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      酒東油田桿管偏磨研究及對(duì)策

      2021-08-16 14:17:42周妍吳曉旭趙全梁佳瑩朱林中國(guó)石油玉門油田分公司酒東采油廠甘肅酒泉735200
      化工管理 2021年21期
      關(guān)鍵詞:油桿沖程磨損量

      周妍,吳曉旭,趙全,梁佳瑩,朱林(中國(guó)石油玉門油田分公司酒東采油廠,甘肅 酒泉735200)

      0 引言

      酒東油田隨著開發(fā)的深入,泵掛不斷加深至2 800 m左右,部分油井含水也不斷升高,近兩年因偏磨造成斷脫檢泵占總檢泵的比例較高,維修作業(yè)頻繁,油井免修期短,作業(yè)費(fèi)用增加,采油成本升高,綜合效益降低。通過統(tǒng)計(jì)偏磨井情況,偏磨的部位為抽油桿接箍和本體,位置主要集中在抽油桿的中下部。因此,針對(duì)酒東油田桿管偏磨的機(jī)理分析和防治措施研究顯得十分必要。

      1 酒東油田桿管偏磨現(xiàn)狀及影響因素

      抽油機(jī)井的桿管偏磨是由于抽油桿在上下沖程中與油管相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相互接觸而形成的,它受井眼軌跡、桿柱組合、采出液含水等眾多因素的綜合制約[1-2]。

      1.1 桿管偏磨深度

      通過統(tǒng)計(jì),偏磨位置在1 500~2 100 m范圍內(nèi),且泵掛深度2 200 m的偏磨井次比泵掛深度2 800 m要高,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出,泵掛越深,供液越好,抽油桿與油管之間潤(rùn)滑充分,偏磨率比較低。泵掛及偏磨井次統(tǒng)計(jì)如表1所示。

      表1 泵掛及偏磨井次統(tǒng)計(jì)

      1.2 井眼軌跡的影響

      井斜較大的抽油井,生產(chǎn)時(shí)抽油桿柱與油管之間存在較大摩擦力。上沖程時(shí),抽油桿與油管的上側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦,下沖程時(shí),抽油桿與油管的下側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦。距離井口越近磨損越嚴(yán)重,油管傾斜角度越大磨損越嚴(yán)重。

      在狗腿度較大的地方,油管內(nèi)壁與抽油桿桿本體發(fā)生磨擦,由于偏磨面積較小,油管磨損較嚴(yán)重。抽油桿柱上部,表現(xiàn)為單面偏磨,這種偏磨能夠把油管磨穿,是偏磨現(xiàn)象中最常見也是損傷最嚴(yán)重的一種?,F(xiàn)場(chǎng)分析得出,井斜、方位角、狗腿度變化都會(huì)引起偏磨現(xiàn)象的發(fā)生。

      1.3 抽油桿接箍影響

      抽油桿接箍的外徑比抽油桿本體大,所以一旦抽油桿和油管產(chǎn)生接觸時(shí),抽油桿接箍和油管優(yōu)先產(chǎn)生接觸,抽油桿接箍位置對(duì)油管側(cè)向壓力增大,于是摩擦力增大,長(zhǎng)時(shí)間的線面摩擦使得抽油桿接箍出現(xiàn)磨損傷害,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致脫扣。在檢泵時(shí)對(duì)酒東油田抽油桿出現(xiàn)偏磨的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),出現(xiàn)偏磨的部位大多是抽油桿接箍。接箍偏磨屬于磨損機(jī)理中的磨料磨損[3]。

      磨料磨損是指硬的磨(顆)粒物或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的磨損,是表面材料發(fā)生消耗,其特征是在摩擦副對(duì)偶表面沿滑動(dòng)方向形成劃痕。國(guó)外學(xué)者提出了以切削作用為主的磨粒磨損量,其公式[4]如式(1)所示:

      式中:W為法向載荷;H為硬度,其值為載荷與壓痕投影面積之比,即

      1.4 油井生產(chǎn)參數(shù)的影響

      偏磨井沖次多集中于3.5 次/min以上油井,說明沖次較大偏磨較嚴(yán)重。分析認(rèn)為,沖次越大,泵充滿程度相對(duì)較低,造成桿管摩擦相對(duì)較大,增加偏磨幾率。因此,對(duì)于供液能力相對(duì)較差的油井,建議對(duì)油井進(jìn)行詳細(xì)普查,將間歇供液的油井,在保證產(chǎn)量前提下,適當(dāng)增加沖程,隆低沖次。偏磨井沖次分布如圖1所示。

