抽油機井降低懸點載荷技術評價與組合應用

王欣（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

大慶油田進入特高含水開采階段，隨著采油井數和產液量的逐年增加，機采總能耗呈上升趨勢，生產成本逐年增高[1]。2016年機采井總能耗45.47×108kWh，噸液耗電7.7 kWh。抽油機井桿柱主要采用?22 mm鋼制抽油桿，長垣油田抽油機井平均懸點載荷53 kN，桿柱重3 t，占懸點載荷的56%；外圍油田抽油機井平均懸點載荷45 kN，桿柱重3.9 t，占懸點載荷的82%，舉升能耗大。因此，合理降低抽油機井懸點載荷是實施降本增效的有效手段之一。

統計抽油機井檢泵原因分析，桿問題是影響檢泵的主要因素，占36.4%。一是桿管偏磨嚴重，占檢泵的21%，采取扶正器預防，活塞效應加劇，流動阻力加大，懸點載荷增加。二是鋼制抽油桿比重大，運行載荷大，以及疲勞極限等影響，桿斷脫概率增大，桿斷、桿脫檢泵分別占14%和1.4%，同時導致裝機功率大，能耗高；為此，減少抽油機井桿管摩擦阻力和降低桿柱載荷是重點攻關方向。

1 降低油井懸點載荷技術

1.1 抽油桿降載技術

抽油機井采油技術中，桿柱重占懸點載荷比例最大，因此引入輕質抽油桿降低桿柱質量是一項重要措施。近年來，逐步應用了鋼質連續抽油桿、玻璃鋼抽油桿和碳纖維復合材料抽油桿等。

1.1.1 鋼質連續抽油桿

鋼質連續抽油桿目前年使用量超過50×104m，其設計取消了連接件（接箍、絲扣、鍛造部分和鍛造加熱過渡區）。一是減少了抽油桿的失效頻率，其質量比同樣長度的普通桿輕8%～10%；二是無活塞效應，減小流動阻力，降低斷脫概率；三是桿體沒有接箍，表面噴鍍了涂料，減少了結蠟并有效地克服了桿管偏磨。但鋼質連續抽油桿在現場應用過程中出現卡泵現象，采取分段切割報廢而造成浪費。

1.1.2 玻璃鋼連續抽油桿

玻璃鋼抽油桿密度為1.92 g/cm3，具有密度小、耐腐蝕、延伸率小、彈性大等特點[2]。統計大慶油田近年來應用效果，在降載荷、提泵效、延長檢泵周期、深井等方面取得了一些效果，但還存在抗壓、抗扭性能差，吸水溶脹腐蝕、耐溫性較差等問題。

1.1.3 碳纖維連續抽油桿

碳纖維連續柔性抽油桿采用高強碳纖維為桿芯、高耐磨纖維布為絕緣層和特制樹脂為基體的復合材料，經改良拉擠成型工藝制作，其最大優點在于質輕、高強、高模、低密度、耐高溫、抗腐蝕等。

2000年以來，國內針對碳纖維連續抽油桿開展了大量的試驗，泵掛深度從1200 m到3000 m，累計推廣應用100口井以上。碳纖維連續抽油桿有著較好的應用前景，但仍需進一步完善配套工藝，如彈性模量低，沖程損失大，合理匹配參數、桿比例以及打撈工藝等問題[3]。

1.2 抽油管降載技術

隨著油田開發進入特高含水開采階段，定向井和大斜度井比例逐漸增多，導致油井桿管偏磨問題日益突出，同時增大了桿柱載荷。近些年出現內襯油管和內表面帶有涂層的油管，從而避免管桿接觸、降低摩擦系數和減緩油管的腐蝕。

1.2.1 內襯油管

HDPE/EXPE內襯油管與N80油管相比（表1），其油管表面內襯一層高密度聚乙烯新材料，內襯層具有優良彈性、柔韌性、耐磨性和耐腐蝕性。但內襯油管受工作溫度和材料性質影響，現場應用存在塑性變形問題；且內襯油管內徑降低7～8 mm，抽油桿接箍外徑與油管內徑接近，導致活塞效應增大，上下行阻力增加。綜上原因，使內襯油管的適用性受到限制。

