王羕（大慶油田采油工程研究院）

抽油機(jī)采油作為一種傳統(tǒng)、技術(shù)成熟、適用范圍廣的采油技術(shù)，占據(jù)著原油開采領(lǐng)域絕對(duì)性的領(lǐng)導(dǎo)地位。然而，桿管偏磨現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，甚至造成桿管斷脫、漏失，縮短采出井免修期，增加維護(hù)費(fèi)用[1-2]。隨油田開發(fā)程度的增加，尤其在油田開發(fā)中后期，桿管偏磨現(xiàn)象愈發(fā)明顯，因桿管偏磨造成的檢泵作業(yè)數(shù)量逐年增加，占維護(hù)成本半數(shù)以上[3]，已成為增加檢泵率、降低免修期的主要因素，是各大油田中后期開發(fā)的主要限制性因素之一[4-7]。

大慶、遼河、勝利等各大油田均投入大量資源以解決桿管偏磨的困境，但因各油田所屬區(qū)塊采出井井況的差異性及開發(fā)程度的不同，造成各自結(jié)論的局限性不一而足。為解決這一問(wèn)題，文中對(duì)桿管偏磨的原理進(jìn)行了細(xì)致分析，并提出相應(yīng)的解決方案，為防偏磨措施的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

1 桿管偏磨原因

1.1 井身結(jié)構(gòu)

我國(guó)各大油田在采出井生產(chǎn)過(guò)程中，除了優(yōu)先選用垂直井外，還會(huì)不可避免的選用斜井，以確保原油產(chǎn)量及開采合理化，圖1即是抽油桿在自然井斜內(nèi)的示意圖。因油管與垂直方向保持了一定角度，在抽油桿自身重力的作用下，沿抽油桿的徑向方向?qū)τ凸軆?nèi)壁產(chǎn)生壓力。因壓力的存在，導(dǎo)致抽油桿接箍始終同油管內(nèi)壁相接觸，在抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，該接觸面的磨損程度會(huì)逐漸增大，一方面使抽油桿接箍外表面磨損直至斷裂失效，另一方面使油管內(nèi)壁造成磨損直至穿孔失效[8-9]。除自然井斜外，還有部分采出井是由于地層運(yùn)動(dòng)使套管變形，進(jìn)而擠壓油管，使油管在垂直方向上發(fā)生一定程度的偏移，造成桿管偏磨[10-11]，套損井桿管偏磨泵示意圖見圖2。

圖1 自然井斜內(nèi)示意圖

1.2 抽油桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖2 套損井桿管偏磨示意圖

在抽油桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起桿管偏磨的過(guò)程中，“失穩(wěn)”為主要因素[12]。當(dāng)抽油桿進(jìn)行下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，在中和點(diǎn)上部的抽油桿重量由懸點(diǎn)承受，主要受拉力作用，抽油桿無(wú)彎曲變形；中和點(diǎn)之下的抽油桿因自身重力小于慣性力，當(dāng)抽油桿整體做下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，中和點(diǎn)下部抽油桿繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，造成抽油桿彎曲，形成“失穩(wěn)”現(xiàn)像[13]，圖3 為抽油桿下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)“失穩(wěn)”示意圖。抽油桿在不斷彎曲、恢復(fù)的過(guò)程中，改變了抽油桿的振動(dòng)頻率，使抽油桿易發(fā)生共振，加大了抽油桿的變形概率?！笆Х€(wěn)-共振”相互促進(jìn)，致使桿管偏磨的進(jìn)一步加劇?！笆Х€(wěn)”引發(fā)的偏磨為抽油機(jī)井的主要偏磨形式，亦是各油田的重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖3 抽油桿“失穩(wěn)”示意圖