      圖1 偏磨井沖次分布

      1.5 采出液含水影響

      統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映偏磨井含水普遍較高,其中含水50%的偏磨井占60%。油井含水上升,會(huì)使產(chǎn)液由原來的油包水型轉(zhuǎn)變?yōu)樗托?,因?yàn)槭ピ偷臐?rùn)滑保護(hù),油管與抽油桿之間的接觸面磨損速度加快。同時(shí)油井井底高溫,液體中含有礦物質(zhì)、CO2、H+、Cl-及細(xì)菌等腐蝕介質(zhì),直接與桿管接觸,會(huì)產(chǎn)生腐蝕。

      在偏磨的影響下,首先抽油桿表面保護(hù)層及金屬處理層被磨去,然后偏磨處與腐蝕介質(zhì)直接接觸,再加上磨擦產(chǎn)生的熱使腐蝕加劇,增大了偏磨的破壞程度。偏磨井含水分布如圖2所示。

      圖2 偏磨井含水分布

      1.6 沉沒度的影響

      根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),沉沒度過高(過低)都會(huì)增加抽油桿與油管偏磨的幾率,沉沒度相對(duì)合理時(shí),機(jī)抽井發(fā)生偏磨的現(xiàn)象相對(duì)較少??梢缘贸?,沉沒度越大,抽油泵柱塞受到向上浮力也越大,油井桿管的偏磨越厲害。相對(duì)而言沉沒度太低,就容易出現(xiàn)供液不足,上沖程過程中液體不能及時(shí)進(jìn)入泵筒導(dǎo)致泵筒空載,下沖程時(shí)柱塞會(huì)空載一段距離后突然撞擊油液。同時(shí)沉沒度低,溫度下降快,液體溶解蠟的能力下降,增加抽油桿下行阻力,也會(huì)加劇桿管偏磨。

      1.7 管桿結(jié)蠟影響

      存在偏磨的結(jié)蠟井,結(jié)蠟厚度大部分大于3.8 mm,最厚到達(dá)10 mm,表面采出液析蠟是影響酒東油田桿管偏磨的原因之一。油井結(jié)蠟?zāi)Y(jié)減小油管及桿柱間環(huán)形空間面積,加劇“活塞效應(yīng)”,增加抽油桿柱受壓段長(zhǎng)度,即增加抽油桿與油管間的接觸幾率,使抽油桿下行時(shí)與油管間產(chǎn)生嚴(yán)重的碰撞摩擦,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致抽油桿蠟卡、管桿偏磨。偏磨井結(jié)蠟厚度分布如圖3所示。

      圖3 偏磨井結(jié)蠟厚度分布

      1.8 桿柱結(jié)構(gòu)的影響

      目前,酒東采油廠采用的抽油桿組合結(jié)構(gòu)為三級(jí)組合結(jié)構(gòu),直徑分別為19 mm、22 mm、25 mm。根據(jù)桿柱組合的等強(qiáng)度準(zhǔn)則,要求抽油桿組合順序必須從下到上依次是191 mm、22 mm、25 mm。在下沖程中,中和點(diǎn)以上的抽油桿始終處于拉伸狀態(tài)不會(huì)發(fā)生彎曲變形,偏磨幾率小;中和點(diǎn)以下的抽油桿,受慣性力、浮力、摩擦力等組成的向上的阻力,易發(fā)生失穩(wěn),產(chǎn)生彎曲,此部分產(chǎn)生偏磨的幾率較大。

      2 桿管偏磨措施研究

      2.1 抽油桿扶正措施

      抽油桿采取扶正措施,是防治桿管偏磨直接有效的一種形式[5]。

      扶正抽油桿采用熱塑成型固定式,按照井斜大小設(shè)計(jì)配下,井斜在5~10°之間配下一桿一扶,井斜在10~20°配下一桿二扶,井斜在20°以上配下一桿三扶。

      2.2 加重桿優(yōu)化

      上沖程過程中抽油桿受到合力向上,整個(gè)抽油桿處于拉伸狀態(tài),在此認(rèn)為不會(huì)發(fā)生桿管偏磨現(xiàn)象;下沖程過程中整個(gè)抽油桿受力不均,從而存在一個(gè)合力為零的中和點(diǎn),中和點(diǎn)以上的抽油桿合力向上,處于拉伸狀態(tài)不發(fā)生偏磨;而中性點(diǎn)以下部分,由于受到壓力作用會(huì)發(fā)生彎曲,從而造成桿管偏磨的現(xiàn)象。因此盡量將桿柱中和點(diǎn)位置下移,能夠降低桿管偏磨現(xiàn)象的發(fā)生。

