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摘 要:通过对杆管偏磨失效油井的调查分析,总结杆管偏磨的特点,分析杆管偏磨的影响因素。在掌握杆管偏磨原因的理论基础上,提出防治杆管偏磨的技术原理。
关键词:杆管 偏磨 防治 技术 应用
在有杆泵抽油系统工作中,抽油杆和油管之间不可避免地要产生摩擦,抽油杆与油管摩擦区域存在接触应力,使表层发生严重的塑性变形,界面层和氧化层被破坏,新生表层露出。部分金属发生胶合,在切向力的作用下,进一步发生破坏,最后导致金属沿表层深部发生破裂,引起油管、抽油杆的失效,造成油井停产减产,缩短了油井免修期,影响了原油产量。
一、偏磨的特点
通过对马仙采油厂和冷湖油田管理处采油作业区有杆泵井现场调查,发现管、杆偏磨具有以下特点:
1.有杆泵抽油井中管、杆偏磨现象普遍存在。
通过对35口有杆泵抽油井的调查,在每根抽油杆上都可以看到磨损的痕迹,其中抽油杆接箍或本体被磨去2mm以上的严重偏磨井有28口,占80%。直井和泵挂在造斜点以上的斜井中严重偏磨井所占比例低,为36.2%;泵挂在造斜点以下的斜井中严重偏磨井所占比例高,为87.5%。
2.杆管偏磨的深度主要发生在杆柱底部至泵上300m的范围内。
从偏磨的深度范围来看,无论直井还是斜井,管、杆偏磨多发生在杆柱底部泵上300m的范围内,在28口严重偏磨井中,有20口井的偏磨发生在这一范围内,占71.4%;3口泵在造斜点以下的斜井中,造斜点附近100m范围内的偏磨较其它部分严重。高含水、深泵挂环境下,油管偏磨点位置普遍上移,如目前在南八仙采油区已经上移至泵上30-70%处,出现全井偏磨的现象。
3.杆管偏磨的部位一般在同一侧,抽油杆接箍比本体偏磨严重。
据统计,在35口偏磨的油井中,抽油杆接箍全部存在偏磨,而本体偏磨严重的占80%,接箍磨损严重的杆段所对应的油管都存在明显磨损。
4. 杆管偏磨形貌主要表现。
抽油杆接箍或本体一侧被磨平,严重者可将抽油杆公扣磨平,油管表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽,甚至被磨出一条裂缝。
5.油管偏磨损坏造成生产周期普遍较短。
二、偏磨的影响因素
1.井斜的影响
由于井斜,使油管产生弯曲。生产时,抽油杆的综合拉力产生了一个侧向分力,致使油管和抽油杆产生偏磨,井斜角,越大油管偏磨越严重。
2.生产参数的影响
2.1泵挂越深,油管偏磨损坏机率增大
在泵挂较深的机抽井中,杆管交变载荷较大,杆管在上下运动的过程中杆管弯曲变形较严重,造成杆管侧向应力增加,加剧杆管偏磨,因此随着泵挂深度的加深,造成杆管偏磨的机率增加。
2.2抽油泵泵径增大,油管偏磨损坏的机率上升
较大的抽油泵径在生产过程中杆柱交变载荷较大,活塞与泵筒的摩擦力增加,活塞下行时克服液体上行的阻力增大,因此随着泵径的增加,管、杆失效的机率大幅增加。
2.3抽油机的冲次增大,油管偏磨显著增加
随冲次的增加,单位时间内管杆接触的次数增加,导致管杆偏磨加剧,据统计,在偏磨失效的油井中冲次大于6次/min的井次占到了总计数的24.4%。
三、油管偏磨的原因分析
1.井斜造成的油管偏磨
由于套管变形和井斜,使油管产生弯曲。在抽油机井生产时,抽油杆的综合拉力或综合重力产生了一个水平分力。在水平分力(正压力)的作用下,油管和抽油杆接触,产生摩擦。在弯曲度较小的地方,油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦,油管偏磨面积较大,磨损较轻。而弯曲度越大的地方,不仅油管内壁与抽油杆接箍产生摩擦,油管内壁与抽油杆杆体也产生摩擦,油管偏磨面积较小,磨损严重。
