抽油机井杆柱受力及防偏磨方法研究

2022-09-11

前言

随着聚驱生产规模的扩大, 抽油机井举升含聚液体过程中存在的问题也越来越突出。主要是随着含聚浓度上升, 粘滞阻力增大, 导致杆管偏磨, 脱接器坏等故障频繁发生, 从而造成抽油机井检泵周期大幅缩短, 检泵率明显增加, 检泵周期由水驱时的500-600天下降至聚驱的200天左右。由于检泵周期变短, 油井生产维护工作量增大, 制约了聚驱井经济效益的进一步提高。

一、聚驱抽油机井杆柱受力分析

抽油系统抽油杆带动柱塞在抽油过程中, 上冲程时, 抽油杆由于提升液体重量, 使抽油杆处于受拉状态, 若井筒相对较直, 抽油杆与油管间不会产生摩擦, 而下冲程情况就不同了, 从图-1受力模型分析, 有如下几个主要力作用于抽油杆-柱塞系统:

F1:抽油杆自重 (包括柱塞) ;

F2:油管内作用于柱塞环型面积上的液柱压力;

F3:柱塞底部液体对其作用力;

F4:含聚合物的粘弹性流体对抽油杆柱的法向作用力;

F5:杆柱接箍及扶正器在抽油杆运动时所受的液体阻力;

F6:泵筒与柱塞内的摩擦力;

具体分析如下:

杆柱在抽油下行程中, 是在这几种力的合力作用下, 其中F1、F2的方向是向下的:F3、F5、F6, 后是向上的, 而F4是绕抽油杆轴线不均匀分布的。

F1的力可以根据抽油杆柱的长度与柱塞的重量精确地计算出来:F2可以计算出环型面以上液体的重量, F3柱塞底部的液体对柱塞的作用力, 当柱塞下行时, 固定凡尔关闭, 游动凡尔打开, 因此F3力的大小只是抽油杆截面与泵深处压力乘积, F5由抽油杆接箍面积与抽油杆横截面积之差的环型面积及扶正器与抽油杆横截面积之差的累加决定。

F4由于含聚合物液体的浓度等物理、化学成份各井不同, 因此其粘弹性不同, 杆柱的法向力也不尽相同。

上述各力可以通过理论计算求得, 但其中个别的力计算很繁琐, 因此可以采用实验的方法测量, 再进行加权平均计算。例如F4可以在室内做模拟试验。

取一个透明的量筒, 在其内放一些聚合物液体, 将其放置在水平的桌面上, 再取一根有一定质量的金属圆棒, 在量筒中心线的上方垂直自然投放到量筒之中, 观察到金属棒在聚合物液体中下落过程, 逐渐向量筒壁靠近, 最终贴于量筒壁之上, 若将量筒内的液体晃动后再放置在桌面上, 重新投放金属棒, 观察到的现象与前次无大的区别, 只是金属棒与筒壁相贴位置有了变化。这说明了聚合物液体对杆柱的法向力在圆周上是不均匀分布的, 杆柱偏向于受力相对较小的一面, 并逐渐向管壁靠拢, 这是抽油机井中杆管偏磨造成杆管磨断的另一个因素。

还有一个使杆管偏磨的主要因素来自于柱塞与泵筒之间的摩擦力, 特别是含聚合物液体的粘弹性, 增大了柱塞与泵筒之间的摩擦系数, 也就增大了摩擦力。

二、防偏磨方法探讨:

1. 杆柱加重

目前油田正在试验的有两种杆柱加重方法, 其一是将抽油杆自身加重 (杆柱下部直接接加重杆) , 通过实验证明仍然存在着杆柱弯曲偏磨的问题。另一种在柱塞上面抽油杆外加上加重砣。将加重砣直接套在抽油杆上, 重力直接作用在柱塞的上端, 使所有的抽油杆都处于受拉状态, 防止了弯曲偏磨。另一方面, 由于加重降低了杆柱交变应力的应力幅, 也就是说, 杆柱所受的最大应力和最小应力之差缩小, 降低了交变应力。