井斜对小泵深抽井检泵周期的影响

摘 要：通过对井身弯曲、油管和抽油杆的受力分析，确定影响小泵深抽井检泵周期的因素，从而提出解决方法。通过现场应用取得了良好的效果。

关键词：井斜 油管 抽油杆 受力分析 解决方法

一、前言

随着油田开发的进一步发展，小泵深抽在原油生产中起着越来越重要的作用，以中原油田黄河南开发区来说，在所有机采井中，基本上都采取了小泵深抽，而且绝大多数井动液面在1800～2200m左右，泵挂深度在2000～2400m左右。随着泵挂的不断加深，检泵周期除了受原油结蜡、地层出砂、井内介质的影响外，还受井身弯曲、油管和抽油杆的受力等因数的影响。而且 ，这些因素的影响在小泵深抽井的生产中，显得越来越突出。直接遏制着油井的正常生产。油田检泵周期仅有30天。因此，有必要对井身弯曲、油管和抽油杆的受力情况加以分析研究。

二、原因分析

1.井身弯曲对检泵周期的影响

在生产实践中，没有一口井井身轴线是绝对垂直的。每口井或多或少地都要偏离设计井身轴线，而且绝大多数井的井身轴线都是一条不规则的空间曲线。尤其是在井身中、下部，井身弯曲更加严重。如：油田有的井斜角达46°，甚至更大。这就给小泵深抽井带来极大的不利，大大地加剧了油管和抽油杆的相互磨损，严重地影响着油井的正常生产。

在油井的正常生产过程中，下冲程时，抽油杆因重力G在其垂直于井身轴线方向上的一个分力N的作用（如图a），自井身弯曲处以下部分抽油杆与油管紧贴在一起，产生相互摩擦。上冲程时，抽油杆除受重力G作用外，还受一个向上拉力F的作用（如图b）。抽油杆除因重力作用与油管产生摩擦外，在弯曲处，还受拉力F在垂直于接触面方向上一个分力N’的作用，与油管紧贴而产生摩擦。由于轴向与径向线度相差悬殊，实际计算中，а、θ均取井斜角。

式中：A—弯曲以下杆截面积，m2； ρ、ρc—分别为杆、液体密度，Kg/m3；

L—弯曲以下杆长，m； g—重力加速度，m/s2。

由（1）和（2）式知：井斜部位越浅，井斜角越大，泵挂越深，下部抽油杆与油管的磨损越严重。这与小泵深抽井的实际情况相吻合。

2.油管柱在正常生产中的受力分析

在正常生产中，下冲程时，由于游动凡尔打开，且柱塞与衬套间的半干摩擦力较小，油管主要靠自身重力作用而呈垂直状态。上冲程时，游动凡尔关闭，油管除受上述二力作用外，还受到一个由活塞效应所产生的作用力，并因此而改变了油管的垂直状态，使油管中性点（即合力为零的点）以下发生弯曲。该弯曲力的大小是泵柱塞断面面积和其上下压力差的函数。若中性点在动液面下，中性点以下油管长度则存在如下函数关系：

式中：A'—柱塞断面积，m2； P—柱塞上下压力差，Pa；

g'—每米油管在液体中重，Kg/m。

把中性点以下油管柱看作一根两端带铰交座的细长压杆，如图A、B。

建立挠曲线近似微分方程：

式中：y—绕度，m； E—钢的弹性模量，210×109N/m2；

C—常数； D—油管外径，mm；

Pcr—压杆弯曲的临界力，N； d—油管内径，mm

例1：如果动液面深度为2000m，下Φ38mm的泵，21/2"油管内径62 mm，外径73mm，油管密度为7.85，液体密度为0.95，每米油管重9.46Kg/m，那么经计算知：f=21040 N，L╛=258 m，Pcr=21 N。

由于Pcr

3.抽油杆在正常生产中的受力分析

在油井的正常生产中，上冲程时抽油杆主要受拉力和自身重力作用处于垂直状态；下冲程时抽油杆受几个力的共同作用。抽油杆自重G，液体对抽油杆的浮力F浮，因液体粘度影响而受到的摩擦力F摩，柱塞与工作筒间的半干摩擦力P干，采出液通过游动凡尔时的水力阻力P阻。

