抽油井管杆偏磨应力计算分析与治理措施

王鹏

摘 要：抽油机深井泵采油中，油管与抽油杆偏磨是造成抽油机井躺井的一项主要因素，通过对油管与抽油杆之间偏磨损伤机理的分析研究，找出了影响偏磨速度的因素，提出了减缓偏磨速度的方法，取得了较好的经济效益。

关键词：偏磨机理；应力分析；减缓；对策

随着油田不断深入开发，综合含水逐渐上升，油井的偏磨、腐蚀等情况不断加剧。有杆泵油井生产过程中，由于井身结构限制、管柱失稳和管杆弹性变形、产出液性质影响等因素，造成抽油杆与油管之间总是存在接触磨损现象，导致油井油管磨损漏失、抽油杆磨损断脱等问题，严重影响油井检泵周期。而且随着油田开发的进一步深入，低品位油藏相继投入开发，油井泵挂深度加大，同时，老油田高含水期开发产出液物性逐渐变差等因素都从不同程度上加剧了油井管杆偏磨问题的发生。消除或减缓抽油杆及油管的偏磨速度，延长检泵周期是提高油田开发效益的重要路径。

1抽油杆与油管偏磨损伤机理

偏磨损伤的成因是抽油杆与油管之间发生相对运动，相对运动在抽油杆与油管接触面产生的接触应力大于油管与抽油杆的表面接触疲劳强度，从而导致接触面的损耗，接触应力越大，油管与抽油杆的损耗越快。损耗的直接结果是导致油管裂缝或抽油杆接箍断或抽油杆脱。治理管杆偏磨损伤的核心是如何减小油管与抽油杆表面的接触应力，减缓管杆磨损的速度。

2偏磨影响因素分析

2. 1接触应力分析根据赫兹公式接触应力计算方法如下：

式中：σH、Fn、b、ρ、E分别代表：最大接触应力，作用在接触面上的载荷，接触长度，综合曲率半径，综合弹性模量其中综合曲率半径ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1） ，正号用于外接触，负号用于内接触，ρ2代表油管偏磨点内半径，ρ1代表抽油杆偏磨点外半径。由上式可以看出，影响油管与抽油杆接触面接触应力大小的主要是四种因素，作用在接触面上的载荷、综合曲率半径、综合弹性模量、和接触长度。

2.2接触面载荷分析假设节箍作为一个质点，那么抽油杆在偏磨点附近的运动，可以认为是质点围绕油管摩擦点作向心运动，向心力即是接触面上的载荷。计算如下：

式中： m， n， s， r， ，fυ分别代表：抽油节箍质量，冲次，冲程，偏磨点拐弯半径，向心力，摩擦系数。由上式可以看出，在同一口井的同一偏磨点，偏磨接触面上的载荷的大小与冲次的平方成正比，冲次变小，作用在接触面上的载荷也随之变小，接触应力σH也将变小，偏磨减轻。

2.3综合曲率半径分析在采油生产中，抽油杆是在油管内部来回做上下运动的，属于内接触，在公式ρ=ρ1ρ2/（ρ2±ρ1）中适用于负号，因此当抽油杆偏磨点外半径ρ1越接近于油管偏磨点内半径ρ2时，综合曲率半径ρ越大，接触应力σH则越小，偏磨将随之减轻。

2. 4综合弹性模量分析综合弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，与材料的化学成分有关。

2.5接触长度分析从赫兹公式可以看出，接触应力的大小与接触长度呈反比，接触长度长度愈大，接觸应力愈小。在油管和抽油杆偏磨的过程中，油管偏磨部位为油管内面，偏磨轨迹为线状，长度为抽油机冲程，在油田一般4.8米，而抽油杆偏磨部位通常为抽油杆节箍，长度一般为0.2米，其有效的接触长度为抽油杆节箍长度，对油管和抽油杆来说，接触应力是相同的，但由于油管和抽油杆偏磨行程的不同，会造成油管抽油杆偏磨速度的不同。在一个单向运动过程中，抽油杆节箍每一点的偏磨行程是4. 8米，而油管每一点的偏磨行程是0. 2米，油管偏磨面