      確定加重桿直徑dz,公式如式(2)所示:

      式中:pμ為下沖程過程中所有向上的阻力之和(除壓差力)(N)。Lγ為單級(jí)抽油桿長(zhǎng)度,取8 m。E是抽油桿的彈性模量,大小為210 000 MPa。

      計(jì)算出一個(gè)dz后,通過查詢標(biāo)準(zhǔn)加重桿直徑,以確定合適的加重桿直徑dz,標(biāo)準(zhǔn)加重桿直徑及相關(guān)參數(shù)如表2所示。

      表2 標(biāo)準(zhǔn)加重桿參數(shù)對(duì)照表

      如式(3)所示,確定單根抽油桿的允許承受的最大壓力Pcr:

      如式(4)所示,計(jì)算所需加重桿長(zhǎng)度LZ:

      2.3 防偏磨接箍

      根據(jù)文獻(xiàn)[6]資料,主要對(duì)不同金屬材料、不同硬度的接箍零部件進(jìn)行磨損。

      試驗(yàn)方法:將兩種不同類型的接箍與J55型電阻焊接油管,放置于專用磨損裝置進(jìn)行試驗(yàn),考慮到井下抽汲介質(zhì)的影響,采用水潤(rùn)滑并施加側(cè)向載荷。在測(cè)定摩擦力的磨損試驗(yàn)時(shí),利用電阻應(yīng)變片測(cè)定軸向力,該力與側(cè)向載荷和摩擦方式有關(guān),總重以重量減少來衡量接箍的磨損。試驗(yàn)各部件測(cè)量物性參數(shù),如表3所示。

      表3 試驗(yàn)各部件物性參數(shù)

      (1)兩種接箍磨損量對(duì)比,表明硬質(zhì)合金鋼接箍的耐磨性高于225 HV標(biāo)準(zhǔn)接箍。

      (2)油管磨損量對(duì)比,表明硬質(zhì)合金接箍與油管的磨損量更小,其耐磨性更好。

      (3)側(cè)向載荷對(duì)不同接箍磨損量對(duì)比,表明硬質(zhì)合金接箍磨損量幾乎與側(cè)向載荷無關(guān)。

      (4)摩擦系數(shù)對(duì)不同接箍磨損量對(duì)比,表明標(biāo)準(zhǔn)接箍磨損越來越嚴(yán)重,表面粗糙度增大。硬質(zhì)合金接箍隨著側(cè)向載荷的增大,其摩擦系數(shù)變化趨于平緩。由于硬質(zhì)合金接箍表面涂層發(fā)揮作用,所以使接箍表面粗糙度穩(wěn)定,表面摩擦系數(shù)幾乎不變。

      3 防偏磨措施建議

      (1)偏磨井中接箍偏磨現(xiàn)象較為普遍,因此建議防偏磨措施、優(yōu)選接箍類型,適度使用硬質(zhì)合金接箍。對(duì)于高含水、狗腿度變化大的油井,建議采用扶正注塑抽油桿減少偏磨;對(duì)于供液能力不足的油井,在不影響正常生產(chǎn)的前提下,合理調(diào)整生產(chǎn)參數(shù);對(duì)于結(jié)蠟較嚴(yán)重的油井,建議采用加藥,配合合理清蠟制度,從而達(dá)到減緩偏磨。

      (2)通過中性點(diǎn)計(jì)算,2 200 m泵掛深度油井中性點(diǎn)在1 100 m深度附近,2 800 m泵掛深度油井中性點(diǎn)在1 500 m深度左右,加重桿直徑宜采用D38 mm。

      (3)做好桿管設(shè)備臺(tái)賬,追蹤桿管使用年限,合理替換長(zhǎng)期服役桿管,降低檢泵頻率,延長(zhǎng)油井免修期,節(jié)約生產(chǎn)成本。

      4 結(jié)語

      通過分析酒東油田的桿管偏磨現(xiàn)狀,結(jié)合現(xiàn)有防偏磨技術(shù),提出可行的防偏磨措施,比如加扶正器、加重桿、防偏磨接箍等,確實(shí)有效減少了偏磨現(xiàn)象的發(fā)生,但是并不能從根本上解決任何成因的偏磨。因此,結(jié)合文章研究?jī)?nèi)容,針對(duì)單井偏磨情況具體分析,采取針對(duì)性的防偏磨措施,并優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理,從多方面入手,降低因桿管偏磨引起的檢泵作業(yè)次數(shù),保障油田效益生產(chǎn)。

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