結蠟油井示功圖跟蹤測試與分析

王海文 趙雷 趙輝 楊峰

1中國石油大學（華東） 2勝利油田東辛采油廠

結蠟油井示功圖跟蹤測試與分析

王海文1趙雷2趙輝2楊峰2

1中國石油大學（華東） 2勝利油田東辛采油廠

根據抽油機井基本工作原理、運動學和動力學原理，對油井示功圖所反映出的懸點受力進行分析，從而得到油井工況的詳細信息。結蠟造成油流空間減小，增加了油流阻力和壓力梯度，造成泵上壓力增大，作用在泵上的液柱載荷增加是上沖程載荷增大的主要原因，增大的泵上壓力對抽油桿的浮力增加是下沖程載荷減小的主要原因。摩擦力變化不是結蠟井載荷變化的主要原因。結蠟越嚴重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，應根據示功圖上分析出的結蠟信息，對結蠟油井及時采取措施，減輕對生產的影響，避免事故發生。

油井；抽油機；示功圖；結蠟；測試

產液沿井筒上升過程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，當溫度低于結晶溫度后，溶解的石蠟結晶、長大聚集并沉積在管壁等固相表面上，即出現所謂的結蠟現象。油井結蠟影響流體舉升的過流斷面及抽油設備的正常工作，嚴重時井下或地面油管也蠟堵，造成生產中斷。含蠟油井的結蠟監控、防蠟和清蠟是生產中需要解決的重要問題。以往對結蠟油井示功圖僅定性地描述成示功圖變“胖”，沒有提供定量計算載荷的模型和評價結蠟程度的方法。有些文獻認為，結蠟造成油管內徑減小，抽油桿與蠟接觸增加了抽油桿的運動阻力，這種觀點誤導了對結蠟井抽油桿受力分析和示功圖的診斷。

在生產中，示功圖是油井常測的數據，隨著油井自動監控技術的發展，遠程在線測試示功圖已經成為現實，給利用示功圖進行工況分析提供了方便[1]。本文建立抽油桿受力分析模型，分析結蠟井載荷變化的主要原因，提出定量計算結蠟示功圖載荷的方法，根據實測示功圖驗證了所建的分析模型。

1 抽油機井上、下沖程的載荷

上沖程懸點載荷表示為

式中Pu為上沖程載荷（N）；Wr為抽油桿柱重量（N）；Wl為作用在泵柱塞上的液柱載荷（N）；Iu為上沖程桿柱和液柱慣性載荷（N）；FXi為第i級抽油桿柱所受的浮力（N）；Fu為上沖程中的摩擦載荷（N）；Pv為振動載荷（N）；Pi為上沖程中泵內壓力作用在柱塞底面向上的載荷（N）。

下沖程游動閥打開后懸點載荷表示為

式中Pd為下沖程懸點載荷（N）；Id為下沖程桿柱慣性載荷（N）；FXn為底部桿受到的浮力（N）；Fd為下沖程摩擦載荷（N）。

抽油機懸點可以分為動載荷和靜載荷，靜載荷是指抽油機停機時測試的懸點載荷，懸點靜載荷與抽油機停機時懸點的位置和停機上下沖程過程有關[2]。對于直井，懸點靜載荷包括抽油桿柱自重和液壓力，液壓力作用在柱塞上、下兩面以及抽油桿柱各截面發生變化的位置。

抽油機上沖程停機測取的載荷稱為上靜載荷，去掉式（1）中與運動有關的動載荷，就得到上靜載荷的計算公式

相似地，抽油機下沖程停機測取的載荷稱為下靜載荷，去掉式（2）中與運動有關的動載荷，得到下靜載荷的計算公式

實測的油井示功圖載荷是式（1）和式（2）中各種載荷的綜合反映，懸點靜載荷反映了油井基本情況。對式（3）和式（4）中的液壓力計算時，液體密度按油、水加權平均密度估算，進而計算柱塞上、下兩面以及抽油桿柱各截面變化位置的液壓力。懸點靜載荷標在實測示功圖上，提供示功圖變化趨勢的基準，對示功圖分析具有重要參考價值。根據抽油機井基本工作原理、運動學和動力學原理，對示功圖所反映出的懸點受力進行分析，從而得到油井工況的詳細信息。