2.抽油杆下行阻力过大,引起中下部抽油杆弯曲变形,造成抽油杆对油管的偏磨加剧。
抽油杆下行时,抽油杆柱受的合力方向朝下,对于下部抽油杆来说,同时也受方向向上的应力作用。半干摩擦力、油流阻力、顶托力、液击载荷等下行阻力都为集中力,是影响抽油杆稳定的主要作用力,其大小主要受泵径、泵挂、含水、原油物性的影响。泵径越大,泵挂越深下行阻力越大;含水越高,井筒混合液密度越大,顶托力和过油阀阻力越大;原油运动粘度越大,流量系数越小,过油阀阻力越大。
3.泵上油管弯曲,造成的油管偏磨
没有锚定的抽油管柱,油管在每个冲程中,要承受液柱压力作用在柱塞上的载荷,上冲程时,液柱载荷转换到抽油杆上,液柱载荷突然消失,当交变载荷超过一定的限度后,油管收缩并因为弯曲效应而弯曲,造成抽油杆上行偏磨。
4.产液的腐蚀作用加剧了偏油管的偏磨
4.1管、杆偏磨,磨损表面产生热能,使管、杆表面铁分子活化,产出液具有强腐蚀性,使偏磨处优先被腐蚀。
4.2由于偏磨处表面被活化,成为电化学腐蚀的阳极,从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀,而产出液是强电解质,具有强腐蚀性,对电化学腐蚀起到一个催化作用,加剧了杆管的腐蚀。
4.3由于腐蚀使管、杆偏磨表面更为粗糙,从而磨损就会更加严重。偏磨和腐蚀并非简单的叠加,而是相互作用,相互促进,二者交替作用具有更大的破坏性。
5.材料耐腐蚀性差,也是偏磨腐蚀的重要因素之一
油井的产出液具有强腐蚀性,所用的油管耐腐蚀性能达不到要求,油管表层涂料的强度和耐蚀性较差,再加上油井不可避免存在杆管偏磨,因此,油管腐蚀、磨损严重,甚至穿孔和磨蚀成裂缝。一些油管,由于质量较差和表层涂料脱落,在使用过程中发现油管穿孔的较多;由于抽油杆本体和抽油杆接箍的材质不同,抽油杆接箍的耐蚀性较差,在油井中先期被腐蚀,从而出现抽油杆接箍偏磨损坏严重的现象。
四、防偏磨配套工艺技术的应用
1.合理配置加重杆,改善杆柱受力状况。
在抽油杆柱中使用加重杆能使杆柱中和点下移,降低杆柱的交变应力幅度,延长抽油杆疲劳断裂周期。在杆柱底部配置一部分加重杆,改善杆柱受力状况,使杆柱在上下冲程中始终处于受拉状态,减轻因交变载荷引起的抽油杆弯曲变形。
2.改进抽油杆扶正器的结构和材质,提高其耐磨性能。
在抽油杆扶正器方面做的主要工作是淘汰了防偏磨性能差的金属滚轮扶正器;采用最新研制的尼龙扶正器,该扶正器材质好、耐磨、耐腐蚀,使用寿命长,并且结构合理,安装方便,能有效的防止抽油杆偏磨。
3.优化生产参数,降低偏磨频率
在满足油井产液量要求的前提下,尽量采用长冲程、慢冲次的抽油机生产参数,可改善抽油杆柱的受力状况,减轻管、杆偏磨。同时恢复地层压力、上提泵挂对控制偏磨杆断井也有着一定的作用。
五、认识和建议
1.抽油杆与油管偏磨主要原因是井斜、抽油杆柱弯曲、高含水和不合理的生产参数。
2.调整生产参数、加扶正器、油管锚定、杆柱底部加重是防治偏磨的有效措施,具有显著的经济效益。其中调整生产参数效果最明显,目前采油厂正大力推广应用电动机的二级传动装置,根据油井生产特征将部分油井生产冲参数调至1-3次/分钟。
3.应加强防治偏磨新工艺技术的研究与应用。可有效解决杆管偏磨问题,延长油井的生产周期。针对油井的不同情况,制定综合的防治偏磨措施才能取得较大的经济效益。
参考文献:
[1],孙爱军等,抽油杆管磨损问题的探讨及预防措施.钻采工艺[J],2001
[2],魏志刚、胡小兵,斜井抽油扶正技术研究与应用[J]. 石油钻采工艺,1996
[3],王鸿勋、张琪等,采油工艺原理[M]. 北京:石油工业出版社,1981
