抽油杆偏磨原因分析

　2011年第7期　　　　　　　　　　　　内蒙古石油化工

55

抽油杆偏磨原因分析

许萍文, 魏　伟, 白国红

(青海油田采油一厂)

　　摘　要:随着油田开发进入高含水期, 抽油机井杆管之间的润滑环境发生了变化, 使得抽油杆、管的偏磨现象日趋严重。抽油机井杆、管偏磨呈急剧上升的趋势, 已成为影响油井正常生产的主要原因之一。本文从抽油机井生产实际出发, 对抽油杆工作状态下的受力进行分析, 找出影响抽油杆管偏磨产生的因素, 对实际生产具有一定的指导意义。

关键词:受力分析; 偏磨; 沉没度; 含水　　中图分类号:T E933+. 207　　文献标识码:A 　　文章编号:1006—7981(2011) 07—0055—021　杆管偏磨特点

中在杆、管柱的中、下部, 一般在泵以上800m 以内。 在抽油井的偏磨井段抽油杆接箍大多存在偏磨, 本体偏磨严重的仅占少一部分, 接箍偏磨严重的井段所对应的有关存在明显偏磨。 从偏磨外观看, 抽油杆表现为接箍或本体一侧被磨平, 严重者抽油杆螺纹被磨平; 油管表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽, 甚至被磨穿。

2　抽油杆偏磨原因分析

抽油杆磨损速度受井深结构、杆管组合、生产参数、原油物性等诸多因素的影响, 是各种因素共同作用的结果。

2. 1　抽油杆中下部受力分析

抽油杆下行时, 抽油杆柱受的合力方向向下, 对于下部抽油杆来说, 同时也受方向朝上的应力作用。包括:惯性力、抽油杆柱所受摩擦力, 泵筒与柱塞间的摩擦力及采出液经过游动凡尔的阻力等八种方向向上的作用力。

抽油杆柱惯性力P 惯, 抽油机下冲程时, 抽油杆柱做变速运动, 因而产生惯性力, 其最大值为:L WSN 2r

1-1790l

式中:P 惯——, N;

W ——单位长度抽油杆的重量, /m ; L ——泵挂深度, m ;

P 惯=

(1)

　

　

杆管偏磨的程度、位置等因各油田而异, 但也有共同特征: 井液含水在75%以上的油田, 不论是直井还是斜井, 普遍存在杆、管偏磨现象。井深、井斜度大, 套管井段存在拐点的油井偏磨严重。 随着泵挂深度的增加, 偏磨井数及其在同类井中所占的比例均大幅度增加。 从沉没度的分布情况来看, 偏磨井主要集中在低沉没度的油井上。 抽油杆偏磨井的抽汲参数(冲程和冲次的乘积) 相对较高。 从偏磨的深度范围来看, 抽油杆柱和有关偏磨位置主要集

S ——光杆冲程, m; N ——冲数, min -1;

r ——抽油机曲柄半径, m ; l ——抽油机连杆半径, m 。

抽油杆(包括接箍) 与液体的摩擦力P h 。抽油杆柱与液柱之间的摩擦力发生在下冲程, 摩擦力的值随抽油杆下行的速度变化, 其最大值为:

M 2ri -1

P h =2 V max L ri (2) 22

(M ri +1) lnM ri -(M ri -1)

式中:P h ——抽油杆与液柱间的摩擦力, N ;

——井液的粘度, Pa ・s;

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内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2011年第7期　

比关系。因此, 泵径越大, 这两种阻力就越大。另外, 泵径越大造成的液击冲击载荷也较大, 抽油杆中和点上移。所以泵径越大, 偏磨也就越严重。2. 2. 2　含水的影响

随着油田开采方式及地层条件的变化, 含水率随之上升。当采出液的综合含水达到70%已上时, 抽油杆的润滑介质也发生了变化, 由原来的油包水型转化为水包油型, 加剧了抽油杆与油管之间的摩擦。同时随着含水上升, 井液的相对密度增大, 抽油杆柱所受的浮力、上顶力、采出液流过游动阀的阻力也会增大, 使抽油杆柱下行阻力增加。