2 結蠟井基本數據

為方便建立分析模型，結合一個典型實例井進行分析。DXY72X5井采用塑料內襯復合油管，由于塑料內襯管的親油性和親蠟性，導致該井結蠟較用普通油管時更加嚴重。復合油管內徑67.8 mm，泵徑?50 mm，下泵深度998.00 m，沖程4.79 m，沖次1.4 min-1，日液7.8 t，含水89.4%，動液面952 m，沉沒度46 m，油黏度556 mPa·s，油密度0.932 8。桿柱組合：光桿?32 mm×9.00 m+D級?25 mm×149.00 m+D級?22 mm×780.00 m+加重桿?38 mm×60.00 m。

由式（3）和式（4）估算得到DXY72X54井上靜載荷為53.42 kN，下靜載荷為34.47 kN。

跟蹤測試DXY72X54井在結蠟不嚴重、結蠟嚴重和蠟堵造成桿斷3種情況下的示功圖，一并繪制在圖1中，圖中橫線表示上靜載荷和下靜載荷。

圖1 DXY72X54井示功圖

3 結蠟過程與示功圖變化規律

DXY72X54井屬于低液量、高含蠟井，由于液量低、溫度低，不容易把蠟質溶解或攜帶出，雖然含水達到89.4%，但含水對油井結蠟情況沒有明顯影響[3]。因此采用內襯塑料復合油管不能解決結蠟問題[4]，管壁上結蠟減少了井液的流動空間，這樣就增加井液的流動阻力。

3.1 結蠟井的懸點載荷分析

從圖1中示功圖1可以看出，油井結蠟還不嚴重的情況下，最大載荷是65.60 kN，最小載荷是18.70 kN，上靜載荷線距離最大載荷為12.18 kN，下靜載荷線距離最小載荷為15.77 kN。圖1中示功圖2是結蠟嚴重時的功圖，最大載荷是74.90 kN，最小載荷是15.00 kN，最大載荷明顯增大，最小載荷降低，上靜載荷線距離最大載荷為21.48 kN，下靜載荷線距離最小載荷為19.47 kN。最大載荷增加量為9.30 kN，最小載荷減小量為3.70 kN。3種情況載荷值見表1。

造成示功圖1和示功圖2兩種情況下的載荷差異有兩種可能的原因，一是液柱載荷，二是摩擦力。下面通過定量分析找出確切原因。

油井生產過程中，不改變生產參數，由式（1）分析，導致上沖程載荷增大的因素有Wl和Fu。在上沖程中，由于游動凡爾關閉，作用在柱塞上的液柱引起的懸點載荷為

表1 DXY72X54井載荷數據

式中 p泵上為泵出口壓力（Pa）； fp為泵柱塞截面積（m2）； fr為與泵連接的抽油桿截面積（m2）。

結蠟蠟質附著在油管內壁或抽油桿上，減少了井液的流動空間，增加了井液的流動阻力，流動阻力導致 p泵上增加，按式（5）計算的液柱載荷Wl增加[5]。

油井井身軌跡并非一條直線，直井的最大全角變化率要小于1°/30 m。由于井身軌跡的變化，油管在油井中也是彎曲的，油管里的抽油桿也受油管的約束，具有相似的軌跡，抽油桿與油管接觸是不可避免的。油管內壁結蠟，減小了油管內徑，在一定程度上加劇了抽油桿與油管內壁的接觸，但比起油管1°/30 m的全角變化率，油管內徑變小造成抽油桿全角變化率最大只有0.03°/30 m，不是主要因素。另外，用蠟作為中間介質，抽油桿與油管內壁的摩擦系數減小到0.2以下，結蠟造成抽油桿與油管之間的摩擦力不會增加。