表1 N80油管與HDPE/EXPE內襯油管技術參數對比

1.2.2 涂層油管

涂層油管是指使用碳鋯復合樹脂涂料和酚醛改性環氧樹脂涂料等，以樹脂為基料，同時添加多種固體自潤滑材料、硬質耐磨材料、助劑等復合而成的油管，具有良好的防腐蝕性和優異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性。

通過往復磨損試驗，對比分析J55油管、N80油管、氮化油管和涂層油管的耐磨損性能。N80油管的平均摩擦系數為0.61，涂層油管的平均摩擦系數為0.15，較N80油管降低了75.41%[4]。四種不同表面材質的油管經4×105次往復對磨試驗，涂層油管的耐磨性能最好，是氮化油管的6.3倍，N80管材的29.3倍，J55管材的47倍。

1.3 抽油泵降載技術

1.3.1 低磨阻抽油泵

應用低磨阻泵可在保證泵效的前提下，增大柱塞與泵筒的間隙，縮短柱塞有效長度而降低磨阻[5]，進而降低交變載荷，改善管柱的受力情況。

統計大慶油田某區塊570口低磨阻泵井，最大載荷減小9.7 kN，最小載荷增加2.3 kN，泵效由53.6%提高到63.5%，系統效率由24.7%提高到31.2%。

1.3.2 側流式減載深抽泵

側流式減載深抽泵用側流閥取代了普通管式泵的游動閥，即用一個固定閥取代游動閥，并且開有一個側口，由于上、下柱塞存在面積差，始終存在一個向上的力，從而達到降低液柱載荷及懸點載荷的目的[6]。

在深抽井中動液面深度越大，泵徑越大，側流式減載泵減少的載荷就越大。當動液面深度為1500m左右時，使用38mm泵徑，可減小載荷約10kN。

1.4 配套工具降載技術

抽油桿減磨接箍是指在普通抽油桿接箍表面熔結高強度非金屬材料的連接件，該材料主要由高強度碳纖維及石墨等材料熔結而成，具有強度高、耐腐蝕和摩擦因數低的特點。油管減磨接箍是針對油管端部磕碰磨損問題，對油管接箍內表面結構進行了圓滑過渡設計，并對內表面進行了硬化光潔處理。

2 油井減載技術組合設計

通過針對現有降載技術的原理、結構和現場應用效果分析及評價，在桿、管、泵和配套工具上，優選出碳纖維連續桿、涂層油管、低磨阻泵和減磨接箍等技術；通過各自的性能、適應范圍和價格等因素，開發出三種組合配套的降載技術，此技術適用于目前不同油井的生產井況。

2.1 抽油機+常規桿+涂層油管+減磨接箍+低磨阻泵

統計某區塊1年之內斷桿2次以上或連續每年桿斷的井有235口。針對其偏磨嚴重問題，將涂層油管下入偏磨井段，利用涂層油管內表面超低的摩擦系數以及優異的耐磨性、自潤滑性，在降低自身磨損的前提下，減少接箍磨損；同時利用減磨接箍減少桿管磨損，并配套使用低磨阻泵進一步降低柱塞與泵筒間的摩擦阻力。該套減載技術組合設計與常規抽油機相比，桿管摩擦系數降低了42.8%，達到0.05，比普通油管的使用周期延長5倍以上。依靠減磨接箍、低磨阻泵和油管的自潤滑作用，使桿和接箍壽命延長2～3倍。

該套減載技術組合設計與常規抽油機相比，平均單井年減少檢泵1井次以上，節省作業費2萬元；按平均單井每次更換油管300 m計算，年節省材料費2.1萬；平均單井增油效益達3萬元/a，累計增效7.1萬/a，投資回收期小于或等于0.44年。

