抽油杆防断脱分析及偏磨治理

抽油杆断脱原因分析及治理措施

王勤

延长油田股份有限公司吴起采油厂

摘要：本文结合吴起采油厂历年来的油井作业情况，分析抽油杆断脱、偏磨的原因及治理办法。抽油杆断脱主要是因为杆柱在下行过程中受到的阻力达到一定值后产生弯曲，从而引起偏磨造成的。通过采取调整油杆组合、合理运用扶正器及清防蜡技术等措施，可减少杆管偏磨，降低抽油杆断脱几率，从而延长油井检泵周期。

关键词：抽油杆；断脱分析；偏磨治理

据统计，吴起采油厂长官庙采油大队2014年1至6月份的油井平均检泵周期仅为315天，期间，该大队累计作业油井67口，其中因抽油杆断脱引起的有43井次，所占比例达到64.2%。因抽油杆断脱大幅缩短了该大队油井平均检泵周期，所以本文分析了造成抽油杆断脱的主要原因，为今后该大队如何延长油井的检泵周期提供必要的理论依据。

1 原因分析

1.1 原理（1）

除去人为因素，抽油杆断脱井都有偏磨段，杆管偏磨主要是由于抽油杆柱下行过程中遇到的阻力达到一定值后发生弯曲造成的。抽油杆正常工作时，在传递力的过程中承受着各种载荷，这些载荷对抽油杆的作用比较复杂。上冲程时，抽油杆主要受地面机械的拉应力，不会发生弯曲变形，即抽油杆与油管间不会产生过大的摩擦力；而下冲程情况则不同，轴向力和法向力共同作用于抽油杆——柱塞系统。

抽油机正常生产时，抽油杆柱承受着由Ｐｍｉｎ到Ｐｍａｘ交变载荷的作用，因此，在抽油杆内产生了由δｍｉｎ到δｍａｘ的循环应力：

δｍａｘ= Ｐｍａｘ/ｆｒ

δｍｉｎ= Ｐｍｉｎ/ｆｒ

δｍａｘ———抽油杆柱顶部的最大应力；

δｍｉｎ———抽油杆柱顶部的最小应力；

Ｐｍａｘ———悬点最大载荷；

Ｐｍｉｎ———悬点最小载荷；

ｆｒ———抽油杆柱的截面积。

在材料力学中，通常把在交变应力下最小应力与最大应力之比称为交变应力的循环特性，用r来表示，即：

ｒ=δｍｉｎ/δｍａｘ

当ｒ= -1，即δｍａｘ= -δｍｉｎ时，交变应力的循环特性为对称循环。

当ｒ= 0，即δｍｉｎ= 0时，交变应力的循环特性为脉动循环。

抽油杆内产生的从δｍｉｎ到δｍａｘ的交变应力不属于上述两种特性，其循环特性为非对称循环。

1.2 断脱原因分析

油管的径向摆动。实际生产过程中，由于抽油杆与油管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抽油泵筒之间难以保持轴向同心。因此，泵内柱塞在往复运动过程中，泵筒对柱塞的横向制约将导致泵筒带动油管柱径向摆动。如果抽油泵沉没度小，油套环形空间内的液体就少，油管所受的径向束缚力就小，油管的径向摆动就会相对剧烈，从而容易引起杆、管断脱。

抽油杆下行所受阻力造成抽油杆偏磨、断杆。抽油杆下行过程中所受阻力会引起杆体弯曲。在接近活塞处下部抽油杆自身重量小，受弹性力的作用，抽油杆弯曲部分上翘，如果抽油杆下部弯曲方向与上部相同，则弯曲程度更大，偏磨就更严重。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，抽油杆弯曲部位由于局部拉伸，疲劳强度会大大降低，在抽汲过程中极易发生断杆情况。

井身结构。在抽油杆下部加扶正器后，杆管偏磨段上移，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过程中发生弯曲变形所致。

冲次与断杆的关系。据统计，断杆井中高冲次井所占比例较高。冲次越高，单位时间内抽油杆改变运动方向的次数越多，下部受压杆

越长，压力越大。随着交变载荷的增加，抽油杆的疲劳程度就会加剧，动载荷增加，抽油杆的弯曲程度增大，从而增大了断杆的几率。

泵径与断杆的关系。断杆井中大泵径井所占比例较高。由于抽油泵柱塞偏磨，柱塞与泵筒之间的局部摩擦力增大，导致抽油杆柱下行过程中阻力增大，引起杆管偏磨，偏磨到一定程度后，在拉应力的作用下发生断杆。一般来讲，泵径越大，抽油杆的负荷越大，抽油杆的负荷与冲次、泵径、泵挂成正比，尤其是冲次和泵径，随着工作强度的增大，抽油杆所受载荷大幅增加，振动载荷明显加大，当超过抽油杆的许用应力时，就容易造成断脱。

井况影响。供液能力差，产出液含水率较高，地质条件差，结蜡等也是造成抽油杆断的重要因素。目前该队所属油井含水率基本在50%至60%之间。油井随着含水率上升，产出水直接接触金属，抽油杆、油管由油湿变为水湿，失去了原油的润湿作用。此外，由于产出水中溶解有CO2、H2S等，它们水解产生的H+对抽油杆、油管产生腐蚀作用，导致两者表面粗糙度增大，摩擦系数增加，杆管间磨损加快，最后抽油杆的某一点在交变载荷的作用下，应力集中，从而造成断杆。结蜡使液体流动空间减小，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、断杆，即结蜡增大抽油杆上下行阻力，造成杆柱弯曲，杆、管偏磨，增大断杆几率。