[4],万仁博,采油工程手册[M]. 北京:石油工业出版社,2000
作者简介:林有庆(1976-)男,土族,青海互助人,本科学历,助理工程师,1995年参加工作,主要从事井下作业工作。
关键词:杆管 偏磨 防治 技术 应用
在有杆泵抽油系统工作中,抽油杆和油管之间不可避免地要产生摩擦,抽油杆与油管摩擦区域存在接触应力,使表层发生严重的塑性变形,界面层和氧化层被破坏,新生表层露出。部分金属发生胶合,在切向力的作用下,进一步发生破坏,最后导致金属沿表层深部发生破裂,引起油管、抽油杆的失效,造成油井停产减产,缩短了油井免修期,影响了原油产量。
一、偏磨的特点
通过对马仙采油厂和冷湖油田管理处采油作业区有杆泵井现场调查,发现管、杆偏磨具有以下特点:
1.有杆泵抽油井中管、杆偏磨现象普遍存在。
通过对35口有杆泵抽油井的调查,在每根抽油杆上都可以看到磨损的痕迹,其中抽油杆接箍或本体被磨去2mm以上的严重偏磨井有28口,占80%。直井和泵挂在造斜点以上的斜井中严重偏磨井所占比例低,为36.2%;泵挂在造斜点以下的斜井中严重偏磨井所占比例高,为87.5%。
2.杆管偏磨的深度主要发生在杆柱底部至泵上300m的范围内。
从偏磨的深度范围来看,无论直井还是斜井,管、杆偏磨多发生在杆柱底部泵上300m的范围内,在28口严重偏磨井中,有20口井的偏磨发生在这一范围内,占71.4%;3口泵在造斜点以下的斜井中,造斜点附近100m范围内的偏磨较其它部分严重。高含水、深泵挂环境下,油管偏磨点位置普遍上移,如目前在南八仙采油区已经上移至泵上30-70%处,出现全井偏磨的现象。
3.杆管偏磨的部位一般在同一侧,抽油杆接箍比本体偏磨严重。
据统计,在35口偏磨的油井中,抽油杆接箍全部存在偏磨,而本体偏磨严重的占80%,接箍磨损严重的杆段所对应的油管都存在明显磨损。
4. 杆管偏磨形貌主要表现。
抽油杆接箍或本体一侧被磨平,严重者可将抽油杆公扣磨平,油管表现为内壁被磨出一条平行于轴心的凹槽,甚至被磨出一条裂缝。
5.油管偏磨损坏造成生产周期普遍较短。
二、偏磨的影响因素
1.井斜的影响
由于井斜,使油管产生弯曲。生产时,抽油杆的综合拉力产生了一个侧向分力,致使油管和抽油杆产生偏磨,井斜角,越大油管偏磨越严重。
2.生产参数的影响
2.1泵挂越深,油管偏磨损坏机率增大
在泵挂较深的机抽井中,杆管交变载荷较大,杆管在上下运动的过程中杆管弯曲变形较严重,造成杆管侧向应力增加,加剧杆管偏磨,因此随着泵挂深度的加深,造成杆管偏磨的机率增加。
2.2抽油泵泵径增大,油管偏磨损坏的机率上升
较大的抽油泵径在生产过程中杆柱交变载荷较大,活塞与泵筒的摩擦力增加,活塞下行时克服液体上行的阻力增大,因此随着泵径的增加,管、杆失效的机率大幅增加。
2.3抽油机的冲次增大,油管偏磨显著增加
随冲次的增加,单位时间内管杆接触的次数增加,导致管杆偏磨加剧,据统计,在偏磨失效的油井中冲次大于6次/min的井次占到了总计数的24.4%。
三、油管偏磨的原因分析
1.井斜造成的油管偏磨
由于套管变形和井斜,使油管产生弯曲。在抽油机井生产时,抽油杆的综合拉力或综合重力产生了一个水平分力。在水平分力(正压力)的作用下,油管和抽油杆接触,产生摩擦。在弯曲度较小的地方,油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦,油管偏磨面积较大,磨损较轻。而弯曲度越大的地方,不仅油管内壁与抽油杆接箍产生摩擦,油管内壁与抽油杆杆体也产生摩擦,油管偏磨面积较小,磨损严重。
2.抽油杆下行阻力过大,引起中下部抽油杆弯曲变形,造成抽油杆对油管的偏磨加剧。