2.2 抽油機+碳纖維桿+普通油管+常規泵

在低滲透油田開發中，由于井深、產液量少，常規鋼質抽油桿自重大占舉升力的60%以上，導致開發效益下降。利用碳纖維桿質量輕的特點，以1500 m深的井為例，通過不同碳纖維桿比例桿柱計算（表2），設計全井桿柱重比全井鋼桿載荷減少40%～66%，懸點載荷下降9～17 kN。

表2 全井不同碳纖維桿比例桿柱統計

針對某油田實際生產情況，設計三種思路進行現場試驗。

降載：針對懸點載荷偏大的抽油機井，優選90口水驅井載荷利用率超過80%，其中有27口井載荷利用率超過90%。以某油田1口井為例，下入70%比例的碳纖維連續抽油桿，直徑為19 mm，長度為1100 m；加重鋼桿直徑為28 mm，長度為400 m，沖程3 m，沖速4 min-1，泵掛深度1550 m，動液面高度為1080 m。統計27口井平均載荷利用率降低至68.5%。

提液：針對6型機配套?57 mm泵，因生產需要，采取換大泵40口井，平均泵掛深度1022 m。下入70%比例的碳纖維連續抽油桿，直徑為19 mm，長度為340 m，直徑為22 mm，長度為350 m；鋼桿直徑為25 mm，長度為310 m。經效果統計，最大懸點載荷56 kN，實現了6型機帶動?70 mm泵，減少了換機型的成本。

深抽：針對深油層油井，可以下入低比例碳桿。試驗井井深2068 m，下入50%比例的碳纖維連續抽油桿，直徑為19 mm，長度為650 m,直徑為22 mm，長度為430 m；鋼桿直徑為22 mm，長度為700 m。最大懸點載荷67 kN，在不增加桿徑的前提下實現深抽。這對于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意義，有望解決深井、超深井和腐蝕井的開采難題。

以每口井下入1000 m碳纖維桿計算，共計8.5萬元，相比下入鋼桿，增加費用5.36萬元；其中效益最低的降載井消耗功率降低4 kW，全年節約電費2.1萬元；延長檢泵周期300天以上，節省費用2萬元/a,投資回收期小于或等于1.3年。

2.3 智能抽+柔性繩+碳纖維桿+加重桿+普通油管+超長沖程泵

某油田強堿三元復合驅結垢高峰期，針對頻繁垢卡井的狀況，應用智能提撈抽油機延長油井檢泵周期。進入后續水驅時，需要更換抽油機生產，裝機費用大，為此研制智能抽+超長沖程泵來適應三元全周期生產需要。但由于柔性繩耐磨性差且質量大，導致生產周期短;而碳纖維桿耐磨性好、質量輕，為此提出應用智能抽+柔性繩+碳纖維桿+加重桿+普通油管+超長沖程泵的組合設計思路。

?30 mm的柔性繩質量為1.79 kg/m，而碳纖維桿質量為0.586 kg/m，質量減輕67.2%。根據智能抽+柔性繩的最佳工作載荷，設計桿柱自下而上依次為：?70mm柱塞+?42mm×1.5m加重桿（30m）+活接+安全接頭?22 mm抽油桿短接（1.5 m）+下部快速接頭+?19 mm碳纖維連續抽油桿（780 m）+上部快速接頭+密封腔連接頭+活接+?30 mm柔性抽油繩。計算桿柱載荷9.4 kN，較柔性繩載荷下降6.9 kN，下降42.5%。

按780 m碳纖維桿計算，共計6.63萬元，相比下入柔性繩，費用增加0.39萬元。消耗功率降低2 kW，全年節約電費1.05萬元，年增效益0.66萬元。

3 結論

1）目前在桿管和泵上的降載技術有很多種，各種技術都存在一定的適應性，可根據抽油機井的實際情況，優選各類降載技術來滿足生產需要。

2）減載技術組合設計可進一步針對抽油機井生產過程中偏磨嚴重、載荷偏大、深井及三元復合驅結垢問題嚴重的井實施應用，應用效果顯著，有效地降低能耗，提高生產效率，延長檢泵周期。但各降載技術組合仍需要進一步的參數優化和完善配套技術，給出合理的適用性分析，以滿足低油價形勢下油田開發的需求。