1.3 泵徑

不同泵徑的抽油泵在油管內(nèi)所占據(jù)的空間是不一樣的，小泵徑的抽油泵柱塞底端截面積較小，受環(huán)空液柱所產(chǎn)生的壓力也較小，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，抽油桿下端的柱塞與泵筒摩擦阻力小，中和點(diǎn)相比大泵徑的抽油泵要更低，抽油桿振動(dòng)小，發(fā)生“失穩(wěn)”偏磨的概率遠(yuǎn)低于大抽油泵[14]。圖4 為某油田不同區(qū)塊下不同泵徑偏磨率曲線圖。抽油泵柱塞與泵筒摩擦阻力隨抽油泵直徑的增加而增大，令抽油桿中和點(diǎn)的位置向井口方向上移，增加了中和點(diǎn)距抽油桿底端的長(zhǎng)度，使該部分易于彎曲，造成桿管偏磨概率的增加。

圖4 某油田不同區(qū)塊下不同泵徑偏磨率曲線圖

1.4 泵掛深度

圖5 為某油田不同區(qū)塊泵掛深度與偏磨率曲線圖，從圖中可看出偏磨率隨泵掛深度的增加呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。泵掛深度增加后，井身結(jié)構(gòu)對(duì)采出井的影響愈發(fā)突出，井斜、地層運(yùn)動(dòng)等因素會(huì)增加套損及抽油桿、油管間相互摩擦的可能性，提升桿管偏磨的概率。此外，抽油桿的下行阻力會(huì)隨泵掛深度的增加而增大，使抽油桿在下沖程運(yùn)動(dòng)中和點(diǎn)上移、振動(dòng)加大、穩(wěn)定性變差，加劇了“失穩(wěn)”現(xiàn)象的發(fā)生概率[15]。

圖5 不同區(qū)塊泵掛深度與偏磨率曲線圖

1.5 其他因素

除井身結(jié)構(gòu)、抽油桿運(yùn)動(dòng)、抽油泵泵徑及泵掛深度4個(gè)因素外，抽油泵工作時(shí)性能的穩(wěn)定性、采出井結(jié)蠟程度及井液含聚濃度也是影響桿管偏磨的重要因素。當(dāng)抽油泵的工作性能（泵效）頻繁變化時(shí)，其充滿系數(shù)隨泵效發(fā)生劇烈變化，抽油桿受力情況隨之發(fā)生頻繁變化，導(dǎo)致“失穩(wěn)”引起偏磨。抽油桿在結(jié)蠟嚴(yán)重的采出井內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生距離的抖動(dòng)，引起桿管接觸，產(chǎn)生偏磨。采出井含聚濃度增加時(shí)，其井液黏度也隨之增加，使受力中和點(diǎn)不斷向井口方向移動(dòng)，增大“失穩(wěn)”概率。

2 治理措施

國(guó)內(nèi)外研究人員除研制無(wú)桿舉升方式以達(dá)到防偏磨的目的外，主要從有桿泵采油配套技術(shù)與桿管表面強(qiáng)化技術(shù)的角度進(jìn)行攻關(guān)。配套技術(shù)以扶正、旋轉(zhuǎn)、加重原理為主，以達(dá)到防偏磨目的；桿管表面強(qiáng)化技術(shù)以增強(qiáng)桿管接觸面的光滑度、抗磨強(qiáng)度為主要手段，實(shí)現(xiàn)桿管抗摩擦的功能。

2.1 扶正技術(shù)

在抽油桿上加裝扶正器避免桿管接觸為常用的扶正手段[16]。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，接箍式扶正器（圖6）具有良好的扶正效果，避免了扭卡式扶正器（圖7）存在的竄位、刮落現(xiàn)象。接箍式扶正器可避免桿管的直接接觸，延長(zhǎng)桿管的工作壽命。但其徑向尺寸大于抽油桿，在井液流經(jīng)接箍式扶正器時(shí)會(huì)降低井液的過(guò)流面積，造成流動(dòng)阻力上升，使抽油桿的下沖程阻力增加，故在大排量抽油機(jī)井應(yīng)用過(guò)程中效果一般。

圖6 接箍式扶正器

圖7 扭卡式扶正器

2.2 旋轉(zhuǎn)技術(shù)