2. 3　动液面的影响

油井动液面是泵挂深度的决定因素。动液面越深, 泵挂深度也越深, 抽油杆的下行阻力也就越大。2. 4　生产参数的影响

抽油机井的生产参数对抽油杆柱下行时的惯性力、液体流过游动阀的阻力、振动载荷、液体的冲击载荷都有影响, 当工作参数增大时, 阻力也相应增大。同时, 冲次越快, 单位时间内, 偏磨的次数也增加。

2. 5　原油物性的影响

原油密度越大, 井液密度也就越大, 抽油杆柱下行阻力也相应增大。另外, 原油的粘度越大, 流动系数越小, 液体经过游动阀的阻力越大。这也是造成抽油杆偏磨的原因之一。3　结论及认识

通过生产和理论分析认识到, 在抽油机井生产中, 抽油杆与油管偏磨的影响因素较多, 只能通过综合防治措施才能收到好的效果。3. 1　选择合理的生产参数。由于冲程和冲次对液流通过游动阀产生的下行阻力有较大的影响, 因此要根据配产的要求, 选取合理的生产参数组合。3. 2　选择合理的沉没度。若沉没度过大, 当上冲程游动阀关闭时, 在吸入压力作用下, 抽油杆受到上顶力的作用而产生弯曲; 若沉没度过小, 由于油管失去环空液体作用, 其振动和摆动加剧, 也会导致杆管偏磨加剧。

3. 3　下加重杆和扶正器。在抽油杆柱底部一加重杆可使抽油杆柱中和点下移, 对减缓偏磨有一定效果。3. 4　加强日常维护。

[参考文献]

[1]　李颖川. 采油工程[M ]. 北京:石油工业出版社, 2002.

[2]　吴则中, 李景文, 等. 抽油杆[M ]. 北京:石油工

业出版社, 1994.

[3]　万仁溥, 罗英俊. 采油技术手册第四分册[M ].

北京:石油工业出版社, 1993. [4]　安锦高. 有杆抽油设备与技术. 有杆抽油系统

[M ]. 北京:石油工业出版社, 1994.

[5]　王鸿勋, 张琪. 采油工艺原理[M ]. 北京:石油

工艺出版社.

V max ——抽油杆最大下行速度, m /s ; V max =60SN

M ri ——油管内径与抽油杆外径之比。

抽油杆与油管之间的摩擦力P 管, 根据矿场经验, 在直井内通常不超过抽油杆重量的1. 5%, N 。 柱塞与泵筒之间的半干摩擦力P f

P 管=-140(3)

式中:D ——抽油泵的直径, mm;

——在柱塞-泵筒副半径上的间隙, m m 。根据矿场经验, 当泵径不超过70mm 时, 半干摩擦力不超过1717。

P r

f A 3P 1+1. 5n k A p 2

=××L P r 728 f g 0d 0A p SN Re=

19vf 0

式中:P r ——采出液流过游动阀的阻力, ;

n k ——游动阀个数, 一般为2个;

——流量系数, 可由图1-3查得; A p ——柱塞面积, m 2;

f 0——游动阀孔的断面积, m 2; g ——重力加速度, m /s2; —产出液相对密度, kg/m 3; L —

d 0——游动阀座孔直径, m ;

v ——采出液的运动粘度, cm 2/s 。

在上死点下行游动阀打开瞬间即打开后柱塞上、下压力均为柱塞上的液柱压力, 由于柱塞上下面积差等于一个下部抽油杆截面积, 因此产生一个上顶力,

P 顶=103L A d (6) L g

式中:P 顶——上死点下行时游动阀打开瞬间即打开

后抽油杆所受的上顶力, kN ; L ——动液面, m;

A d ——最下一级抽油杆截面积, m 2; —产出液相对密度, kg /m 3; L —

抽油杆住所受的浮力 L

L r W i R i

i =1r

式中:P V ——抽油杆柱所受的浮力, ;

P V =

(4) (5)

∑

n

(7)

—产出液相对密度, kg/m 3; L —

—抽油杆密度, kg /m 3; r —

L r ——抽油杆长度, m; ——抽油杆级数;

W i ——第级抽油杆单位长度的重量, /m ;

