聚驅(qū)定向井抽油桿受力與變形計(jì)算

劉 輝，彭 朋

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶，163513；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶，163318） ＊

聚驅(qū)定向井抽油桿受力與變形計(jì)算

劉 輝1，彭 朋2

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶，163513；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶，163318）＊

在分析聚驅(qū)定向井抽油桿的受力并給出懸點(diǎn)載荷計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法推導(dǎo)了考慮徑向力的作用情況下抽油桿的撓度計(jì)算公式，并給出了桿管偏磨的判別方法以及扶正器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)聚驅(qū)定向井懸點(diǎn)載荷計(jì)算模型得出的計(jì)算值，與實(shí)測(cè)載荷值相比，懸點(diǎn)最大載荷與最小載荷的平均誤差均＜10%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，大幅延長(zhǎng)了檢泵周期，減少了油井維護(hù)的工作量。

聚合物驅(qū)；定向井；受力分析；偏磨；應(yīng)用研究

在石油工程中，對(duì)于定向井的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力分析的文獻(xiàn)較多［1－4］，但隨著聚驅(qū)技術(shù)的普遍推廣，聚驅(qū)定向井抽油桿的受力再次為人們所關(guān)注，這是因?yàn)槔碚摲治龊褪覂?nèi)試驗(yàn)已證明：由于采出液具有一定的粘彈性［5－6］，當(dāng)具有一定偏心度的抽油桿在油管中做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到一個(gè)垂直于其軸線并使偏心度進(jìn)一步增大的徑向力的作用，導(dǎo)致定向井見(jiàn)聚后抽油桿的受力發(fā)生質(zhì)變，從而加重桿管偏磨［7－8］，增加油井維護(hù)的工作量和成本。桿管偏磨形貌如圖1所示。

圖1 桿管偏磨形貌

1 抽油桿柱受力分析

1.1 懸點(diǎn)載荷的計(jì)算

聚驅(qū)定向井中抽油桿的重力分量增加了扶正器與油管之間的摩擦力，采出液的粘度隨著見(jiàn)聚濃度的增大而增大，導(dǎo)致油管內(nèi)液柱與抽油桿或油管間的粘性摩擦力增大，因此不能沿用常規(guī)直井的計(jì)算方法。

為方便修正載荷公式，假設(shè)3點(diǎn)：

1） 將桿柱變形視為2種變形的疊加。

2） 將2個(gè)扶正器之間的桿柱視為力學(xué)模型微元段，且該微元段2端受力大小相同。

3） 扶正器為剛性支點(diǎn)，同時(shí)考慮了扶正器與油管之間的摩擦力，以及采出液粘度和見(jiàn)聚濃度對(duì)摩擦力的影響。

基于以上3點(diǎn)，分析并推導(dǎo)出抽油桿的懸點(diǎn)載荷計(jì)算公式，即上（下）沖程的懸點(diǎn)最大（小）載荷為

1.2 抽油桿受力分析及撓度計(jì)算

斜井中的抽油桿是在液柱重力、桿柱自身重力、液體粘滯阻力、桿柱與液柱慣性力及扶正器與油管間的摩擦力等多種載荷共同作用下運(yùn)動(dòng)的。抽油桿受力分析如圖2所示。

圖2 定向井中抽油桿的受力分析

為了建立聚驅(qū)定向井抽油桿在上述縱向和橫向力作用下的撓度計(jì)算公式，可將其簡(jiǎn)化為如圖3所示的簡(jiǎn)支梁。

圖3 均布載荷和軸向壓力共同作用下的簡(jiǎn)支梁

式中，q為均布載荷，N／m；l為梁的長(zhǎng)度，m；為簡(jiǎn)化公式而引入?yún)?shù)u和k，u＝k／2，k2＝｜F／EIZ｜；F為縱向載荷，N。

上式正負(fù)的選取原則為：當(dāng)抽油桿受到縱向力

最大撓度計(jì)算公式為為壓力時(shí)取正號(hào)；當(dāng)抽油桿受到縱向力為拉力時(shí)取負(fù)號(hào)。

當(dāng)δmax＞（Df－dr）／2時(shí)，抽油桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與油管相接觸并發(fā)生摩擦，從而導(dǎo)致抽油桿偏磨。

防偏磨［9－10］就是采取措施減小抽油桿的撓度，這些措施包括減小沖程、下加重桿、抽油桿全井扶正［11－13］等。但對(duì)聚驅(qū)定向井中大斜度井段［14］的抽油桿，由于橫向均布載荷較大，有可能依然偏磨。通過(guò)在這些井段的抽油桿中間再加裝1個(gè)或多個(gè)扶正器的措施可達(dá)到預(yù)防偏磨的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

2.1 懸點(diǎn)載荷分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已知數(shù)據(jù)，采用式（1）～（2）對(duì)12口井的最大載荷和最小載荷進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比，最大載荷平均誤差3.7%，最小載荷的平均誤差為4.9%，具體結(jié)果如表1。

表1 懸點(diǎn)載荷誤差分析結(jié)果

2.2 偏磨預(yù)測(cè)結(jié)果及扶正器優(yōu)化結(jié)果

利用前面的理論和判別條件編制計(jì)算系統(tǒng)軟件。首先找出哪些抽油桿發(fā)生偏磨，先給這些抽油中間再加裝1個(gè)扶正器；然后再用判別條件判斷這部分抽油桿是否還會(huì)發(fā)生偏磨；如果某些抽油桿依然發(fā)生偏磨，就在這部分抽油桿中間加裝2個(gè)扶正器，直至所有抽油桿均不發(fā)生偏磨。

對(duì)檢泵作業(yè)的其中5口井進(jìn)行了扶正器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：偏磨井段主要發(fā)生在曲率半徑較小處，與實(shí)際檢泵情況相符。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果重新設(shè)計(jì)安裝了扶正器個(gè)數(shù)，具體結(jié)果如表2。這5口井優(yōu)化前平均檢泵周期219d，目前免檢期已達(dá)358d。

表2 偏磨預(yù)測(cè)與扶正器優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

1） 綜合考慮井斜因素、采出液見(jiàn)聚因素，計(jì)算得聚驅(qū)定向井的懸點(diǎn)最大載荷、最小載荷的平均誤差＜10%。

2） 偏磨井段主要發(fā)生在曲率半徑較大處，井斜因素對(duì)抽油桿扶正措施的影響十分重要。

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Force and Transformation of Sucker Rod in Polymer Flooding Directional Well

LIU Hui1，PENG Peng2
（1.No.5 Oil Recovery Plant，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing163513，China；2.Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Based on the analysis of stress exerted on the bucket rods and providing the computational method of the loading on the point of suspension，utilizing the method of structural mechanics derives the formula of bending deflection，considering the effect of radial force，moreover，distinguishing method of eccentric wear and the optimization method of centering device are also provided.According to the calculated value，which was obtained by using the loading computational mode of the point of suspension on the direction well which using polymer flooding，compares to the measured value，the average error of maximum and minimum load of polished rod load is less than 10%，it can extend the circle of pump inspection significantly and reduce the working capacity of oil well maintenance by the application in the field.

polymer flooding；directional well；force analysis；eccentric wear；application study

1001－3482（2012）03－0047－04

TE933.202

A

2011－09－14

劉 輝（1983－），男，黑龍江安達(dá)人，主要從事油田機(jī)采管理工作，E－mail：liuhui5c＠petrochina.com.cn。