抽油桿扶正器導向器組合桿柱防偏磨技術研究

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(1.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552；2.濮陽佰斯泰油氣技術服務有限公司，河南 濮陽 457000；3.中國石化勝利油田公司，山東 東營 257000)

抽油桿與油管之間發生偏磨，引起井下事故是有桿泵系統不可避免的，嚴重影響生產井的有效時率[1-2]。防止桿管偏磨的方法有：內襯油管[3-4]、雙向耐磨接箍[5-6]、防偏磨副[7]、抽油桿扶正器[8]、加重桿[9]、超高強度抽油桿[10]等。其中，在抽油桿彎曲變形位置安放扶正器是業內公認的成本低、效果好的方法。葉勇等人設計了動壓潤滑結構的自旋轉扶正器，將桿管間的單邊磨損變為均勻磨損[11]；鄭學成等人研制的自潤滑自旋轉型抽油桿扶正器，利用扶正環內部軸承固體潤滑方式來減小扶正摩擦阻力[12]；王炳英等人利用抽油桿防偏磨多角度可調式扶正器，將扶正器的輪系結構由滑動摩擦轉換為滾動摩擦[13]；曲明藝設計了抽油桿萬向導向器緩沖彎矩裝置，對沖桿管偏磨[14]。礦場實踐中，諸多學者[15-16]分析了抽油桿在三維空間所受的橫向和縱向載荷，考慮桿管相對運動的“風洞”及“活塞”效應，計算扶正器的下入間距；且融合了內襯油管和扶正器或雙向接箍的防偏磨內涵，確定下入井段或位置[17-18]，應用效果顯著。抽油桿、扶正器在狹長的空間，由靜定問題變成了變剛度的靜不定問題，桿柱設計與實際偏磨井段存在偏差。筆者從實際井眼參數出發，依據抽油桿導向器[19]和扶正器的結構特征，提出了“抽油桿+抽油桿扶正器+抽油桿導向器+抽油桿導向器+抽油桿扶正器+抽油桿[20]”的桿柱組合方案，防止桿管偏磨，得到了現場300余口油井生產實踐的驗證。

1 抽油桿扶正器和導向器桿柱組合工作原理

“抽油桿+抽油桿扶正器+抽油油導向器+抽油桿導向器+抽油桿扶正器+抽油桿”桿柱組合中，扶正器與抽油桿剛性連接，除承受交變載荷外，沖擊、彎曲、扭轉載荷不可避免；抽油桿導向器既能旋轉，又能彎曲的特性，使抽油桿柱在安裝位置建立活動鉸接，緩沖桿柱彎矩，由剛性磨損轉變為柔性磨損。

1.1 抽油桿導向器的結構

抽油桿導向器[19]的結構如圖1所示，具有導向凹槽、導向器環腔和導向器鎖蓋螺紋，且連接著導向器螺紋鎖蓋。該導向器上設計有導向器螺紋鎖蓋內曲面球窩，在由導向凹槽、導向器環腔和導向器鎖蓋螺紋鎖蓋內曲面球窩所形成的空間內裝有導向軸，在導向軸靠近導向凹槽一側設計了導向軸凸頭，與導向軸曲面球頭和導向軸螺桿相連接，并與連軸器相連接。連軸器外側設計了連軸器螺紋，可與規格為?25、?22、?19 mm的抽油桿連接。

1.2 抽油桿導向器的工作原理

抽油桿導向器的上、下體之間可以在其本體圓周內任意角度做無限圈數的旋轉運動；且在軸向上可以沿軸線方向任意偏轉傾斜7°，旋轉和彎曲具有復合聯動功能，與其連接的抽油桿扶正器形成多變的活動絞接。

1—抽油桿連接頭；2—導向器螺紋鎖蓋；3—導向器凹槽；4—導向器環腔；5—導向器鎖蓋螺紋；6—導向器螺紋鎖蓋；7—連軸器卡面；8—連軸器；9—導向軸螺桿；10—導向器曲面球頭；11—導向軸；12—導向器凸頭；13—抽油桿連接頭螺紋孔。圖1 抽油桿導向器的結構

1.3 抽油桿扶正器的選擇及作用原理

油田常用的抽油桿扶正器有滾輪式鋼質扶正器、滾珠式鋼質扶正器、分瓣尼龍扶正器 、短節式尼龍扶正器、多角度可調式扶正器、自旋式抽油桿刮蠟扶正器、柱狀扶正器、雙斜面扶正器、旋轉扶正器等[20-21]。考慮井眼軌跡、流體黏滯阻力以及扶正器的影響，建立三維桿柱動力學模型，求解三維側向力的動態分布規律，設計扶正器的合理安放位置[22-23]。其中，雙斜面扶正器、旋轉扶正器、多角度可調式扶正器可將扶正體與油管的線接觸改為面接觸，減少接著應力，降低磨損率。