R i ——第级抽油杆长度占抽油杆总长度的百分数。

2. 2　抽油杆偏磨影响因素2. 2. 1　泵径的影响

从受力情况分析可见, 柱塞与泵筒之间的半干

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抽油杆偏磨原因分析

许萍文, 魏　伟, 白国红

(青海油田采油一厂)

　　摘　要:随着油田开发进入高含水期, 抽油机井杆管之间的润滑环境发生了变化, 使得抽油杆、管的偏磨现象日趋严重。抽油机井杆、管偏磨呈急剧上升的趋势, 已成为影响油井正常生产的主要原因之一。本文从抽油机井生产实际出发, 对抽油杆工作状态下的受力进行分析, 找出影响抽油杆管偏磨产生的因素, 对实际生产具有一定的指导意义。

关键词:受力分析; 偏磨; 沉没度; 含水　　中图分类号:T E933+. 207　　文献标识码:A 　　文章编号:1006—7981(2011) 07—0055—021　杆管偏磨特点

中在杆、管柱的中、下部, 一般在泵以上800m 以内。 在抽油井的偏磨井段抽油杆接箍大多存在偏磨, 本体偏磨严重的仅占少一部分, 接箍偏磨严重的井段所对应的有关存在明显偏磨。 从偏磨外观看, 抽油杆表现为接箍或本体一侧被磨平, 严重者抽油杆螺纹被磨平; 油管表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽, 甚至被磨穿。

2　抽油杆偏磨原因分析

抽油杆磨损速度受井深结构、杆管组合、生产参数、原油物性等诸多因素的影响, 是各种因素共同作用的结果。

2. 1　抽油杆中下部受力分析

抽油杆下行时, 抽油杆柱受的合力方向向下, 对于下部抽油杆来说, 同时也受方向朝上的应力作用。包括:惯性力、抽油杆柱所受摩擦力, 泵筒与柱塞间的摩擦力及采出液经过游动凡尔的阻力等八种方向向上的作用力。

抽油杆柱惯性力P 惯, 抽油机下冲程时, 抽油杆柱做变速运动, 因而产生惯性力, 其最大值为:L WSN 2r

1-1790l

式中:P 惯——, N;

W ——单位长度抽油杆的重量, /m ; L ——泵挂深度, m ;

P 惯=

(1)

　

　

杆管偏磨的程度、位置等因各油田而异, 但也有共同特征: 井液含水在75%以上的油田, 不论是直井还是斜井, 普遍存在杆、管偏磨现象。井深、井斜度大, 套管井段存在拐点的油井偏磨严重。 随着泵挂深度的增加, 偏磨井数及其在同类井中所占的比例均大幅度增加。 从沉没度的分布情况来看, 偏磨井主要集中在低沉没度的油井上。 抽油杆偏磨井的抽汲参数(冲程和冲次的乘积) 相对较高。 从偏磨的深度范围来看, 抽油杆柱和有关偏磨位置主要集

S ——光杆冲程, m; N ——冲数, min -1;

r ——抽油机曲柄半径, m ; l ——抽油机连杆半径, m 。

抽油杆(包括接箍) 与液体的摩擦力P h 。抽油杆柱与液柱之间的摩擦力发生在下冲程, 摩擦力的值随抽油杆下行的速度变化, 其最大值为:

M 2ri -1

P h =2 V max L ri (2) 22

(M ri +1) lnM ri -(M ri -1)

式中:P h ——抽油杆与液柱间的摩擦力, N ;

——井液的粘度, Pa ・s;

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比关系。因此, 泵径越大, 这两种阻力就越大。另外, 泵径越大造成的液击冲击载荷也较大, 抽油杆中和点上移。所以泵径越大, 偏磨也就越严重。2. 2. 2　含水的影响

随着油田开采方式及地层条件的变化, 含水率随之上升。当采出液的综合含水达到70%已上时, 抽油杆的润滑介质也发生了变化, 由原来的油包水型转化为水包油型, 加剧了抽油杆与油管之间的摩擦。同时随着含水上升, 井液的相对密度增大, 抽油杆柱所受的浮力、上顶力、采出液流过游动阀的阻力也会增大, 使抽油杆柱下行阻力增加。

