普通抽油机井管杆偏磨分析及治理对策

【摘要】管杆偏磨现象在生产中普遍存在,严重影响着生产井的正常生产。我们通过对管杆的受力分析及影响管杆偏磨的各因素进行分析,确定偏磨所发生的生产阶段与部位,并且根据不同井的偏磨情况,提出相应的防偏磨措施,减少因为偏磨对生产带来的影响。

【关键词】井斜 偏磨 中和点 失稳 生产参数

抽油杆与油管的偏磨问题一直是影响生产正常运行的大难题,对于管杆偏磨分析一般从以下几个方面来考虑:管杆组合,管杆材质,抽油杆扶正,优化生产参数,井下流体特征等方面。随着油田进入特高含水期及化学采油期,油井的偏磨现象越来越严重。

1、抽油杆受力分析

在传递动力过程中,抽油杆的负载因抽油杆柱的位置而不同,上部的抽油杆负载大,下部的抽油杆负载小。抽油杆的负载通常有下列几种:

(1)抽油杆自身重量;

(2)油管内柱塞以上液柱重量;

(3)井口回压产生的压力;

(4)柱塞与泵筒、抽油杆及其接箍与油管、油管与液柱、抽油杆与液注之间的摩擦力以及液体内部粘滞力;

(5)管柱内液体对抽油杆的浮力;

(6)抽油杆与液柱的惯性力;

(7)抽油杆的弹性变形引起的振动力;

(8)液体与活塞运动不一致或泵未充满等因素引起的冲击载荷。

根据以上罗列的抽油杆受力种类,下面就抽油杆工作过程中管杆发生偏磨的阶段及容易发生偏磨的井段进行分析。

1.1 产生偏磨的主要阶段

抽油杆在上冲程时主要承载负荷为抽油杆本身自重,活塞以上液柱重量,摩擦力,井口回压产生的压力,抽油杆与液柱惯性力。当抽油杆向上运动时,重力、摩擦力、惯性力、回压产生的压力都对抽油杆产生向下的拉伸力,只有浮力对抽油杆柱产生不大的力,中和点靠下,抽油杆不容易失稳,因此抽油杆上冲程过程中抽油杆基本处于拉伸状态,正常垂直井不会有因抽油杆弯曲产生的偏磨。当井身达到一定井斜时,这时候处于井斜段的抽油杆在上行过程中才会产生摩擦。

抽油杆在下冲程时主要承载负荷为抽油杆自身重力,摩擦力,抽油杆与液柱惯性力,振动力,冲击力。这些力中惯性力、摩擦力、冲击力等都作用力都向上,并且在抽油杆下部受有最大轴向压力,这个轴向压力使抽油杆失稳弯曲并导致抽油杆紧贴在油管内壁上,同时振动力产生的径向力也加剧抽油杆的弯曲,在生产过程中管杆发生相对运动,从而使得管杆发生偏磨。

因此普通的垂直井中,管杆偏磨主要发生在下冲程过程中。

1.2容易发生偏磨的井段

抽油杆中和点以上主要承受拉应力,中和点以下主要承受压应力,尤其在抽油杆下行过程中,由于出现各种动载荷,使得下部抽油杆实际受力变得非常复杂,除了拉应力与压应力的交变载荷,还有弯曲应力和扭应力,这些因素都可使抽油杆弯曲紧靠油管产生偏磨。因此一般的垂直井偏磨主要发生在油管中下部。而对于有一定井斜及油管在井筒中弯曲的井,偏磨也会出现在相应的弯曲井段。

1.3 抽油杆接箍与扶正器比抽油杆本体更易发生偏磨

由于抽油杆接箍及扶正器通径较本体大,因此更易于与油管内壁接触发生偏磨。

2、影响偏磨的因素

由于井内抽油杆少则三五百米长,多则上千米、数千米长,因此细长的抽油杆在油管内发生失稳弯曲是普遍存在的,管杆偏磨现象在普通抽油机井也就变得不可避免。这其中有一些因素加剧了管杆偏磨的产生,缩短了油井的免修期。

2.1 井斜

当井斜达到一定程度时,就不可避免的使管杆靠在一起产生偏磨。尤其是抽油杆接箍通体较大,而且有台阶,使得抽油杆接箍成为偏磨最严重的部位。

2.2下泵深度及负荷

当下泵深度越深,负荷越沉时越容易使抽油杆产生疲劳损坏;同时抽油杆越长,中和点以下杆柱越长,越容易在下行过程中失稳弯曲产生偏磨。

2.3 产出液性质

随着油田的长时间开采,许多油田都进入了高含水期、特高含水期、化学采油期。随着油井含水的升高,抽油杆在管内运动时缺少,加剧了偏磨,流体中含有H2S、Cl-、CO2和细菌等对油管和抽油杆有腐蚀作用,这些都将加剧抽油杆偏磨腐蚀。进入化学驱的区块腐蚀变得加剧,尤其是聚合物驱的油田,还增加了抽油杆承受的负荷,同时聚合物本身也作为磨粒伴随流体冲刷磨蚀抽油杆和油管内壁。

