油井管杆偏磨机理国内研究进展初探

王鑫

摘要：为了研究管杆偏磨机理，国内学者考虑了部分管杆偏磨的因素，建立了不同的力学模型，并用一些数值法、有限元法、能量法等进行模型求解。杆柱下部所受的力很大，导致管柱已经发生多次螺旋屈曲，多次屈曲的临界载荷和偏磨点位置无法确定。抽油杆柱多次屈曲的屈曲规律、临界载荷、屈曲变形后的形状等情况尚没有统一而完整的认识，因此，对于管杆偏磨机理需进一步的深究。

关键词：管杆偏磨;发展历程;防磨技术;

1.抽油杆偏磨机理国内研究进展

1990年国内的高德利、高国华、崔孝秉对井下管柱的力学屈曲问题进行过深入研究，但主要研究的是单纯无重管柱的屈曲问题，而没有考虑管柱共同作用下的力学屈曲运动配合问题。

1994年以来，高国华教授对管柱在井眼中的屈曲行为进行了较为系统的研究，建立了正弦和螺旋屈曲的数学力学模型，通过对微元体的受力分析，由静力平衡方程、变形几何方程和物理方程导出了管柱在弯曲井眼中的三维屈曲方程，这是一个四阶的非线性微分方程，该方程有三种不同形式的解，分别对应于管柱的稳定状态、正弦屈曲状态和螺旋屈曲状态。

1998年焦永树、张永宏、张众等分别研究了流体流动、接触压力、振动对管柱屈曲行为的影响，但没有考虑抽油杆的屈曲问题。

2005年，杨海滨进行了抽油杆柱的三维受力变形分析，从而进行偏磨点的预测。该模型综合了抽油杆柱受到的各种力，综合运用了动量定理和动量矩定理，是一种动态模型，在最大支反力的基础上进行偏磨预测。

2006年，高德利综合考虑了杆柱的结构和材料的性能、载荷特征及井眼约束条件等诸多因素的影响，建立了杆柱屈曲微分控制方程，采用能量变分法进行求解，得到了受不同井眼约束条件下杆柱的正弦和螺旋屈曲模型，给出了在压扭组合作用下杆柱屈曲的临界载荷及杆柱轴向变形与载荷之间的关系，并且分析了杆柱自重对后屈曲行为的影响，同时还对杆管接触力进行了分析。

2010年，王文昌等人结合定向井井眼轨迹的三维空间特征和超细长杆柱在井眼中的双重非线性（接触非线性和几何非线性）特征，同时考虑Ray-leigh阻尼及液体摩擦影响，建立了抽油杆柱三维动态有限元方程。

2011年，王一平依据微元分析理论，对运动状态下的抽油杆柱进行了受力分析，建立了描述抽油杆柱在定向井中受力状态的三维力学模型，模型釆用波动方程的形式，考虑了井眼轨迹、杆柱组合、抽油泵以及流体的影响，通过有限差分法进行求解。

2012年，劉巨保等人针对机械采油工程中杆管偏磨问题，考虑直井内受压油管屈曲变形与套管、抽油杆的双层接触，以及油管和抽油杆的变截面结构和环空间隙，采用有限元结构稳定性分析方法对受压油管进行失稳计算。

2013年，陈迎春等人对管柱屈曲的研究方法进行了概述和对比，并对管柱屈曲研究的未来走向做了探讨，井筒形状、接头、扭矩、摩擦、旋转、螺旋逆转、封隔器等因素对管柱屈曲均有影响。

2014年，张昌美等人运用最小势能原理导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式。定向井造斜段下凹管柱屈曲临界载荷随井眼曲率半径的增大呈指数递减趋势，随平均井斜角的增大而指数递增，管柱壁厚的增加会提高管柱抵抗屈曲变形的能力，但这种影响会随井眼曲率半径、油套管径向间隙的增大而减小。

2015年，黄文君、高德利等人针对无重管柱（忽略管柱重力的影响）螺旋屈曲问题，从虚功原理出发，将管柱边界条件分成2大类。指出前人的研究大多集中于第一类边界条件，而忽略了第二类边界条件。提出塞子模型模拟管柱的端部约束条件，并推导出管柱变形的广义势能泛函。

2016年，劳立明、赵玉刚等人精确估计抽油杆波动方程中的粘性阻尼系数，提出基于等摩擦功原理的等效粘性阻尼系数计算方法。该方法通过建立管杆同心环空牛顿流体层流的运动方程，结合抽油杆上、下冲程的边界条件，求解了上、下冲程不同的环空流场分布及对应的粘性能耗。

2017年林伟、董宗正根据数值仿真原理及修井管柱受力特性，建立了管柱有限元模型，对影响水平井管柱屈曲临界载荷的摩擦因数和环空间隙等因素进行了分析。研究结果表明：摩擦因数越大其正弦和螺旋屈曲临界载荷都随着增大，且螺旋屈曲临界载荷对摩擦因数更敏感;环空间隙变大，会导致管柱的屈曲载荷减小，且当环空间隙大于35 mm时，管柱的螺旋屈曲临界载荷小于正弦屈曲临界载荷。

2 抽油杆防偏磨技术国内研究进展

国内外学者设计了各种类型扶正器及其他防磨工具，虽然杆与管隔离，但排液过流面积较小，液流阻力的增大，增加了杆柱的下行阻力，将这种防磨类型归类为均匀磨损类，下面是一些常用的防磨工具：①钢质滚轮式防偏磨扶正器，滚轮轴易磨坏，造成卡杆的事故;②钢质滚珠式防偏磨扶正器，滚珠槽易被磨掉，使滚珠散落，扶正器失效，同时也可能造成卡抽油杆、卡泵事故;③尼龙扶正器，被磨薄后抗挤强度变差，易被挤碎，而且在偏磨井段长的情况下增加了许多连接部位，扶正间距过大，增加了抽油杆的断脱几率;

国内外学者通过研究杆柱的正弦屈曲和螺旋屈曲规律，提出了一些减缓管杆变形的技术，将这种防磨类型归类为减小杆柱屈曲类，下面是一些常用的技术：①加重抽油杆，增加了抽油杆柱重量，增加了上行载荷，中和点下移，上下冲程中始终处于受拉状态，减缓油杆的螺旋屈曲，可以改善杆柱受力状况，但只适用于偏磨不严重的油井，但目前对加重杆的选用长度尚不能准确把握;②低磨阻采油工艺技术，该技术的主要特点是在高含水的产出液环境下，在杆管之间制造一个充满原油、减缓偏磨的小环境。转换泵在中和点略靠上位置，较轻的原油逐渐在抽油泵以上、转换泵以下的腔内聚集，使杆柱中和点下的杆管之间充满原油。改善了润滑条件，增加了杆柱抗失稳的能力，明显减缓杆管的偏磨腐蚀;

3 小结

随着我国大部分油田逐渐进入中、后期开采阶段，杆管偏磨问题日益突出，因此，国内科研工作者对防偏磨技术作了大量的研究工作，各种各样的防偏磨技术应运而生，这些防偏磨技术可以分为减小杆柱屈曲变形类、降低摩擦系数类、均匀磨损类、抗磨类及其它方法。

参考文献：

[1] 王文昌 三维定向井抽油杆柱力学特性有限元分析新方法[J].石油学报，2010（06）