在非偏磨的直井中，無論稠油還是稀油，抽油桿柱與油管、柱塞與襯套之間的摩擦力數值都不大。在稠油井內，液體與抽油桿之間的摩擦所引起的摩擦載荷比較大，這是造成最大載荷增大，最小載荷減小的主要原因，稠油井與結蠟井在載荷變化趨勢上有相似性，但其內在原因是不一樣的，分析圖1中的示功圖可以論證這一觀點。

圖1中A點載荷是63.5 kN，B點載荷是48 kN，兩點間的載荷差值是15.5 kN；A′點載荷是75 kN，B′點載荷是57 kN，兩點間的載荷差值是18 kN。注意，B點游動閥尚未打開，A、B點載荷差值約等于上、下沖程摩擦力之和，下沖程游動閥打開前，作用在懸點上的摩擦載荷方向都向上，稠油井B點懸點載荷應該減小，而DXY72X54井結蠟示功圖B點的載荷反而增加了9 kN；另外，示功圖1和示功圖2的A、B點和A′、B′點的差值變化只有2.5 kN。這兩因素說明，摩擦力不是造成結蠟井最大載荷增大，最小載荷減小的主要因素。

在分析摩擦載荷時，沒有考慮液柱與油管之間的摩擦力，這個力并不直接作用在抽油桿上，而是通過液壓力作用在泵柱塞上；結蠟造成油流空間變小，管壁形狀復雜，增加了液柱垂直管流流動阻力，造成液柱壓力梯度增加，使泵柱塞承受更大的液柱壓力。

如果假設DXY72X54井結蠟嚴重造成的上沖程載荷增加9.30 kN主要是由于泵上液柱壓力增加造成的，就可以解釋B點載荷增加9 kN的原因，同時也可以解釋最小載荷的減小量。

根據式（5）和加重桿上端面受到的液壓力，計算出示功圖2比示功圖1泵出口壓力增加了5.89 MPa，相應地由式（2） 計算下沖程浮力，浮力造成的載荷減小值為4.11 kN，與實測最小載荷減小量3.70 kN只差0.41 kN。

3.2 發生蠟堵桿斷示功圖

由于結蠟對懸點載荷有影響，結蠟嚴重時就應該及時采取清蠟措施；否則，結蠟越嚴重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，此時應力幅加大，桿柱更容易發生疲勞破壞。圖1中示功圖3是DXY72X54井桿斷的實測示功圖，這時候油井已經不產液了。示功圖顯示，上、下載荷都大幅度減小，結合油井不產液，判斷抽油桿斷脫。提桿發現第63根桿本體斷，按照抽油桿柱組合，斷點以上抽油桿重20.96 kN，考慮浮力后與實測示功圖相符。

4 結論

（1）結蠟造成油流空間減小，增加了油流阻力和壓力梯度，造成泵上壓力增大，作用在泵上的液柱載荷增加是上沖程載荷增大的主要原因，增大的泵上壓力對抽油桿的浮力增加是下沖程載荷減小的主要原因。

（2）摩擦力變化不是結蠟井載荷變化的主要原因。

（3）結蠟越嚴重，最大載荷就越大，最小載荷就越小，應根據示功圖上分析出的結蠟信息，對結蠟油井及時采取措施，減輕對生產的影響，避免事故發生。

[1]趙新智，李永明，余小兵，等．利用示功圖疊加分析預警法預防油井蠟卡[J]．油氣田地面工程，2009，28（7）：36-37．

[2]王一平，王海文，張超．利用漏失曲線計算抽油機井懸點靜載荷[J]．西安石油大學學報，2005，20（3）：58-60．

[3]張琪．采油工程原理與設計[M]．東營：石油大學出版社，2000．[4]王海文，趙雷，楊峰，等．HDPE內襯油管防治抽油機井桿管偏磨研究[J]．石油礦場機械，2008，37（2）：74-77．

[5]熊偉，宋必軒，孫霞，等．超稠油生產井示功圖判別及工礦診斷[J]．重慶科技學院學報，2008，10（4）：30-32．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.011

（欄目主持 楊 軍）