的接触应力属于脉动循环应力，与抽油杆节箍脱离接触后接触应力就等于零，因而在材质相同的情况下，油管的磨损速度要远远小于抽油杆节箍，在厚度相同的情况下，理论上要磨坏20个以上的抽油杆节箍才能使油管损坏，可以通过定期更换抽油杆节箍来实现检泵周期的延长。

3减缓管杆磨损速度，延长检泵周期

3.1降低作用在偏磨接触面上的载荷前面的公式已经指出，造成偏磨的摩擦力的大小与冲次的平方成正比，降低冲次可以降低作用在油管、抽油杆接触面上的载荷，减小接触应力，减缓磨损速度。现场应用：旋卡扶正器+普通抗磨副。加强新技术研究应用，引进弹力支撑定位扶正装置、弹力支撑抗磨副技术开展现场实验，并取得了显著效果。

3.2增大综合曲率半径接触应力的公式已经指出，综合曲率半径的大小与接触应力成反比，在油管内径不变的情况下，增大偏磨点处的抽油杆本体与节箍直径，可以有效地增大综合曲率半径，减小接触应力，减缓磨损速度。在现场生产中，可以通过调整抽油杆组合解决这个问题，在条件允许的情况下将偏磨部位的抽油杆提高一个级别使用，如将Φ19mm抽油杆改换为Φ22mm抽油杆，或者使用加大节箍，将原来的Φ19mm抽油杆节箍直径加大为Φ22mm抽油杆节箍。抽油杆节箍加大，一是增大了综合曲率半径，二是增大节箍厚度，延长了节箍完全损坏的时间。

3.3改变接触面材质，降低综合弹性模量减少摩擦系数。上部近井地带的偏磨可以通过定期更换抽油杆节箍来实现检泵周期的延长。针对采出液腐蚀严重，采取常规防偏磨技术效果差、生产周期短的井，选择内衬HDPE/EXPE油管+配套Ⅱ型接箍配套治理技术。该抗磨抗腐油管是在普通油管中内衬高密度聚乙烯材料，内衬层抗磨强度高，与钢的滑动磨擦系数为0·20，比钢对钢的磨擦系数降低0.13，能够有效减少杆管间的磨擦磨损，内衬材料的肖氏硬度为60～70m，耐磨性是金属的3～5倍；内衬材料耐腐蚀能力强：对酸、碱、盐等众多物质具有很好的耐腐蚀性。

3.4油管损伤在线检测。采用磁性检测法，通过励磁装置磁化管杆后用磁敏感元件检测磁场畸变，从而获得局部横向裂纹、孔洞及轴向沟槽三类缺陷信息，对偏磨腐蚀严重的油管予以报废。自2010年应用现已开展22井次，油管报废率为22·8%，通过该技术的应用首先避免了大段或全井更换油管造成的浪费，其次极大减少了缺陷油管下井造成的短命井，同时通过检测结果精确定位偏磨段，增强了偏磨治理针对性。

3.5陀螺测斜。定向井在钻井过程中，录取了造斜曲线，给油井偏磨治理提供了依据，而对于地层蠕动和钻井过程中管柱失稳造成的弯曲变形，部分老井则没有录取井身轨迹资料，陀螺曲线的测试正好填补了这一资料空白。应用曲线测试数据，落实井斜角、方位角，变化明显处加以治理，可以使方案的设计更具有针对性，从而最大限度的提升治理效果。针对部分偏磨严重、采取治理措施效果不明显，井深轨迹不明确井，陀螺测斜为偏磨井治理提供了有效技术支撑。

4 应用效果

通过上述分析，2014年以来对38口抽油机偏磨严重井上进行了治理，取得了较好的治理效果，平均检泵周期延长了105天，躺井井次减少17口，年创效益124万元。通过对接触应力的研究分析及结果的应用，减缓了抽油机井的偏磨，降低了抽油机井躺井率，提高了检泵周期，取得了可观的经济效益。针对油井管杆偏磨问题，认真加以分析、分类，采取相对应的配套治理技术加以解决，是治理油井偏磨，实现油井检泵周期的有效延长正确方法。