2. 3　动液面的影响

油井动液面是泵挂深度的决定因素。动液面越深, 泵挂深度也越深, 抽油杆的下行阻力也就越大。2. 4　生产参数的影响

抽油机井的生产参数对抽油杆柱下行时的惯性力、液体流过游动阀的阻力、振动载荷、液体的冲击载荷都有影响, 当工作参数增大时, 阻力也相应增大。同时, 冲次越快, 单位时间内, 偏磨的次数也增加。

2. 5　原油物性的影响

原油密度越大, 井液密度也就越大, 抽油杆柱下行阻力也相应增大。另外, 原油的粘度越大, 流动系数越小, 液体经过游动阀的阻力越大。这也是造成抽油杆偏磨的原因之一。3　结论及认识

通过生产和理论分析认识到, 在抽油机井生产中, 抽油杆与油管偏磨的影响因素较多, 只能通过综合防治措施才能收到好的效果。3. 1　选择合理的生产参数。由于冲程和冲次对液流通过游动阀产生的下行阻力有较大的影响, 因此要根据配产的要求, 选取合理的生产参数组合。3. 2　选择合理的沉没度。若沉没度过大, 当上冲程游动阀关闭时, 在吸入压力作用下, 抽油杆受到上顶力的作用而产生弯曲; 若沉没度过小, 由于油管失去环空液体作用, 其振动和摆动加剧, 也会导致杆管偏磨加剧。

3. 3　下加重杆和扶正器。在抽油杆柱底部一加重杆可使抽油杆柱中和点下移, 对减缓偏磨有一定效果。3. 4　加强日常维护。

[参考文献]

[1]　李颖川. 采油工程[M ]. 北京:石油工业出版社, 2002.

[2]　吴则中, 李景文, 等. 抽油杆[M ]. 北京:石油工

业出版社, 1994.

[3]　万仁溥, 罗英俊. 采油技术手册第四分册[M ].

北京:石油工业出版社, 1993. [4]　安锦高. 有杆抽油设备与技术. 有杆抽油系统

[M ]. 北京:石油工业出版社, 1994.

[5]　王鸿勋, 张琪. 采油工艺原理[M ]. 北京:石油

工艺出版社.

V max ——抽油杆最大下行速度, m /s ; V max =60SN

M ri ——油管内径与抽油杆外径之比。

抽油杆与油管之间的摩擦力P 管, 根据矿场经验, 在直井内通常不超过抽油杆重量的1. 5%, N 。 柱塞与泵筒之间的半干摩擦力P f

P 管=-140(3)

式中:D ——抽油泵的直径, mm;

——在柱塞-泵筒副半径上的间隙, m m 。根据矿场经验, 当泵径不超过70mm 时, 半干摩擦力不超过1717。

P r

f A 3P 1+1. 5n k A p 2

=××L P r 728 f g 0d 0A p SN Re=

19vf 0

式中:P r ——采出液流过游动阀的阻力, ;

n k ——游动阀个数, 一般为2个;

——流量系数, 可由图1-3查得; A p ——柱塞面积, m 2;

f 0——游动阀孔的断面积, m 2; g ——重力加速度, m /s2; —产出液相对密度, kg/m 3; L —

d 0——游动阀座孔直径, m ;

v ——采出液的运动粘度, cm 2/s 。

在上死点下行游动阀打开瞬间即打开后柱塞上、下压力均为柱塞上的液柱压力, 由于柱塞上下面积差等于一个下部抽油杆截面积, 因此产生一个上顶力,

P 顶=103L A d (6) L g

式中:P 顶——上死点下行时游动阀打开瞬间即打开

后抽油杆所受的上顶力, kN ; L ——动液面, m;

A d ——最下一级抽油杆截面积, m 2; —产出液相对密度, kg /m 3; L —

抽油杆住所受的浮力 L

L r W i R i

i =1r

式中:P V ——抽油杆柱所受的浮力, ;

P V =

(4) (5)

∑

n

(7)

—产出液相对密度, kg/m 3; L —

—抽油杆密度, kg /m 3; r —

L r ——抽油杆长度, m; ——抽油杆级数;

W i ——第级抽油杆单位长度的重量, /m ;

R i ——第级抽油杆长度占抽油杆总长度的百分数。

2. 2　抽油杆偏磨影响因素2. 2. 1　泵径的影响

从受力情况分析可见, 柱塞与泵筒之间的半干