断杆与管理。调整抽油机平衡，使上下冲程时间基本相等，减小动载荷，减小杆管形变磨损，这能在很大程度上降低断杆的几率。

2 影响杆管偏磨的因素分析研究

2.1 井眼轨迹的影响

描述井眼轨迹的参数主要有井深、井斜和方位。描述井眼轨迹规则程度的参数是井斜变化率和方位变化率或全角变化率。对于大位移井，在增斜段和降斜段由于井斜变化率和方位变化率增大导致抽油杆发生局部变形，将引起杆管偏磨。

2.2 抽油杆失稳的影响

在抽油机下冲程过程中，中和点以下的抽油杆柱的重力较小，不足以克服其它各种向上的阻力，而该点以上的杆柱重力较大，作用于该点向下的压力也较大。下部杆柱在强大的压力作用下，完成下冲程，杆柱极易发生失稳或正弦及螺旋弯曲，形成偏磨。

2.3 沉没度的影响

沉没度对光杆偏磨的影响主要体现在低沉没度时，井底流压低，井筒液的进泵能力差，导致泵内供液不足，泵的充盈系数降低，在抽油杆下行过程中会出现柱塞与液面之间的液击现象，造成抽油杆所受的瞬时压力变大，从而导致抽油杆发生弯曲变形，并产生振动，引起抽油杆偏磨。

2.4 含水率的影晌（2）

随着含水率的上升，偏磨井数逐渐增加。当油井产出液含水率大于65.5%时，产出液由油包水型转换为水包油型，导致抽油杆和油管表面失去原油的润滑作用，产出水直接接触抽油杆和油管，摩擦的润滑剂由原油变为产出水，加之产出水中H+对抽油杆和油管的腐蚀作用，使两者的表面变得粗糙，导致两者间的磨损速度加快，断杆几率变大。

2.5 抽油机运行参数的影响（3）

在抽油机运行过程中，抽油杆下行时受到井液的阻力、杆管间的摩擦阻力、柱塞与泵筒间的摩擦阻力等的作用，导致抽油杆自身重力无法克服阻力而产生正弦或者旋转屈曲，下行速度滞后于悬绳器，当冲次过高时，就会加剧抽油杆的弯曲变形，从而加剧杆管偏磨。

3 治理措施

3.1 调整工作制度

大冲程、小冲次、合理泵径。工作制度调整后，该大队平均单井沉没度上升，油杆所受最大载荷下降，最小载荷上升。这说明抽油杆的受力状况可以通过调整工作制度来实现，进而达到降低油井断杆几率，延长检泵周期的目的。

适当上提泵挂。根据油井基本数据、动液面、泵挂深度等，在条件允许的情况下，适当上提泵挂。

井况措施。①结蜡使液体流动空间减小，结蜡点处抽油杆柱所受到的液体摩擦力急剧增加，导致结蜡点上部的抽油杆柱产生屈曲，从而造成抽油杆断。针对这一问题，我们要摸索油井的结蜡规律，制定合理的清蜡制度，并严格执行，以降低油井的结蜡几率。②结垢与腐蚀都会增大抽油杆与油管间的摩擦系数，即同等条件下抽油杆与有关间的摩擦力增大，再在井身结构和井况的双重影响作用下，抽油杆上下行过程中所受阻力均增大，从而导致抽油杆疲劳弯曲，造成油井短期内断杆。现在的做法是定期向井内加入阻垢剂，降低管杆的结垢几率，从而降低管杆间的摩擦系数。

3.2 合理使用扶正器

在偏磨严重的井段，合理使用碳纤维抽油杆扶正器。该扶正器以尼龙纽卡式扶正器为主，配合使用少量的浇铸式扶正器，可有效避免抽油杆与油管间的偏磨，从而降低油井的断杆几率，延长油井的检泵周期。

3.3 对不平衡的油井调平衡

该措施的主要目的在于降低抽油杆的最大载荷，使其应力集中点所受到的拉应力处于抗拉强度范围内，从而降低油井的断杆几率，延长油井的检泵周期。

4 结论

①引起长官庙采油大队油井抽油杆断脱的因素相对复杂，而且同一口油井中往往存在多种因素并存且同时作用的可能。其中主要的因素是井况及井身结构复杂、含水较大、结蜡结垢等。②在抽油杆的断与脱之间，断是主要的。最容易发生断的部位是抽油杆接箍处以及抽油杆与泵筒的连接处。因此预防这些部位的断脱就是今后的重点。③对该大队沉没度低的油井，在确保日产油量稳定的同时，降低其生产参数，这不仅可以提高单井的泵效，降低断杆频次，还能减少耗电量等生产成本的投入。

5 结束语

本文阐述了长官庙采油大队油井检泵周期短及断杆频次高的原因，分析了抽油杆在使用过程中所受的力及其主要断脱因素。从根本上讲，抽油杆断脱都是因为其自身受力发生失稳、弯曲及正弦变形或井身结构弯曲，造成杆管之间的偏磨，使抽油杆局部横截面积大幅降低，再在多种力的作用下形成应力集中引起的。针对这些问题，本文也提出了优化工作制度、调整抽油杆组合、释放法向力及加强管理等综合技术措施，以达到降低抽油杆的断脱几率，延长油井检泵周期的目的。

参考文献:

【1】张琪.采油工程原理。石油工业出版社，1999

【2】杨海滨，刘松林，李汉周.三维井眼抽油杆与油管防偏磨技术研究与应用的研制与应用田.钻采工艺，2006,3

【3】刘健敏.三维井眼杆管防偏磨技术研究[D]一东营:中国石油大学(华东),2008