控制抽油機井桿斷率的措施研究

穆菲（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

抽油桿在生產過程中傳遞動力時，位置會發生變化，抽油桿的負荷也會隨之發生變化。上下沖程中抽油桿受力差別大，導致抽油桿在交變載荷的作用下進行周期性的往復運動。在運動過程中，受到液柱載荷、慣性力、抽油桿所承受的重力、抽油桿彈性而引起的振動力，當受力不均時易導致抽油機井桿斷。

1 聚驅抽油機井抽油桿桿體斷原因分析

1.1 載荷對抽油桿的影響

1.1.1 抽油機井載荷運行情況分析

首先對2014年6月全礦開井抽油機井的載荷運行情況進行統計分析，對比理論載荷與實際載荷的運行差值（表1）。

表1 第五油礦2014年6月載荷運行情況統計

通過對比分析，全礦開井抽油機井的實際平均交變載荷與理論平均交變載荷相比超出12.73 kN，其中水驅平均超出9.94 kN；聚驅平均超出16.79 kN。

其次對2014年上半年抽油機井桿斷作業井作業前的正常載荷運行情況進行統計分析，對比理論載荷與實際載荷的運行差值（表2）。

表2 第五油礦2014年上半年桿斷作業井載荷運行情況統計

通過對比分析，抽油機井桿斷作業井的實際平均交變載荷與理論平均交變載荷相比超出25.74 kN，其中水驅平均超出16.25 kN；聚驅平均超出30.99 kN。

同時對比抽油機井桿斷作業井與正常運行井的載荷變化情況，實際平均交變載荷超出18.32 kN，其中水驅平均超出10.76 kN；聚驅平均超出15.99 kN?？梢?，載荷大是導致抽油機井桿斷作業的一個重要因素。

1.1.2 抽油機井交變載荷分級統計分析

首先對2014年6月全礦開井抽油機井的交變載荷運行情況進行分級統計（表3）。

表3 第五油礦2014年6月交變載荷運行情況分級統計

通過對比分析，全礦開井抽油機井的實際平均交變載荷在50 kN 以上井139 口，占總井數的15.4%；其中水驅15 口，聚驅124 口。

其次對2014年上半年抽油機井桿斷作業井作業前的正常載荷運行情況進行分級統計（表4）。

表4 第五油礦2014年上半年抽油機井桿斷作業井交變載荷運行情況分級統計

通過對比分析，抽油機井桿斷作業井中平均交變載荷在50 kN 以上作業井114 井次，占抽油機井桿斷作業總井數的57.29%。說明交變載荷在50 kN以上時，抽油機井桿斷的概率較大。可以推測，現運行交變載荷在50 kN 以上的139 口抽油機井有桿斷作業的可能性。

1.1.3 抽油桿實際應用強度分析

為了驗證目前在用抽油桿的強度是否達到實際需求，在杏一～三區西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊有過桿斷歷史的油井應用瑪爾卡維茨公式，計算出抽油機井桿斷前正常時的抽油桿相當應力，與許用相當應力對比。

得瑪爾卡維茨公式：

式中：

Pmin——最小載荷，kN；

Pmax——最大載荷，kN；

σmin——最小循環應力，MPa；

σmax——最大循環應力，MPa；

σα——應力幅，MPa；

σm——平均應力，MPa；

f ——抽油桿截面積，m2；

σ′——相當應力，MPa。

對2014年上半年全礦抽油機井桿斷作業井抽油桿的相當應力進行計算，分級統計相當應力的變化范圍，分析抽油機井桿斷井的井下抽油桿使用情況（表5）。

由表5 可以看出，2014年上半年抽油機井桿斷作業井中，抽油桿相當應力超過許用相當應力（90 MPa）作業井101 井次，占桿斷作業總井數的50.75%。其中水驅10 井次，占水驅桿斷作業總井數的14.08%；聚驅91 井次，占聚驅桿斷作業總井數的71.09%。說明聚驅抽油機井井下抽油桿超出自身許用相當應力是導致抽油機井桿斷作業的一個因素。

表5 第五油礦2014年上半年抽油機井桿斷作業井抽油桿相當應力運行情況統計

1.2 沖速對抽油桿的影響

1.2.1 沖速與抽油桿運行時間的關系

對2014年上半年聚驅128 井次抽油機井桿斷作業井的沖速與抽油桿運行時間進行對比，分析抽油機井桿斷井兩者之間的關系（圖1）。

圖1 聚驅抽油機井桿斷井沖速與桿服役時間的關系

通過曲線可以看出，沖速越大，抽油桿運行時間越短。分析原因為沖速越大，慣性載荷越大，同時桿柱隨交變載荷的增加震動頻率加大，從而增加了抽油桿疲勞斷裂的機會。通過統計可以發現，沖速每增加1 min-1，抽油桿的壽命降低4 個月。

1.2.2 沖速對慣性載荷的影響

抽油機運轉時，懸點所承受的載荷包括動載荷、靜載荷及其他載荷。動載荷包括慣性載荷、振動載荷及摩擦載荷。靜載荷是由液柱重和桿柱重所產生的。其他載荷是由沉沒壓力及井口回壓造成的。當驢頭帶抽油桿和液柱做變速運動，因而產生抽油桿和液柱的慣性力。如果忽略抽油桿和液柱的的彈性影響，則可以認為抽油桿和液柱的各點與抽油機懸點運動完全一致，產生的慣性力除與抽油桿和液柱的質量有關外，還與懸點加速度的大小成正比。

