抽油井桿管偏磨應力分析與減緩對策研究

李娜

【摘 要】抽油機深井泵采油中，油管與抽油桿偏磨是造成抽油機井躺井的主要因素，通過對油管與抽油桿之間偏磨損傷機理的分析研究，找出了影響偏磨速度的因素，提出了減緩偏磨速度的方法，取得了較好的經濟效益。

【關鍵詞】偏磨機理；應力分析；減緩；對策

隨著油田不斷深入開發，綜合含水逐 漸上升，油井的偏磨、腐蝕等情況不斷加劇。有桿泵油井生產過程中，由于井身結構限制、管柱失穩和管桿彈性變形、產出液性質影響等因素，造成抽油桿與油管之間總是存在接觸磨損現象，導致油井油管磨損漏失、抽油桿磨損斷脫等問題，嚴重影響油井檢泵周期。而且隨著油田開發的進一步深入，低品位油藏相繼投入開發，油井泵掛深度加大，同時開發產出液物性逐漸變差等因素都從不同程度上加劇了油井管桿偏磨問題的發生。消除或減緩抽油桿及油管的偏磨速度，延長檢泵周期是提高油田開發效益的重要路徑。

1抽油桿與油管偏磨損傷機理

偏磨損傷的成因是抽油桿與油管之間發生相對運動，相對運動在抽油桿與油管接觸面產生的接觸應力大于油管與抽油桿的表面接觸疲勞強度，從而導致接觸面的損耗，接觸應力越大，油管與抽油桿的損耗越快。損耗的直接結果是導致油管裂縫或抽油桿接箍斷或抽油桿脫。治理管桿偏磨損傷的核心是如何減小油管與抽油桿表面的接觸應力，減緩管桿磨損的速度。

2偏磨速度影響因素

2. 1接觸應力分析根據赫茲公式接觸應力計算方法如下：

式中：σH、Fn、b、ρ、E分別代表：最大接觸應力，作用在接觸面上的載荷，接觸長度，綜合曲率半徑，綜合彈性模量其中綜合曲率半徑ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1） ，正號用于外接觸，負號用于內接觸，ρ2代表油管偏磨點內半徑，ρ1代表抽油桿偏磨點外半徑。由上式可以看出，影響油管與抽油桿接觸面接觸應力大小的主要是四種因素，作用在接觸面上的載荷、綜合曲率半徑、綜合彈性模量、和接觸長度。

2. 2接觸面載荷分析假設節箍作為一個質點，那么抽油桿在偏磨點附近的運動，可以認為是質點圍繞油管摩擦點作向心運動，向心力即是接觸面上的載荷。計算如下：

式中： m， n， s， r， ，fυ分別代表：抽油節箍質量，沖次，沖程，偏磨點拐彎半徑，向心力，摩擦系數。由上式可以看出，在同一口井的同一偏磨點，偏磨接觸面上的載荷的大小與沖次的平方成正比，沖次變小，作用在接觸面上的載荷也隨之變小，接觸應力σH也將變小，偏磨減輕。

2. 3綜合曲率半徑分析在采油生產中，抽油桿是在油管內部來回做上下運動的，屬于內接觸，在公式ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1）中適用于負號，因此當抽油桿偏磨點外半徑ρ1越接近于油管偏磨點內半徑ρ2時，綜合曲率半徑ρ越大，接觸應力σH則越小，偏磨將隨之減輕。

2. 4綜合彈性模量分析綜合彈性模量E是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力，是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，與材料的化學成分有關。

2. 5接觸長度分析從赫茲公式可以看出，接觸應力的大小與接觸長度呈反比，接觸長度長度愈大，接觸應力愈小。在油管和抽油桿偏磨的過程中，油管偏磨部位為油管內面，偏磨軌跡為線狀，長度為抽油機沖程，在中原油田一般為4. 8米，而抽油桿偏磨部位通常為抽油桿節箍，長度一般為0. 2米，其有效的接觸長度為抽油桿節箍長度，對油管和抽油桿來說，接觸應力是相同的，但由于油管和抽油桿偏磨行程的不同，會造成油管抽油桿偏磨速度的不同。在一個單向運動過程中，抽油桿節箍每一點的偏磨行程是4. 8米，而油管每一點的偏磨行程是0. 2米，油管偏磨面

