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1、文南油田抽油井防偏磨技术研究及应用编写：董志清审核：王飞审定：陈爱仁工艺研究所二00六年元月目 录一、 文南油田抽油井偏磨现状二、 管杆偏磨的因素及特征分析（一） 偏磨因素（二） 加剧偏磨的因素（三） 其它因素（四） 特征分析（1） 抽油杆接箍与油管的偏磨（2） 抽油杆体与油管的偏磨（3） 抽油杆体或接箍与油管的角度磨损三、 防偏磨基础理论研究四、 防治偏磨的技术措施五、 防治偏磨的管理措施六、 现场试验情况七、下步需要研究的问题一、文南油田抽油井偏磨现状文南油田目前油井开井462口，其中抽油井开井420口，占油井开井总数的91，是文南油田的主要生产方式。通过调查，全厂抽油井存在不同程度偏磨现
2、象的有183口，占抽油井开井总数的44，此类井平均泵径41mm，平均冲次4.4次/分，平均冲程4.8m，平均日产液16.2t，日产油2.6t，含水73.2，平均泵挂2011m，平均动液面1298m，平均检泵周期252天。统计2004年共发生躺井206井次，其中因偏磨造成的躺井有72井次，占躺井总数的35，因此偏磨已成为造成躺井的最主要因素。偏磨井存在以下几个特点：检泵周期短，2004年偏磨油井平均检泵周期只有201天；接箍偏磨严重，资料表明70以上的偏磨井主要表现为接箍磨损严重；92以上的井偏磨段集中在19mm抽油杆上,平均偏磨段为730m；腐蚀油井杆管偏磨尤为严重；即使是直井，偏磨情况也普遍
3、存在。如果不及时进行防偏磨治理，将由于偏磨的存在每年增加管杆投入费用1249万元，作业费用736万元，直接经济损失约1985万元。目前在治理的情况下，2004年因为偏磨增加管杆投入费用401万元，作业费用236万元，直接经济损失637万元。可见，治理油井偏磨可创直接经济效益1348万元，因此，有效解决管杆偏磨问题是文南油田生产中的重要课题。二、管杆偏磨的因素及特征分析（一）偏磨因素1、井斜是偏磨的主要因素（1）自然井斜：在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差，从纵向上看，井筒是一条弯曲旋扭的线条。井斜引起管杆接触摩擦，造成管杆偏磨。尤其在狗腿度较大的地方，偏磨更加严重（详见图
4、1），因此为减少偏磨，应提高钻井质量，严格控制井斜，从源头上减少偏磨现象的发生。图1：33-163井590-620m狗腿处偏磨（2）定向造斜： 随着钻井技术的发展和油田开发需要，定向井不断增多，定向井井眼处于复杂的螺旋弯曲状态，尤其在造斜段，钻井井斜角和方位角的控制难度大，井眼曲率变化大，使井筒产生空间扭曲，抽油杆与油管发生摩擦，造成偏磨。文南油田大部分井的造斜点在2000以上，在正常泵挂深度范围内，随着追踪液面，加深提液的力度增大，部分深抽井泵挂恰好在造斜段，是造成此类井偏磨的主要原因。2、带封隔器分层采油管柱的影响在多油层油井分层开采过程中，要使用封隔器将油层隔开。封隔器加压坐封需要一定的
5、坐封力，坐封力会导致油管弯曲；坐封力越大造成泵上油管弯曲幅度越大，杆管偏磨也就越严重。3、杆管在交变载荷作用下产生底部弯曲的影响下冲程时，抽油杆柱主要受两个方向的力：一是自身在液体中向下的重力；二是活塞下冲程时受到向上的阻力。此阻力随活塞直径、抽油杆在油管内的各种摩擦阻力、抽油泵冲次及液体运动粘度的增大而增大。这两个方向力的平衡点即中性点。在中性点以上抽油杆柱呈拉伸状态，中性点以下的抽油杆柱受压而弯曲，致使抽油杆与油管发生偏磨。上冲程时，抽油泵游动阀关闭，抽油杆在本体和液柱重力的作用下呈拉直状态，而油管由于载荷的转移，在中性点以下油管受压发生螺旋弯曲，抽油杆柱与螺旋弯曲的油管每隔一定的距离就相