由于G、F浮、F摩是沿抽油杆均匀分布的。根据压杆理论分析杆柱变形时，这几个力的影响不大。因此，只考虑引起杆柱失稳的作用力P干和P阻。

式中：D—柱塞断面直径，mm；

δ—柱塞与衬套间隙，mm； а—а=f/ F；

nk—游动凡尔个数； S、n—光杆冲程、冲次，m、1/min；

F—柱塞断面积，m2； ρ—采出液密度，Kg/m3；

f—游动凡尔座孔断面积，m2； u—流量系数，取0.82。

中性点以下抽油杆柱的长度L"：

式中：d—杆直径，m；P杆—杆柱自重，N； ρ'—杆的密度，Kg/m3；

f0—管内液柱作用在柱塞上的压力，Pa 。

根据压杆理论，杆柱发生弯曲的最小作用力为：

P’cr=πEI’/l2，其中I’= πd4/64

例2： 如果下Φ38mm的泵，泵挂2200m。它的杆柱组合为1"×550+7/8"×660+3/4"×990（m），冲程5m，冲次9次/分，液体密度为0.95，杆密度为7.85 。各级杆每米重（Kg）：1"×4.09，7/8"×3.136，3/4"×2.35，通过计算得：

P干= 455 N，P阻=320 N，P=775 N， L"=390 m， P’cr=0.09 N

由于Pcr

在泵上400m以内。这部分抽油杆就与油管发生摩擦，而且泵挂越深，杆柱越容易

失稳，磨损就越严重，这就是小泵深抽井管杆磨损的另一个重要因素。

事实上，在现场油管与抽油杆的磨损是井身弯曲和管杆受力等多种因素共同作

用的结果。

三、预防与措施

1.油管弯曲的预防措施

1.1可以采用在管柱底部装油管锚的方法。在井口施加一定的负荷，使油管始终处于受拉状态，从而克服下部油管的弯曲。

1.2可以采用增加尾管长度的方法来克服活塞效应所产生的作用力。根据例1的计算，要想使泵上管柱完全处于拉伸状态，就必须有258m长的尾管，而现场通常下200m，还需要加长58m。由于尾管较长，为了安全起见，可下过桥泵。

2.抽油杆弯曲的预防措施

2.1可以采用安装扶正器的方法来改变抽油杆的受力状态。由（4）知：在垂直井中，抽油杆柱中性点以下部分在受压状态下是发生正弦弯曲的。每隔半个波长又恢复到垂直状态。扶正器外径较大，可以起到压杆约束作用。根据增加约束可以提高压杆稳定性理论：在y=0处安装扶正器，以增加约束提高杆柱的稳定性。这时由（4）式导出扶正器的间距：l=mxmin=mπ[（EI）/P]1/2，m为自然数。

由于约束越多压杆越稳定，所以确定扶正器的间距时，m越小越好。

可见，泵上第一个扶正器应安装在柱塞上π（EI/P）1/2处，扶正器 间距为π（EI/P）1/2。

把例2的数据代入（12）式，得l=4.14 m。

在现场，由于每根杆长8m左右，通常在每根杆接箍处和本体中间各安装一个扶正器。

2.2 可以使用加重杆，这样，一方面可以增加杆柱底部的重量，以减少部分弯曲力；另一方面，由于加重杆本身尺寸较大，抗弯模量大，可以增加杆柱的抗弯能力。

四、矿场应用效果

油田主要采用抽油杆尼龙扶正器，个别井也采用加长尾管、抽油杆底部加重杆或下油管锚等方法。通过在40口严重偏磨井近两年的试用，98.6%的井基本上克服了管、杆偏磨，获得了可喜的成果，这40口井的检泵周期由原来平均30天增加到216天。其中效果最好的一口井，采用该方案后，检泵周期长达521天。

五、结论与建议

1.井身弯曲，上冲程时柱塞的活塞效应，下冲程时柱塞所受水力阻力和柱塞与衬套间的半干摩擦力都大大地增加了油管与抽油杆的磨损，从而大大地缩短了小泵深抽井的检泵周期。

2.对油管柱的弯曲，除井身弯曲因素外，可在油管柱底部使用油管锚或采用加长尾管的方法。

3.对抽油杆柱的弯曲，可以使用扶正器和加重杆两种方法，安装扶正器时，应考虑井身弯曲的影响。考虑到摩擦系数的影响，现场一般选用尼龙扶正器。

4.在满足提液要求的前提下，尽可能地优化冲程与冲次。

参考文献

[1]程嘉佩 材料力学 高等教育出版社 1982.12.

[2][美] J.扎巴 深井泵采油 石油工业出版社 1983.6.

[3]李淑芳 甘子泉 直井抽油杆柱扶正器安装位置及安装间距《石油机械》编辑部 1999.1.