1.4 桿柱組合的作用原理

抽油桿兩端連接扶正器，兩扶正器之間連接導向器，緩解和削除桿柱上下沖程振動產生的倒扣轉矩。設置在柱塞拉桿附近的扶正器和導向器組合，緩解抽油桿產生的彎矩和液擊現象。設置在斜井拐點附近的導向器，與扶正器建立多個活動鉸接，避免桿管剛性偏磨。活動鉸接桿柱在螺旋彎曲的油管內柔性運行，可減少沖程損失，提高泵效。

2 抽油桿扶正器導向器組合影響的桿柱力學模型

高密度聚乙烯內襯油管與抽油桿雙向耐磨接箍、扶正器、扶正桿配套工藝作為油井防偏磨的主要措施之一，能有效地解決油井的防偏磨問題[24]。但是，“抽油桿+雙向接箍、抽油桿+扶正器、抽油桿+扶正桿”組合仍然為鋼性連接，抽油桿柱與油管管柱在斜井段承受側向力及往復運動的交變應力，使抽油桿柱形態不斷發生改變，加劇桿管磨損。抽油桿扶正器、導向器組合桿柱沿軸線方向偏轉傾斜擺動，桿柱變為柔性連接，其軸線可隨井眼軌跡的改變而改變，減小了桿柱的彈性形變，桿管偏磨得到雙向控制。

2.1 扶正器導向器組合等效摩擦力計算

(1)

(2)

ds微元段運動微分方程的矢量表達式：

(3)

在不考慮油井采出液振動、桿柱剪切變形和微元段旋轉慣量的情況下，ds微元的運動方程為

(4)

按照虛力原理，抽油桿扶正器、導向器組合桿柱中各內力與位移關系為：

(5)

式中：τ為桿柱撓率；EA為桿柱鋼性強度；E1為桿柱抗彎強度；F1為軸向的內力，kN；M2為徑向上的內力，kN；M3為周向上的內力，kN。

式(4)～(5)為抽油桿扶正器、導向器組合影響下的抽油桿三維運動方程。將其用自動消隱 OpenGL語言編程，求得抽油桿扶正器、導向器組合桿柱與高密度聚乙烯內襯油管的位移偏量趨近于零。說明防偏磨效果好。

3 現場應用

3.1 全角變化率計算[26]

裴緒建認為[27]：全角變化率越大，井眼方向變化越劇烈或井眼彎曲越厲害，但并不表示井斜越厲害。在確定抽油桿扶正器、導向器桿柱組合時，應按美國學者Lubinski推導的公式計算某一井段全角變化率[28]。

cosγ=cosα1×cosα2+sina1×sinα2cos(β1-β2)

(6)

(7)

式中：γ為全角或狗腿角，(°)；α1為上一測點的井斜角，(°)；α2為當前測點的井斜角，(°)；β1為上一側點的方位角，(°)；β2為當前測點的方位角，(°)；△L為各井段的長度，m；K為井眼全角變化率，(°)/30m。

3.2 確定抽油桿扶正器和抽油桿導向器下入位置及個數

國內諸多學者認為[29-30]，井眼全角變化率K≥3 (°)/30m的井段，油井抽油桿、油管需要采取防偏磨措施。當井眼全角變化率K≥3 (°)/30m時，抽油桿扶正器和導向器下入個數為[24]：

(8)

式中：N為抽油桿扶正器、抽油桿導向器組合的數量，N取2的整數倍，個；L為全角變化率≥3 (°)/30m的井段的長度，m；h1為抽油桿的長度，m；h2為抽油桿扶正器的長度，m；h3為抽油桿導向器的長度，m。

3.3 油管配套措施

高密度聚乙烯內襯油管既具有鋼質油管的機械強度，又具有高密度聚乙烯的耐腐蝕、耐磨損、摩擦因數低的特點。據不完全統計，現場應用后，與油管、抽油桿磨損和腐蝕相關的無故障平均運行時間大約增加了400%[31]。在全角變化率≥3 (°)/30m的井段，下入高密度聚乙烯內襯油管代替普通油管，與“抽油桿扶正器+抽油桿導向器”組合配套使用。

3.4 現場應用情況

最近3 a年內，在300余口斜井段大于500 m的油井應用“抽油桿扶正器+抽油桿導向器”配套內襯油管，使油井檢泵周期平均延長1.53倍。

典型井例：XX-421井，造斜點575 m，斜井段長度1 250 m，最大井斜角42.5°，應用該工具后檢泵周期由271 d延長至694 d。

4 結論

1) 抽油桿扶正器、導向器組合桿柱配套高密度聚乙烯內襯油管，解決了防偏磨副、扶正器、扶正桿、內襯油管等單獨使用，不能實現桿、管偏磨的雙向控制的技術問題。

2) 在全角變化率等于大于3 (°)/30m的油井井段，應用抽油桿扶正器與導向器聯作桿柱，并配套高密度聚乙烯內襯油管，能有效防止油井抽油桿、油管的偏磨，延長油井檢泵周期。

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