6、互接触而磨损。油管弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。（二）加剧偏磨的因素1、冲次的影响冲次快时抽油杆与油管相对摩擦的次数增多，磨损较快；而低冲次时，抽油杆与油管摩擦次数减少，磨损较慢，管杆使用寿命相对较长。因此抽油井参数设计应满足“长冲程慢冲次”设计原则。2、沉没度的影响抽油井正常生产时，上冲程在沉没压力和柱塞抽吸作用下，泵游动阀关闭，固定阀打开，泵吸入液体。当沉没度较高时，沉没压力增大，泵内的吸入压力也增大，于是抽油杆受到一个向上的顶力。当沉没度增大时，向上的力也增大，因此会导致抽油杆弯曲，造成杆、管偏磨加剧。下冲程时，固定阀关闭，因此沉没度对杆弯曲没有影响，但由于固
7、定阀关闭，此时沉没度对油管下部产生向上的顶力，此力对长径比很大的油管来说，足以使油管产生弯曲。实际生产中，在沉没度较高时，无论上冲程、下冲程均会加剧管杆管的偏磨。3、产出液对偏磨的影响随着开发时间的延续，文南油田产出液综合含水逐年上升，2004年12月份综合含水75.24。含水越高，偏磨越严重，原因是：当油井含水大于74.02时产出液换相，由油包水型变为水包油型，管杆表面失去了原油的润滑保护作用，使摩擦阻力增大，使管杆磨损加重加快。另外，文南油田产出液矿化度高，Cl含量高，ph值低于6，形成了酸蚀及电化学腐蚀，使管杆表面粗糙度增大，磨阻增加，偏磨加剧（详见图2）。图2 ：33-173井泵上第一
8、根抽油杆接箍偏磨加腐蚀（三）其它因素1、含砂量的影响部分油井压裂后，为防止油层污染而未冲砂，故在产出液中往往含有一定量的砂子；由于砂粒的，使抽油杆与油管发生颗粒磨损。2、油井结蜡、结垢的影响井下结蜡、结垢，严重时导致抽油杆蜡卡，使抽油杆下行时与油管间产生严重的碰撞于摩擦，造成杆管偏磨。3、产出液粘度的影响产出液粘度的增大，造成抽油杆运动阻力增大，使得管杆的弯曲变形增大。其结果是偏磨点增多、偏磨范围增大以及偏磨载荷增加，进而使磨损加剧。（四）特征分析从作业现场资料分析，管杆的偏磨大部分发生在泵上0-1000m 处，19mm抽油杆偏磨集中在接箍和杆体上。（1）抽油杆接箍与油管的偏磨最常见的是抽油杆
9、接箍与油管本体内壁的偏磨，约占偏磨井的70。19mm和22mm两种规格抽油杆发生偏磨情况居多，前者比后者更严重。发生偏磨的主要原因在于井身不直，抽油杆在上下运动中其接箍磨损油管，使接箍一面或两面变薄，严重偏磨将导致脱扣、油管磨成槽，直至穿孔或开裂（详见图3）。图3：33-202泵上第5根油管磨穿裂缝（2）抽油杆体与油管的偏磨 产生这种摩擦的主要原因是抽油杆柱在下冲程时受泵活塞阻力的影响而发生弯曲，致使杆体与油管内壁相摩擦，一般表现为单面磨损。（3）抽油杆体或接箍与油管的角度磨损这种磨损表现为抽油杆和油管的两边磨损，且一边在上，一边在下，磨损面形状多呈三角形（详见图4），19mm和22mm抽油杆
10、常常发生这种偏磨，25mm抽油杆则少见。这说明井筒底部井眼曲率变化大，在上冲程时抽油杆一边磨损，下冲程时另一边磨损，且两磨损部位在轴向上有一定的距离，同时将油管内壁磨成三角形深槽，严重时造成穿孔或开裂，此情况约占偏磨井的10。图4：33-163接箍角度偏磨三、防偏磨基础理论研究防偏磨治理研究的出发点：一是减少管杆之间的正压力；二是减少管杆之间的摩擦系数；三是减少管杆之间的偏磨距离。1、斜井中管杆受力分析：在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力和综合重力产生了一个管壁正压力。在正压力的作用下，油管和抽油杆相互接触运动产生摩擦。2、直井中管杆受力分析：a、使油管弯曲变形的轴向载荷F轴 油管弯曲产生于上冲
