浅层超稠油水平井生产初期频繁出现机、杆不同步—光杆“打架”现象。机、杆不同步情况增加了抽油机的震动, 影响了减速箱、抽油杆寿命, 加重了杆柱断脱机率, 影响高温期采油正常生产。出现脱扣故障位置主要在中上层到井口之间, 对应水平井井斜角范围在0°~14°, 其中有抽油杆连接处脱扣、扶正器与插接式抽油杆连接处脱扣、扶正器滚轮磨损不均脱落。
1 故障原因分析
(1) 机、杆不同步原因分析机抽生产中下冲程机、杆不同步主要是由于下冲程时悬点载荷过小引起的, 而下冲程悬点载荷的减小主要受摩擦力的影响。悬点载荷中的摩擦力包括四方面:抽油杆柱与油管间的半干摩擦力;柱塞和泵筒间的半干摩擦力;抽油杆柱和液柱的液体摩擦力;液体通过游动凡尔时的液体摩擦力, 下冲程时, 抽油杆柱运动方向向下, 摩擦力作用方向向上, 减少了悬点载荷, 如下式所示, 下冲程时悬点载荷P下等于:
式中:P静为抽油杆柱静载荷;P惯为抽油杆柱惯性载荷;P振为抽油杆柱振动载荷;P摩为抽油杆柱所受摩擦力总和。
对于低粘度油井, 液体摩擦力数值很小, 在计算中可忽略不计, 但对于高粘度油井, 液体摩擦力有时可达10~20k N, 大大减小了下冲程抽油杆柱的下行力, 从而造成抽油杆柱下行滞后, 造成机杆不同步现象。
(2) 杆柱频繁脱扣原因分析水平井井眼轨迹是一三维空间曲线, 不但有曲率, 还有挠率, 这种复杂的结构形态使得在其内沿轴向运动的抽油杆柱承受附加扭矩, 并成为抽油杆柱断脱的一个外动力。经分析认为, 水平井抽油杆柱频繁脱扣主要有以下几个因素造成。
(1) 井眼轨迹。由于井斜角、方位角的影响, 水平井杆柱在上下冲程运动时不是像直井一样沿井筒的单纯轴向运动, 抽油杆轴线在运动中的形状和轨迹是变化的, 杆柱运动的轴线是一条三维空间曲线, 即抽油杆受到的侧向力会随着井斜角、方位角的变化而发生变化。抽油杆柱在井斜角和方位角变化的影响下将产生螺旋弯曲变形, 形成具有松动效应的扭矩, 沿中和点向下逐渐增大。另外, 抽油杆柱承受的交变载荷影响着松动扭矩的大小, 交变载荷越大, 卸扣扭矩就越大。水平井的井身轨迹在空间分布上形成一个方向不一致的螺旋曲线, 因此引入地质中“旋回”概念, 指钻井时井深与方位角的变化关系, “正旋回”表示井身结构按顺时针方向螺旋向下, “反旋回”表示逆时针螺旋向下, 当泵位于正旋回段, 活塞下行时将受到一个卸扣扭矩, 此扭矩小于抽油杆正常上扣扭矩, 在活塞运动中卸扣扭矩反复作用, 上扣扭矩消失导致杆柱脱扣。
(2) 原油粘度高。活塞受到重力、浮力及摩擦力作用, 超稠油的特性造成液体摩擦力在下冲程时显著增大, 在油管的限制空间内加剧了杆柱旋转, 易发生脱扣;此外由于摩擦力影响, 下冲程时抽油杆柱中将产生一个不受力的中和点, 该点附近的接箍部位由于不受力, 最易受到卸扣扭矩的作用, 发生脱扣。统计发现, 原油粘度越高, 油层、泵深越浅, 则检泵周期越短。
(3) 抽油杆柱结构设计不合理。初期应用的防脱抽油杆没有台肩, 无法产生足够的挤压力;柱塞上端拉杆连接抽油杆短节, 缺少足够刚性, 杆柱下行时会发生弯曲变形, 处于严重失稳状态, 杆柱载荷无法有效传递到柱塞, 在交变载荷作用下容易导致脱扣故障;防脱器在超稠油水平井中承受较高轴向载荷的情况下, 结构设计不合理, 扭矩不能完全释放。
(4) 振动影响。由于机杆不同步现象频繁, 抽油机悬绳器与管杆卡子的剧烈碰撞加快了杆柱卸扣。
(5) 修井质量。由于采用插接式抽油杆, 如果插接不到位, 造成预紧接箍上不到位, 生产很短时间就会脱扣。
2 采取的对策
(1) 机、杆不同步解决对策 (1) 通过伴热、降粘等方式降低井筒内原油粘度, 减少摩擦阻力; (2) 要求井眼轨迹平滑, 井眼曲率尽可能小; (3) 使用短柱塞泵, 对泵结构进行优化, 减少摩擦阻力; (4) 提高泵挂位置, 避开狗腿度大的位置; (5) 增加加重杆数量, 或改用加重杆, 增加下行力。
(2) 杆柱频繁脱扣解决对策 (1) 杆柱优化:结合单井轨迹情况, 对由于井眼轨迹的原因而产生的扭矩值进行了计算, 预测出井眼扭矩较大值出现的重点位置, 根据设计设置防脱器, 有效释放扭矩。 (2) 开展多种杆柱及附件试验:进行了5种杆柱防脱现场试验, 其中主要的两种方案为:一是采用防松垫圈杆柱, 即在原配套工具上增加防松垫圈, 增加抽油杆接箍的预紧力, 防止因预紧力不足产生脱扣;另一种全井杆柱采用双螺母背帽防松结构, 将原普通防脱抽油杆换成带双螺母背帽式的防脱抽油杆, 每根杆增加一个双螺母背帽;同时也进行了普通抽油杆、全井加重杆、滑动扶正器等。
3 结语
通过对杆柱的应用研究认为, 由于受井身轨迹及原油粘度影响, 普通插接式抽油杆不适用于浅层超稠油水平井, 浅层超稠油水平井抽油杆柱应以防脱为主。双螺母背帽插接式配套杆柱进入现场试验以来, 脱扣井次显著降低, 有效延长了检泵周期, 根据现场试验结果, 推荐浅层超稠油水平井使用双螺母背帽插接式抽油配套杆柱。
摘要：浅层超稠油水平井生产初期抽油杆柱脱扣率较高, 严重影响了高温期抽油生产, 通过对水平井抽油杆柱受力状况、杆柱及附件结构等分析, 确定脱扣主要原因为抽油杆及附件结构设计不完善, 导致卸扣扭矩无法有效释放。通过确定合理的管杆结构, 杆柱脱扣率大幅下降, 有效延长了稠油水平井抽油期间的免修期。
关键词：辽河油田,浅层超稠油,水平井,配套技术,抽油杆
参考文献
[1] 任国亮, 张世安, 等.稠油斜直井抽油杆柱滞后原因及解决途径.特种油气藏, 2004, 11 (4) :74-77.
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