旋轉(zhuǎn)防偏磨技術(shù)主要利用抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能，并利用特殊的裝置將其轉(zhuǎn)換為抽油桿或油管的旋轉(zhuǎn)能量，使抽油桿或油管在控制范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)（抽油桿每日旋轉(zhuǎn)3～5圈，油管每日旋轉(zhuǎn)4°～6°），使桿管由單側(cè)摩擦變?yōu)閳A周摩擦，避免桿管的局部磨損過(guò)多，造成抽油桿斷脫或油管磨漏[17]，圖8、圖9分別為抽油桿旋轉(zhuǎn)裝置和油管旋轉(zhuǎn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)物。該技術(shù)曾在遼河油田曙光采油廠取得良好應(yīng)用效果，適用于泵掛深度大、沉沒(méi)度低的采出井[18]。

圖8 抽油桿旋轉(zhuǎn)裝置應(yīng)用實(shí)物圖

圖9 油管旋轉(zhuǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)物圖

2.3 加重技術(shù)

抽油桿加重技術(shù)以解決抽油桿下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)中和點(diǎn)下部所產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象為著力點(diǎn)，通過(guò)合理匹配加重塊或加重桿[19]，使抽油桿的重量增加，讓抽油桿在下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)自身重力大于向上的阻力，中和點(diǎn)下移，使其處于拉伸狀態(tài)，減少抽油桿的變形彎曲長(zhǎng)度，降低“失穩(wěn)”發(fā)生頻率，減少桿管偏磨[20]。圖10、圖11分別為加重桿示意圖、實(shí)物圖。

圖10 加重桿示意圖

圖11 加重桿實(shí)物圖

2.4 表面強(qiáng)化技術(shù)

桿管表面強(qiáng)化是在桿管表面增加抗磨圖層。以抽油桿雙向保護(hù)接箍（圖12）和超高分子內(nèi)襯油管（圖13）為主[21]。表面涂層不僅增加二者的抗磨損能力，同時(shí)令桿管的摩擦系數(shù)大幅減少。雙向保護(hù)接箍的使用壽命是普通接箍的20 倍以上，在大港油田、中原油田的應(yīng)用中均取得良好效果[22]。內(nèi)襯油管技術(shù)隨著超高分子聚乙烯材料的逐漸成熟，越來(lái)越受到各油田的青睞，內(nèi)襯油管可有效降低桿管接觸時(shí)的摩擦系數(shù)，對(duì)桿管起到良好的雙向保護(hù)作用，在遼河油田應(yīng)用過(guò)程中取得良好效果[23]。

圖12 抽油桿雙向保護(hù)接箍

圖13 超高分子內(nèi)襯油管

2.5 生產(chǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)

通過(guò)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)防偏磨，主要是通過(guò)抽油機(jī)沖程、沖速的合理匹配以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)的目的，多應(yīng)用于低產(chǎn)井。其前提是保證采出井產(chǎn)液量，在該基礎(chǔ)上可以降低抽油桿的沖程，以減小井液對(duì)抽油泵的阻力，使中和點(diǎn)下移，以減少抽油桿受壓部分的長(zhǎng)度；減少?zèng)_速，抽油桿下沖程運(yùn)動(dòng)頻率降低，減少抽油桿發(fā)生共振及桿管接觸頻率，可優(yōu)先考慮間抽技術(shù)。

3 組合式防偏磨措施

采出井運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)情況一般較為復(fù)雜，只應(yīng)用一種防偏磨措施，往往不能達(dá)到理想的應(yīng)用效果。根據(jù)采出井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及井況，正確組合、匹配治理措施，有助于提高防偏磨效果，延長(zhǎng)免修期。為試驗(yàn)組合式防偏磨措施的應(yīng)用效果，在東北某大型油田部分采油廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別測(cè)試不同組合式防偏磨措施對(duì)低產(chǎn)偏磨井和高產(chǎn)偏磨井的應(yīng)用效果。