假設油井目前沖程為2.5 m，沖速5 min-1，由理論排量計算公式可知，在調整抽油機井抽汲參數時，沖程由2.5 m 調至3 m 與將沖速由5 min-1調至6 min-1的理排變化是相同的，但調整沖程使慣性載荷增加20%，調整沖速使慣性載荷增加44%。在泵深為1000 m，桿徑19 mm，管徑62 mm 的條件下，計算不同沖程沖速下懸點最大慣性載荷如表6。

表6 不同沖程、沖速最大慣性載荷統計

從表中可以看出，最大慣性載荷隨沖速的增加而增大；說明沖速越大，運行載荷越大，對抽油桿的疲勞損傷越大。同時可以說明聚驅油井參數大是導致抽油桿斷作業的一個因素。故針對供液嚴重不足并且頻繁作業井應及時調小參數。

1.3 回油壓力對抽油桿的影響

第五油礦聚驅抽油機井的平均回油壓力均高于水驅油井的平均回油壓力，利用壓強公式P=F/S計算聚驅與水驅抽油機井井下抽油桿拉力的差距，從而判斷回油壓力對聚驅與水驅抽油機井井下的工具的作用情況（表7）。

表7 水驅與聚驅抽油機井抽油桿拉力對比統計

通過對比水驅、聚驅不同泵徑下的抽油機井的平均回油壓力差值，計算出井下抽油桿拉力的差值。可以看出，聚驅抽油機井比水驅抽油機井的井下抽油桿拉力平均高出0.74 kN，說明平均回油壓力高是導致聚驅抽油機井桿斷次數較水驅抽油機井桿斷次數多的一個因素。

1.4 見聚濃度對抽油桿的影響

通過對比杏一～三區西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊與杏四區西部相同注聚時期的見聚濃度，分析見聚濃度與上升速度變化情況。具體情況如圖2。

圖2 杏一～三區西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊與杏四區西部見聚濃度對比曲線

西部Ⅱ塊投產至今平均見聚濃度為260.2 mg/L，最高時達到469.2 mg/L；西部Ⅰ塊投產至今平均見聚濃度為342.5 mg/L，最高時達到825.5 mg/L；西部Ⅲ塊投產至今平均見聚濃度為365.8 mg/L，最高時達到696.1 mg/L；杏四西投產至今平均見聚濃度為255.5 mg/L，最高時達到432.9 mg/L。

隨著杏一～三區西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊見效，見聚濃度及上升速度遠高于杏四西同期。同時杏四西井距200 m，而杏一～三區井距只有125 m。

若采出液黏度越高，則液柱與抽油桿之間的摩擦力會增加。由于杏一～三區西部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ塊注入高深度聚合物，液體黏度增加，使液柱與抽油桿之間的摩擦力增大。結果造成增加抽油桿的疲勞程度，從而降低了抽油桿的使用壽命，增加了抽油機井桿斷的概率。

2 聚驅抽油機井桿斷治理對策

2.1 調整參數降低油井載荷[1]

2014年上半年，為治理大參數、高載荷頻繁作業及高載荷嚴重供液不足的抽油機井，共計對此類抽油機井實施調小參數152 井次（表8）。

表8 第五油礦2014年上半年抽油機井調小參效果統計

抽油機井調小參數后平均交變載荷下降12.65 kN，其中水驅單井平均下降6.25 kN；聚驅單井平均下降16.26 kN。

2.2 治理高載荷機采井

為解決因道路問題無法熱洗的高載荷及高回壓機采井，積極通過鋪設加長油管的方式完成對高回壓及高載荷機采井的治理工作（表9）。

表9 第五油礦2014年上半年鋪設加長油管熱洗效果統計

2014年上半年共計實施12 口井，其中高壓熱洗7 口井，平均交變載荷下降7.64 kN；沖干線5 口井，治理后平均回壓下降1.5 MPa。

2.3 集中治理蠟影響井

為解決熱洗不及時或熱洗效果差的井，第五油礦通過單井節點分析，找出高載荷運行原因，實施蠟影響井集中治理（表10）。

表10 第五油礦2014年上半年蠟影響井治理前后載荷變化統計

2014年上半年共計集中治理蠟影響井99 口，其中高壓熱洗50 口井；常規熱洗49 口井。治理后交變載荷平均下降5.6 kN。

3 節能效果

通過分析沖速與載荷的關系，同時結合交變載荷與慣性載荷的影響因素，總結出治理抽油機井蠟影響程度，可減少高負荷運行井。治理后，年均可減少高負荷運行井80 口，平均單井每天可節省耗電量10 kWh。經此推算，年均可節省用電量29.2×104kWh。按照0.5 kWh/元計算，年均可節省用電費用14.6 萬元。年均可減少檢泵作業120 口井，年均可節省勞務費240 萬元。

4 結論

1）對于交變載荷在50 kN 以上及相當應力在90 MPa 以上的抽油機井應及時通過洗井或調小參數處理，以防因抽油桿疲勞生產造成的抽油機井桿斷。

2）在調整抽汲參數時，可調的井應優先調整沖程，沖程調至最大后再調整沖速，對于參數大、嚴重供液不足抽油機井及時調整參數，防止因參數過高降低抽油桿使用壽命而造成的抽油機井桿斷。

3）嚴格控制聚驅冷輸井回油壓力，防止因回油壓力高而增加井下抽油桿的拉力，增大抽油桿的疲勞程度。

4）對于見聚濃度高的采出井實施調小參數。

[1]丁建國,李學豐.抽汲參數調整對油井檢泵率的影響[J].油氣田地面工程,2003(8):9-11.