式如下：

2H++S2-→H2S↑

H2S為強腐蝕性氣體。與Fe存在如下反應：

Fe+H2S→FeS↓+H2↑

同時產出液中的腐蝕還原菌可在烴類物質條件下把水中的SO42-還原成S2-，從而加快桿管偏磨腐蝕。桿管表面更粗糙，磨損也更為嚴重。偏磨和腐蝕相互作用，相互促進，二者結合具有更大的破壞性。

3 桿管偏磨的防治措施

3.1 優(yōu)化桿管組合

（1）在抽油泵上接一部分加重抽油桿，加重桿可以有效地減少抽油桿下行阻力，一方面可以將上部抽油桿拉直，另一方面可以利用其抗壓臨界載荷大、不易彎曲的特點，使桿柱中和點下移（合理下移至加重桿內），避免下部抽油桿受壓彎曲導致桿管偏磨。加重桿外徑大剛性好，承受相同載荷時不易變形彎曲，達到防偏磨的目的。

（2）增加泵下尾管長度，使泵上油管所受的預拉力增加，以免在上沖程時泵上油管受壓彎曲導致桿管接觸磨損。

（3）在檢泵作業(yè)過程中，一方面在活塞上部增加或者去掉一個沖程長度的抽油桿短節(jié)，改變抽油桿接箍與油管的磨損位置，使磨損均勻，以延長桿管使用壽命；另一方面分段調整抽油桿和油管的位置，使原來處于嚴重磨損位置的桿管調至磨損較輕或者不磨損的位置。

3.2 優(yōu)選井下工具

3.2.1 應用斜井桿

有桿泵斜井桿是指在普通抽油桿上鑄的塑料扶正塊，每根鑄3個扶正塊，在桿柱組合設計中主要用在造斜井段、降斜井段及井斜軌跡較差的其它井段，在減輕桿管偏磨方面效果明顯。

3.2.2 安裝自旋式尼龍扶正器

自旋式尼龍扶正器具有扶正、防偏磨、刮蠟、助抽增油的作用，是一種提高泵充滿系數的工具，相當于在抽油桿上安裝了多個提油活塞，這種分段提油的方法，大幅度減少了抽油泵上的液柱壓力，減小了漏失，有效緩解斜井抽油桿和油管內的偏磨。

3.2.3 安裝自動變斜面接觸式扶正器

自動變斜面扶正器具有防止在油井開發(fā)過程中由于井斜問題造成的偏磨，有效保護抽油桿、油管。由于扶正器本體與接箍中軸并非是緊密接觸，而是有一定的間隙，使扶正器本身可以旋轉，并可沿軸向作一定角度的傾斜。隨著抽油桿不斷的上下往復運動，具有橢圓形橫截面的扶正器本體外表結構設計保證它可以徑向旋轉和軸向傾斜，在運行過程中可以隨油管的彎曲變化自動調整傾斜角度，確保扶正器最大的圓弧面始終保持與油管壁面接觸，能有效緩解抽油桿與油管的偏磨。

3.2.4 應用AOC雙向保護接箍

雙向保護接箍是在普通接箍上涂覆一層AOC-160耐磨、耐蝕、減摩涂層。AOC-160涂層特有的成份在涂層（接箍硬表面）與油管（軟表面）摩擦過程中，以片狀形式轉移到油管表面，在接箍和油管摩擦過程中該片狀物的存在降低了接箍和油管之間的摩擦系數，保護和減緩了油管表面的磨損，起到了片狀減磨的作用。

3.2.5 使用耐磨內涂層油管

針對南堡油田1-29斷塊油井桿管偏磨這一實際情況，在抽油桿和油管接觸表面進行噴涂耐磨涂層，試驗證明，經噴涂處理的油管與抽油桿進行摩擦時，耐磨性能較好，摩擦系數與磨損率都較低。

3.2.6 安裝油管和抽油桿自動旋轉裝置

對于井斜大、偏磨嚴重的油井，盡管安裝了扶正器，使用耐磨內涂層油管，但是油管與扶正器間長時間的偏磨最終導致管柱失效。對此類井，使用油管和抽油桿旋轉裝置，能大大改善偏磨效果，在抽油桿和油管上分別安裝自動旋轉裝置，生產過程中油管和抽油桿旋轉過程不同步，其被磨損面從19°～21°擴大到360°，桿管之間的線摩擦通過桿管的不同步旋轉變?yōu)槊婺Σ?，能使油管和抽油桿四周均勻磨損，防止桿管在同一位置重復磨損造成偏磨，延長桿管的使用壽命，同時有效防止抽油桿脫扣。