的接觸應力屬于脈動循環應力，與抽油桿節箍脫離接觸后接觸應力就等于零，因而在材質相同的情況下，油管的磨損速度要遠遠小于抽油桿節箍，在厚度相同的情況下，理論上要磨壞20個以上的抽油桿節箍才能使油管損壞，可以通過定期更換抽油桿節箍來實現檢泵周期的延長。

3減緩管桿磨損速度，延長檢泵周期

3. 1降低作用在偏磨接觸面上的載荷前面的公式已經指出，造成偏磨的摩擦力的大小與沖次的平方成正比，降低沖次可以降低作用在油管、抽油桿接觸面上的載荷，減小接觸應力，減緩磨損速度。現場應用：旋卡扶正器+普通抗磨副。加強新技術研究應用，引進彈力支撐定位扶正裝置、彈力支撐抗磨副技術開展現場實驗，并取得了顯著效果。

3. 2增大綜合曲率半徑接觸應力的公式已經指出，綜合曲率半徑的大小與接觸應力成反比，在油管內徑不變的情況下，增大偏磨點處的抽油桿本體與節箍直徑，可以有效地增大綜合曲率半徑，減小接觸應力，減緩磨損速度。在現場生產中，可以通過調整抽油桿組合解決這個問題，在條件允許的情況下將偏磨部位的抽油桿提高一個級別使用，如將Φ19mm抽油桿改換為Φ22mm抽油桿，或者使用加大節箍，將原來的Φ19mm抽油桿節箍直徑加大為Φ22mm抽油桿節箍。抽油桿節箍加大，一是增大了綜合曲率半徑，二是增大節箍厚度，延長了節箍完全損壞的時間。

3. 3改變接觸面材質，降低綜合彈性模量減少摩擦系數。上部近井地帶的偏磨可以通過定期更換抽油桿節箍來實現檢泵周期的延長。針對采出液腐蝕嚴重，采取常規防偏磨技術效果差、生產周期短的井，選擇內襯HDPE/EXPE油管+配套Ⅱ型接箍配套治理技術。該抗磨抗腐油管是在普通油管中內襯高密度聚乙烯材料，內襯層抗磨強度高，能夠有效減少桿管間的磨擦磨損，內襯材料的肖氏硬度為60～70m，耐磨性是金屬的3～5倍；內襯材料耐腐蝕能力強：對酸、堿、鹽等眾多物質具有很好的耐腐蝕性。

3. 4陀螺測斜。定向井在鉆井過程中，錄取了造斜曲線，給油井偏磨治理提供了依據，而對于地層蠕動和鉆井過程中管柱失穩造成的彎曲變形，部分老井則沒有錄取井身軌跡資料，陀螺曲線的測試正好填補了這一資料空白。應用曲線測試數據，落實井斜角、方位角，變化明顯處加以治理，可以使方案的設計更具有針對性，從而最大限度的提升治理效果。針對部分偏磨嚴重、采取治理措施效果不明顯，井深軌跡不明確井，實施陀螺測斜井6口，為偏磨井治理提供了有效的技術支撐。

3. 5油管損傷在線檢測。采用磁性檢測法，通過勵磁裝置磁化管桿后用磁敏感元件檢測磁場畸變，從而獲得局部橫向裂紋、孔洞及軸向溝槽三類缺陷信息，對偏磨腐蝕嚴重的油管予以報廢。自2014年應用現已開展15井次，油管報廢率為24.1%，通過該技術的應用首先避免了大段或全井更換油管造成的浪費，其次極大減少了缺陷油管下井造成的短命井，同時通過檢測結果精確定位偏磨段，增強了偏磨治理針對性。

4實施效果

通過對接觸應力的研究分析及結果的應用，減緩抽油機井的偏磨，降低抽油機井躺井率，提高了檢泵周期，取得了可觀的經濟效益。共下調沖次、應用雙向保護接箍、優化抽油桿組合、更換抽油桿節箍、使用扶正器取得較好的治理效果， 平均檢泵周期延長97天，減少躺井17井次。總之，針對油井管桿偏磨問題，認真加以分析、分類，采取相對應的配套治理技術加以解決，是治理油井偏磨，實現油井檢泵周期延長的有效途徑。