抽油杆下行时,抽油杆柱受的合力方向朝下,对于下部抽油杆来说,同时也受方向向上的应力作用。半干摩擦力、油流阻力、顶托力、液击载荷等下行阻力都为集中力,是影响抽油杆稳定的主要作用力,其大小主要受泵径、泵挂、含水、原油物性的影响。泵径越大,泵挂越深下行阻力越大;含水越高,井筒混合液密度越大,顶托力和过油阀阻力越大;原油运动粘度越大,流量系数越小,过油阀阻力越大。
3.泵上油管弯曲,造成的油管偏磨
没有锚定的抽油管柱,油管在每个冲程中,要承受液柱压力作用在柱塞上的载荷,上冲程时,液柱载荷转换到抽油杆上,液柱载荷突然消失,当交变载荷超过一定的限度后,油管收缩并因为弯曲效应而弯曲,造成抽油杆上行偏磨。
4.产液的腐蚀作用加剧了偏油管的偏磨
4.1管、杆偏磨,磨损表面产生热能,使管、杆表面铁分子活化,产出液具有强腐蚀性,使偏磨处优先被腐蚀。
4.2由于偏磨处表面被活化,成为电化学腐蚀的阳极,从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀,而产出液是强电解质,具有强腐蚀性,对电化学腐蚀起到一个催化作用,加剧了杆管的腐蚀。
4.3由于腐蚀使管、杆偏磨表面更为粗糙,从而磨损就会更加严重。偏磨和腐蚀并非简单的叠加,而是相互作用,相互促进,二者交替作用具有更大的破坏性。
5.材料耐腐蚀性差,也是偏磨腐蚀的重要因素之一
油井的产出液具有强腐蚀性,所用的油管耐腐蚀性能达不到要求,油管表层涂料的强度和耐蚀性较差,再加上油井不可避免存在杆管偏磨,因此,油管腐蚀、磨损严重,甚至穿孔和磨蚀成裂缝。一些油管,由于质量较差和表层涂料脱落,在使用过程中发现油管穿孔的较多;由于抽油杆本体和抽油杆接箍的材质不同,抽油杆接箍的耐蚀性较差,在油井中先期被腐蚀,从而出现抽油杆接箍偏磨损坏严重的现象。
四、防偏磨配套工艺技术的应用
1.合理配置加重杆,改善杆柱受力状况。
在抽油杆柱中使用加重杆能使杆柱中和点下移,降低杆柱的交变应力幅度,延长抽油杆疲劳断裂周期。在杆柱底部配置一部分加重杆,改善杆柱受力状况,使杆柱在上下冲程中始终处于受拉状态,减轻因交变载荷引起的抽油杆弯曲变形。
2.改进抽油杆扶正器的结构和材质,提高其耐磨性能。
在抽油杆扶正器方面做的主要工作是淘汰了防偏磨性能差的金属滚轮扶正器;采用最新研制的尼龙扶正器,该扶正器材质好、耐磨、耐腐蚀,使用寿命长,并且结构合理,安装方便,能有效的防止抽油杆偏磨。
3.优化生产参数,降低偏磨频率
在满足油井产液量要求的前提下,尽量采用长冲程、慢冲次的抽油机生产参数,可改善抽油杆柱的受力状况,减轻管、杆偏磨。同时恢复地层压力、上提泵挂对控制偏磨杆断井也有着一定的作用。
五、认识和建议
1.抽油杆与油管偏磨主要原因是井斜、抽油杆柱弯曲、高含水和不合理的生产参数。
2.调整生产参数、加扶正器、油管锚定、杆柱底部加重是防治偏磨的有效措施,具有显著的经济效益。其中调整生产参数效果最明显,目前采油厂正大力推广应用电动机的二级传动装置,根据油井生产特征将部分油井生产冲参数调至1-3次/分钟。
3.应加强防治偏磨新工艺技术的研究与应用。可有效解决杆管偏磨问题,延长油井的生产周期。针对油井的不同情况,制定综合的防治偏磨措施才能取得较大的经济效益。
参考文献:
[1],孙爱军等,抽油杆管磨损问题的探讨及预防措施.钻采工艺[J],2001
[2],魏志刚、胡小兵,斜井抽油扶正技术研究与应用[J]. 石油钻采工艺,1996
[3],王鸿勋、张琪等,采油工艺原理[M]. 北京:石油工业出版社,1981
[4],万仁博,采油工程手册[M]. 北京:石油工业出版社,2000
作者简介:林有庆(1976-)男,土族,青海互助人,本科学历,助理工程师,1995年参加工作,主要从事井下作业工作。