3.3 調整合理的生產參數

（1）在偏磨井中，應在滿足深井泵產液量要求的前提下[9]，盡量采用“長沖程+慢沖次”和小泵徑生產，從而增大油管與抽油桿的磨損面積，降低慣性載荷及懸點最大載荷，減少偏磨次數，使磨損均勻，延長抽油桿和油管的使用壽命。

（2）保持足夠的沉沒度才能得到較高的泵效，同時降低桿管偏磨的影響，對沉沒度大于300m的抽油井可上提泵掛或換大泵提液，既減小桿管接觸面積，同時也減輕抽油機載荷，使磨損減輕[10]。

（3）低產低效井的泵的有效工作時間占其工作時間比例很小，泵效極低，對這類井利用液面恢復曲線方程，計算出最合理的停開抽周期，在采取間開生產，在產液量變化不大的情況下，大大減少了井下抽油桿與油管之前的相互磨損時間，延長桿管使用壽命。

通過以上綜合治理方法的實施，南堡1-29斷塊33口抽油井平均沖程5.5m，沖次1.4次/min，減小了偏磨，降低了躺井，延長了檢泵周期，與2012年相比，2013年抽油井開井率提高了3.7%，檢泵周期延長了152d。

4 結論

（1）南堡油田1-29斷塊有桿泵井抽油桿和油管偏磨主要是由泵掛深、井斜大、桿柱載荷變化、生產參數大、沉沒度不合理、采出液性質等因素引起的。

（2）優(yōu)化抽油桿和油管的組合、優(yōu)選和應用井下防偏磨工具、安裝抽油桿和油管井口自動旋轉裝置等能有效地防治桿管偏磨，延長桿管使用壽命及油井的檢泵周期。

（3）防治抽油桿和油管的偏磨的是一個綜合治理的過程，具體應用哪些防偏磨措施，應根據油井的實際情況，有針對性地選擇幾種防偏磨措施進行同時實施，才能達到防治有桿泵桿管偏磨的最佳效果。

（4）在滿足泵排量和泵效的情況下，合理的生產參數（長沖程+慢沖次）可有效的減緩抽油桿和油管磨損，達到延長檢泵周期的目的。

[1]韓修延,王秀玲,侯宇,等.抽油機井震動載荷對桿管偏磨的影響研究[J].大慶石油地質與開發(fā),2004,23(1):38-41.

[2]李健康,郭益軍,謝文獻,等.有桿泵井管桿偏磨原因分析及技術對策[J].石油機械,2000,28(6):32-33.

[3]李漢周,楊海濱,馬建杰,等.抽油井管桿偏磨與井眼軌跡的關系[J].鉆采工藝,2009,32(3):81-82.

[4]白建梅,隋立新,高振濤,等.抽油機井防偏磨技術探討[J].石油鉆采工藝,2006,28(增刊):22-24.

[5]陳振江,尹瑞新,郭海勇,等.大港南部油田有桿泵井偏磨機理探討及綜合防治[J].石油鉆采工藝,2008,30(4):121-124.

[6]佟曼麗.油田化學[M].2版.北京：石油大學出版社,1996.

[7]盧剛,陳杰,曾保森,等.有桿泵井偏磨腐蝕原因探析及防治[J].鉆采工藝,2002,25(3):90-91.

[8]靳從起,呂樹章,韓應勝,等.抽油機井偏磨腐蝕機理及防治對策[J].石油礦場機械,1999,28(5):15-19.

[9]孟國花,高立軍,官志波,等.勝坨油田抽油機油管和抽油桿偏磨治理對策[J].油氣地質與采收率,2003,10(增刊):99-100.

[10]楊斌,曾永峰,蔡俊杰,等.雙河油田有桿泵井管桿偏磨的綜合防治[J].石油機械,2004,32(11):46-48.

TE355

B

1004-5716(2015)06-0038-04

2014-05-27

魯娟黨（1982-），男（漢族），陜西武功人，工程師，現從事油田開發(fā)工作。