3.1 加重桿+接箍扶正器

對(duì)于偏磨嚴(yán)重的外圍低產(chǎn)采出井可采用加重桿與接箍扶正器組合措施。表1為某油田加重桿、接箍扶正器組合應(yīng)用前后免修對(duì)比，應(yīng)用組合式防偏磨措施后，7 口偏磨井的免修期均得到有效延長(zhǎng)，平均免修期增加近200 天，防偏磨措施應(yīng)用效果良好。

表1 某油田加重桿、接箍扶正器組合應(yīng)用前后免修期對(duì)比

3.2 加重桿+雙向保護(hù)接箍

不適用于扶正器的高產(chǎn)偏磨井，可選用加重桿、雙向保護(hù)接箍的組合結(jié)構(gòu)，以避免井液在運(yùn)動(dòng)中造成過(guò)流面積減少的現(xiàn)象發(fā)生。該組合可增加桿管表面光滑程度，降低其摩擦系數(shù)，達(dá)到理想的應(yīng)用效果，某油田加重桿、雙向保護(hù)接箍組合前后免修期對(duì)比見表2，單井最長(zhǎng)免修周期延長(zhǎng)近400 天（L 井）。

表2 某油田加重桿、雙向保護(hù)接箍組合應(yīng)用前后免修期對(duì)比

組合式防偏磨措施對(duì)低產(chǎn)偏磨井、高產(chǎn)偏磨井均具有良好的防偏磨效果，有效延長(zhǎng)偏磨井的免修期，二者平均免修周期由285 天延長(zhǎng)至516 天延長(zhǎng)了231天，每三年因桿管偏磨所引起的檢泵作業(yè)由4 次降低至2 次，桿管偏磨檢泵率降低50%，組合式防偏磨措施應(yīng)用效果顯著。

該大型油田2016—2018 年抽油機(jī)井平均檢泵超12 000 井次/a，而桿管偏磨所引起的檢泵作業(yè)占抽油機(jī)井總檢泵數(shù)量20%以上，即抽油機(jī)井桿管偏磨作業(yè)的檢泵數(shù)量超2 400井次/a。應(yīng)用組合式防偏磨措施，桿管偏磨檢泵率可降低近50%，減少檢泵作業(yè)1 200 井次/a，降低檢泵費(fèi)用4 800 萬(wàn)元/a（抽油機(jī)井檢泵作業(yè)費(fèi)用4 萬(wàn)元/次）；該油田抽油機(jī)井平均產(chǎn)液量為26.18 t/d，平均含水率為96.4%，平均產(chǎn)油量為0.942 t/d，而檢泵至恢復(fù)生產(chǎn)的平均周期為4天/井次，則每年因檢泵作業(yè)減少而降低的原油產(chǎn)能損耗可達(dá)4 521.6 t，減少原油產(chǎn)能的經(jīng)濟(jì)損失為1 164.493萬(wàn)元/a。應(yīng)用組合式防偏磨措施，可為該大型油田減少經(jīng)費(fèi)損失5 964.493萬(wàn)元/a，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

抽油機(jī)井桿管偏磨的影響因素主要有井身結(jié)構(gòu)、抽油桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律、抽油泵泵徑、泵掛深度。除在井斜狀態(tài)下造成桿管磨損外，抽油桿做下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)“失穩(wěn)”變形也是桿管偏磨的主要因素，抽油泵泵徑增加、泵掛加深都將加大偏磨現(xiàn)象的發(fā)生概率。應(yīng)用防偏磨裝置可有效治理?xiàng)U管偏磨，但各措施在具體應(yīng)用時(shí)，還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行合理選擇，組合式防偏磨措施在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果，可對(duì)其進(jìn)一步推廣應(yīng)用，并結(jié)果生產(chǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)的方式，以發(fā)揮組合式防偏磨措施的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)增長(zhǎng)、節(jié)能降耗的生產(chǎn)目的。