2.4 抽油杆下行失稳

由于油稠、结蜡、出砂、管杆摩擦、惯性力、参数过大等原因使得抽油杆下行阻力增大,中和点上移,使得抽油杆易于失稳产生管杆偏磨。

2.5 机械坐封造成管柱弯曲

油管在坐封时下入油管长度计算不够准确及打压坐封时油管向上移动使得油管弯曲,抽油杆在弯曲的油管里容易与油管产生磨擦。

2.6 套管变形的影响

由于地层原因及生产、修井等原因使得套管弯曲、错断、缩径等使得油管在井筒中不能保持竖直状态,使抽油杆在弯曲的油管内与油管内壁产生摩擦。

2.7 管杆材质耐腐蚀性、耐磨性及强度

一些普通抽油杆和油管用于腐蚀性强、偏磨严重的井;或者在深井、负荷沉井中使用降级、强度不够的抽油杆和油管,使得抽油杆超负荷运行,加剧疲劳损坏,同时管杆偏磨严重。

2.8 生产参数制定不合理

生产参数过大,使得管杆疲劳加剧;抽油杆因下行过快而失稳弯曲产生偏磨;参数过大使得供液不足或井液来不及进入泵筒,因液击产生冲击载荷使得抽油杆弯曲,同时加剧抽油杆疲劳损坏。

3、防偏磨对策

通过上面的分析,我们根据不同生产井情况采取相应的防偏磨措施,减少因为偏磨现象给生产带来的影响。我们一般采取的措施有使用加重抽油杆、使用防偏磨抽油杆、使用防偏磨接箍及抽油杆扶正器、油管内衬防磨材料、优化管杆组合、使用大直径油管、制定合理的生产参数等方法。

(1)直井可以在杆柱下部使用加重抽油杆,增加拉伸力,使中和点下移来减少管杆偏磨;对于斜井则不能使用加重抽油杆,可以采用在斜井段使用扶正器,使抽油杆居中来减少管杆偏磨。

(2)管杆偏磨问题主要出现在抽油杆接箍的井可以使用防偏磨接箍与下扶正器相结合的办法。正常的垂直井在中和点以下受压应力,中和点一般靠下,将扶正器下在中和点以下容易失稳的井段。通常在需要扶正的井段配置的扶正器为一根抽油杆上装一个扶正器。同时需要考虑扶正器过多也会增加负载,增加摩擦。

(3)对抽油杆柱及油管柱进行优化。不同井段采用不同类型与直径的抽油杆,在偏磨较为严重的中下部位进行防偏磨设计(耐磨,抗弯,加扶正器居中,底部加重等);上部由于主要承载拉应力,宜采用抗拉力强的抽油杆;对于油管可采用下大直径油管,增加管杆距离来减少管杆偏磨。

(4)使用小参数生产,减少动载荷引起的偏磨。供液条件好的井可采用大泵径、长冲程、低冲次的生产方式,尽量避免冲次过快的生产方式。根据供液情况确定合理的泵挂,避免泵挂过深加剧偏磨。

(5)使用新工艺减少管杆偏磨,如下连续油管避免接箍处偏磨及断脱;使用内衬油管减少对油管内壁的磨损;采用新型耐磨材料制作的防偏磨抽油杆及接箍;使用旋转防偏磨装置,使抽油杆四周能较为均匀的摩擦,避免在某一部位长时间磨损。

(6)对于因为出砂、结蜡、油稠井,可以采取相应的防砂措施,定期清蜡,加降粘剂或泵下掺水,制定合适的生产参数等方法,来减少因为这些原因引起的抽油杆下行遇阻失稳产生的偏磨。

(7)油管坐封时准确计算油管下入深度,考虑坐封时打压油管上行的距离,避免因为油管弯曲引起的管杆偏磨。同时在泵筒以上安装油管锚,使油管固定不做轴向与径向的运动,减少因为复杂载荷使油管运动产生的管杆偏磨。

(8)采用防腐措施减少因为腐蚀原因加剧管杆偏磨。由于腐蚀后的抽油杆表面及油管内壁不平整,加剧了管杆偏磨;而管杆表面磨损后也更容易腐蚀。管杆腐蚀与偏磨相互影响,使偏磨与腐蚀出现恶性循环。因此减少腐蚀也能一定程度的减少管杆偏磨。

(9)使用无杆泵生产

使用潜油电泵、水力活塞泵、水力射流泵、水力螺杆泵、地面驱动螺杆泵等无杆泵采油,彻底消除偏磨现象。使用无杆泵虽然一次性投入较多,但是检泵周期延长,节约作业成本,减少作业占用时间。根据经济,井况分析,技术上能实现时可考虑使用无杆泵生产。

我们在分析解决管杆偏磨问题时,往往要从多个角度同时来考虑,比如需要进行油管与抽油杆柱优化时,要同时考虑是否需要使用防偏磨接箍及扶正器,参数优化等工作。在实施某个防偏磨措施时,也需要进行全面考虑。比如管杆优化组合,在现场中出现使用高强度抽油杆接箍,避免了抽油杆接箍的快速磨损,但是也因高强度接箍加剧了油管内壁的磨损,因此我们需要对偏磨井的抽油杆和油管同时进行防偏磨处理。

4、结论

(1)管杆偏磨主要发生在下冲程;

(2)管杆偏磨主要发生在管杆中下部位置;

(3)分析单井偏磨的原因,需要全面考虑相应的各项资料,多方同时治理,才能制定出合理的对策。

【参考文献】

[1]杨海滨,狄勤丰,王文昌。抽油杆柱与油管偏磨机理及偏磨点位置预测【J】石油学报。2005.3:100-103

[2]沈秀通等。采油注水【M】山东科学技术出版社。1997.7:52

[3]冉箭声等。抽油杆常见事故原因分析及防止对策【M】断块油气田。2002.1:73-75