抽油机杆管偏磨防治技术研究与应用

[摘 要]本文通过对某采油厂抽油机井抽油杆柱受力状态的分析，地矿分析、受力分析等研制并开发了抽油机井杆管偏磨诊断与预防措施优化诊断系统，该系统可以判定杆管是否偏磨和偏磨原因，并进行措施优化设计。利用该方法诊断25口井，杆管偏磨诊断符合率达到82.1%，对比分析采取偏磨治理措施，平均检泵周期延长了102天。

[关键词]诊断 偏磨 原因 措施

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0301-01

引言：

随着油田进入高含水开发后期，由于高含水、低沉没度井数不断增加，杆管偏磨井数逐年上升，因杆磨断检泵的井比例也逐年上升，增加了维护性井下作业工作量，也增加了检泵费用及换杆管的费用，严重影响油田生产和检泵周期，及时诊断杆管是否偏磨，并及早采取防治措施，能够取得较好经济效果。

1.抽油机杆管偏磨原因分析

1.1 杆管偏磨

抽油杆井一般都有不同程度偏磨段现象，杆管偏磨主要是抽油杆柱下行程时遇到的阻力达到一定值后，抽油杆柱产生弯曲造成的，抽油杆工作时的往复运动，在传递力的过程中承受着各种载荷，各种载荷对抽油杆的作用比较复杂，上冲程时，抽油杆由于提升液体重量，使抽油杆与油管间不会产生大的摩擦；而下冲程情况则不同，轴向力和法向力作用于抽油杆―柱塞系统。

1.2 影响因素

1.2.1 实际生产过程中，由于抽油杆柱与油管柱都不是理想的刚性体，均存在弯曲变形。在垂直悬挂条件下，全井管柱的弯曲变形将使柱塞与泵筒之间难以保持轴向同心。因此，泵内柱塞在运动中，泵筒对柱塞的横向制约将导致泵筒带动油管柱径向摆动。油井沉没度小，油套环形空间内的液体就少，对油管的径向束缚力就小，油管的径向摆动就会相对剧烈，易引起杆、管断脱。

1.2.2 下部重量小，弯曲部分受弹性力作用上翘，如果下部杆弯曲方向与上部相同，则弯曲程度更大，偏磨更严重。加之活塞下行阻力的作用，加剧了抽油杆在油管内的弯曲程度。另外，杆弯曲部位的疲劳强度大大降低，在抽汲过程中极易发生杆断情况。

1.2.3 井身结构。在抽油杆下部加扶正器后偏磨段上移，上移后的偏磨段，井筒相对较直。说明此段抽油杆的偏磨是其在下行程中弯曲偏磨所致。

1.2.4 冲数与偏磨的关系。统计杆断井冲数高所占的比例较大，冲数过快，受改变运动方向的次数太多，说明随着交变载荷增加，加剧了抽油杆疲劳状态，动载荷增加，加大抽油杆的弯曲程度，增大了杆断的机率。冲次越快，下部受压杆越长，压力就越大。

1.2.5 泵径与偏磨的关系。杆断井大泵所占比例较高，由于抽油泵柱塞偏磨，使柱塞与泵筒之间的摩擦力增大，导致抽油杆柱下行程阻力增大，引起杆管偏磨，偏磨到一定程度发生杆断的机率增大。一般来讲，泵径越大，油井的负荷越大，泵的柱塞与泵筒之间磨损加重，检泵周期缩短。抽油杆的负荷与冲数、泵径、泵挂成正比，尤其是泵径和冲数，随着工作制度的增大，还会使载荷大幅增加，振动载荷明显加大，当超过抽油杆的许用应力，即造成抽油杆断。

1.2.6 井况影响。供液能力差。地质条件差也是造成偏磨的重要因素。含水较高。油井含水基本都在90%-95%之间。油井随着含水上升，杆、管由优先油湿变为水湿，产出水直接接触金属，失去原油的润湿作用，发生腐蚀现象，摩擦系数增加，杆管磨损加快，阻力增加；抽油杆表面产生斑痕，磨损加大。某一点在交变载荷的作用下，应力集中造成杆断。蜡卡。结蜡使液体运行空间减小，结蜡点处抽油杆柱所受到的液体摩擦力急剧增加，极易导致结蜡点上部的抽油杆柱产生屈曲，从而发生偏磨、杆断，即结蜡增大抽油杆上下行阻力，造成杆柱弯曲，杆、管偏磨，增大杆断几率。