11、程。在上冲程时，抽油杆带动柱塞上行，固定阀打开，游动阀关闭，液柱作用在柱塞和抽油杆上，使抽油杆伸直。而油管承受着它在液柱中的重力管、液柱与油管之间的摩擦力摩、泵筒与柱塞间的半干摩擦力摩干，吸入液体通过固定阀的液流阻力阀。由于 管、摩沿管柱均匀分布，对油管弯曲变形影响不大，引起油管弯曲变形的轴向载荷主要为摩干和阀，其计算公式分别为：摩干=（094/）-140 (1)阀=22/（222） (2)轴=摩干+阀 (3)式中:抽油泵柱塞直径，； 柱塞与衬套副半径上的间隙，；流量系数，根据=()曲线确定； F泵柱塞的全面积，m2； f固定阀阀座孔的全面积，m2； g重力加速度，m/s2；v柱塞运动速度，m
12、/s。 b、使抽油杆弯曲变形的轴向载荷P轴 抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时，抽油杆带着柱塞下行，固定阀关闭，排出阀打开，液柱作用在油管上，使油管伸直。而抽油杆柱承受在液柱中的重力P杆，杆柱与液体之间的摩擦力P摩，泵筒与柱塞间的半干摩擦力P摩干，采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力P阀，由于P杆、P摩沿油杆柱均匀分布，对杆柱弯曲变形影响不大，引起杆柱发生纵向弯曲的载荷主要为P摩干和P阀，其计算公式分别为： 式中: L抽油杆柱的中性点以下的长度，m； d0抽油杆柱直径，mm； 抽油杆柱重度，N/m3； f油油管内液柱作用在柱塞上的液体压力，N/m2；3、抽油杆柱中性点计算：在详细分析
13、抽油杆柱受力的基础上，并经过多方论证和数据收集，编写了计算抽油杆柱中性点长度的程序，经计算，其结果与文南油田杆柱的偏磨情况相吻合，因此可利用此程序优化设计出直井需配套注塑杆长度。 （1）抽油杆柱中性点计算公式如下：L=式中：P惯下=b= qr：每米抽油杆的质量，Kg/m （19mm：2.35，22mm：3.186， 25mm：4.091）：抽油杆材料（钢的密度），=7850Kg/m3：抽汲液体的密度Kg/m3 （原油取830Kg/m3）=fw +（1-fw）fw：含水率，小数 ：水的密度，Kg/m3（1000Kg/m3） ：原油密度，Kg/m3（830Kg/m3）L：抽油杆柱长度，m； g：重
14、力加速度，m/s2（9.8）S：冲程（4.8，3） n：冲次 因在文南油田主要为三级杆组合，故P惯下=（qr19L19+ qr22L22+ qr25L25）（2）P轴=P摩干+P阀式中（1）P摩干=（0.94D/b-140） 单位N D：抽油泵直径（32-57mm） b：柱塞与泵筒的配合间隙，mm（一级：0.025-0.08，二级 ：0.050-0.113，三级0.075-0.138，计算时取一级泵值：0.056）P阀=式中：k：抽油泵柱塞上游动阀的数目（2个）； ：流量系数，=f（Rs）其中Rs为雷诺数，Rs= d0：游动阀阀孔径 W液：采出液体的运动粘度（10-4m2/s）当Rs3104时，=0.28（其中与Rs曲线见采油工程原理设计P110标准型阀的流量系数）F：柱塞的截面积m2 32：8.0310-4 38：11.3410-444：15.2010-4 50：19.6310-457：24.6210-4 游动阀阀座孔直径： 泵径 阀直径