2.杆偏磨诊断方法的确定：

2.1 管偏磨诊断力学模型的建立

为了便于分析和研究，把抽油机垂直井中的抽油杆柱运动状态可以看作是顶部固定，下端属于可轴向滑动的固定支撑杆柱问题。抽油杆在生产过程中，抽油杆柱受两种力的作用，一是沿抽油杆柱轴向均匀分布的分布力，二是悬点下冲程时集中作用于抽油杆柱下端的集中轴向压力。

2.2 杆管偏磨诊断数学模型的建立

抽油杆柱产生偏磨的条件是抽油杆柱在油管内屈曲而产生弯曲变形。抽油杆在生产过程中，在上冲程时，抽油杆始终处于拉伸状态，不会产生弯曲变形，不会产生偏磨。在下冲程时，在抽油杆柱上存在一个受力为零的点―即中和点，中和点以上抽油杆始终处于拉伸状态，不会产生弯曲变形，不会发生偏磨；中和点以下的杆柱处于受压状态，当抽油杆失稳时，抽油杆柱将在油管内产生屈曲，杆管会产生偏磨。

3.杆管偏磨诊断软件系统的开发

3.1 杆管偏磨软件系统的建立

根据上述所建立的杆管偏磨诊断数学模型，开发抽油机井杆管偏磨诊断计算机诊断系统，利用该系统直接在网上随时对每口井进行诊断。首先进入设置模块进行数据库的连接，检查网络是否正常，然后进入运行模块，输入分级诊断的单位、诊断的生产时间及浏览网络所取的数据情况是否正常，确定无误后进行诊断，浏览诊断结果可以以数据库形式及图形的方式反映出来。

3.2 初步确定杆管偏磨原因

根据杆管偏磨原因的研究结果表明：杆管偏磨主要与高含水与低沉没度、油井结蜡、液击、柱塞下行碰泵、卡泵与柱塞偏磨、抽汲参数过大等因素有关。这些因素的影响可以在示功图和生产数据中反映出来，该诊断方法可以同时显示悬点示功图、泵的示功图和油井的生产数据，如果诊断杆管偏磨，就可以根据示功图并结合油井生产数据用排除法确定杆管偏磨原因。

3.3 应用该系统搞好杆管偏磨井治理措施的优化设计

对已磨断的井根据该系统进行杆管偏磨治理措施的优化设计。采取在井口加防磨旋转起器、调小参数、换小泵径、扶正器、缩短热洗周期、优化杆组合、优化杆组合+扶正器、调小+扶正器、换小+扶正器等措施对于底部有套变偏磨严重的井采取了更换成内衬管、调杆杆

组合底部加配重等措施。对比分析采取防偏磨措施后的抽油机井平均检泵周期由298天延长到400天，平均检泵周期延长了102天。

4.井眼弯曲和抽油杆柱失稳是导致杆管偏磨

4.1 采用有限差分法对杆管偏磨技术分析

油田后期高含水开发阶段有杆泵生产面对的重要问题，。本文在文献调研的基础上，以三维弯曲井眼中的抽油杆柱为研究对象，研究了抽油杆柱在各种井眼约束条件下的屈曲行为，建立了杆柱屈曲微分方程，并应用变分法进行求解，得到了抽油杆柱正弦和螺旋屈曲后的构型函数、杆管之间的接触力和杆柱屈曲临界载荷；在三维空间井眼轨迹的基础上，考虑了抽油杆的构成、抽油杆所受的摩擦力、惯性力、弹性力等，采用微元分析法，建立了描述定向井抽油杆受力状况的三维力学模型，并采用有限差分法进行了求解，对求解结果进行了分析。

5.结论及认识

⑴、利用本文建立了抽油机井杆管偏磨的诊断方法，可以根据抽油机井每月生产数据，实现了杆管偏磨情况动态管理，为早期发现杆管偏磨井及早采取治理措施奠定了基础。

⑵、该杆管偏磨诊断方法，不但能诊断杆管是否偏磨、而且能初步诊断杆管偏磨原因，为措施优选提供了依据，为提高措施的有效率和效果提供了保障。

参考文献

[1] W.H.Inmon著，王志海等译.数据仓库.机械工业出版社.2002：11-26

[2] 蔡自兴、徐光.人工智能及其应用（第二版）.清华大学出版社.1998：7-25

[3] 张琪.采油工程原理. 北京：石油工业出版社，1999：22-34

[4] 万邦烈.采油机械设计计算.北京：石油工业出版社，1985：27-38

作者简介

李伟泉 （1976.2.5―――）男 年龄：39 职务：副队长 职称：采油高级技师及技）能专家：采油工作单位：采油十厂二矿.