斜井有杆泵及井下工具的研制
中文摘要
全国用电量50%以上的交流电动机一般都是按照最大负载下能正常工作为条件来选用的。但在实用中，诸如油田抽油机却经常在重载、轻载甚至在空载下运行，因而电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费十分严重。若能根据抽油机负载变化自动改变电动机的端电压，从而使电动机工作在最佳状态，达到低损耗、高效率节约电能之目的，其实用价值将是重大的。
在油田生产中，游梁式抽油机是使用最多的耗能设备，其拖动电机的负载率普遍较低，造成很大的能源浪费，采用节能型电机控制箱可提高抽油机电机的效率，各种节能型抽油机控制箱已在油田内应用，并取得了较好的节能效果。分析了抽油机电机运行效率低的原因，介绍了目前常用的节能型抽油机控制箱的原理及使用情况，并对节能型抽油机控制箱的发展作了展望。
关键词：油井偏磨有杆泵斜井
目录
中文摘要.................................................... i i 目录..................................................... i v 第1章前言.. (1)
第2章油井偏磨因素及偏磨机理研究 (4)
2.1偏磨井现状 (4)
2.1.1磨井情况调查 (5)
2.1.2防偏磨工艺技术现状 (6)
2.2影响油井偏磨的因素 (7)
2.2.1井斜 (7)
2.2.2油井工况 (7)
2.2.3产出介质 (8)
2.2.4管、杆等的材质和加工工艺 (9)
2.3偏磨产生的机理 (9)
2.3.1斜井或井筒曲率半径小引起的偏磨分析 (10)
2.3.2抽油杆及加重杆压杆稳定性分析 (10)
2.4国内外偏磨技术的研究与应用 (15)
2.4.1 TM扣特殊螺纹接头 (15)
2.4.2抽油杆导向器 (16)
2.4.3连续抽油杆 (16)
第3章斜井抽油泵的研制 (18)
3.1 研发基本情况 (18)
3.1.1结构设计 (18)
3.1.2性能特点 (19)
3.1.3工作原理 (20)
3.2参数设计计算 (20)
3.2.1活塞的水力损失计算 (21)
3.2.2克服弹簧阻力做功的水力损失： (22)
3.3强度校核 (23)
3.3.1泵筒有关部件的强度校核 (23)
3.3.2活塞有关部件的强度校核 (24)
3.4技术参数及室内实验 (26)
3.4.1斜井泵技术参数 (26)
3.4.2技术指标 (26)
3.4.3室内试验 (26)
第4章配套工具的研制 (28)
4.1抽油杆扶正器 (28)
4.2抽油杆防脱器 (30)
4.3柱塞旋转工具 (30)
4.4油管旋转器 (30)
4.5斜井参数优化设计软件的研究 (31)
4.5.1油井轨迹拟合 (32)
4.5.2杆柱受力分析 (32)
4.5.3数学模型的建立和求解 (34)
4.5.4软件的功能 (35)
4.5.5软件的特点 (36)
第5章现场试验 (37)
5.1现场试验 (37)
5.1.1概况 (37)
5.1.2选井条件 (37)
5.1.3典型井例分析 (38)
5.1.4经济效益 (39)
第6章结论 (40)
致谢...................................... 错误！未定义书签。参考文献. (41)
第1章前言
随着钻井技术的不断提高，全国各大油田都在积极推行定向井钻井技术。并且随着该技术的不断成熟和完善，定向井的数量在钻井总数中所占的比例不断增加。据目前的统计数字表明，全国各大油田每年所钻定向井占钻井总数的30%左右，目前东辛采油厂的东辛、永安、广利、新立村等油田定向井的数量已达数一千余口。
定向井具有占用耕地面积小，地面井位集中，易于采油队管理等许多优点。但它给其后的采油工艺带来了许多问题，尤其是在采用目前广泛应用的有杆泵抽汲系统，从杆柱、管柱到井下泵的寿命和效率都受到严重影响。因此有杆泵采油中的主要部件井下泵的工作状况需要研究。靠阀球自重关闭的进出油阀，在斜井段生产时因受力状况发生改变，会发生泵阀关闭滞后、偏击偏磨现象，泵效明显降低。我们曾对Y45、Y52两个斜井平台及部分斜井段生产的15口斜井作了调查，平均泵效仅29％（直井平均50％左右）。同时，抽油杆、油管在斜井中因井斜存在必然的面接触，当杆柱上下往复运动时，会产生剧烈的滑动摩擦。严重的磨损导致抽油杆频繁断脱，油管甚至被磨穿。在斜井段生产的油井作业周期平均只有2～3个月，整个系统的运行周期短，作业频繁、杆管报废严重，使作业成本和综合采油成本上升。
立项前没有专门针对斜井段生产的抽油泵，对杆管因井斜偏磨采取的主要技术措施也是在抽油杆上加装扶正器。多年的现场应用表明，普通泵用于斜井其泵效较低；抽油杆扶正器虽然在一定程度上起到了缓解抽油杆磨损的问题，但未解决油管的偏磨问题，所以，需要更先进的整体配套系统来解决这一斜井抽油工艺的难题。
因此我们提出了大斜度井斜井泵及机采工艺配套技术的研究与实验。试图对大斜度井（井斜角大于30°）生产做系统研究，设计在斜井
中使用的井下泵即在进、排油凡尔上带导向功能的斜井抽油泵，提高泵效；设计柱塞旋转器、抽油杆扶正器、防脱器、油管扶正器、油管旋转器等配套工具减少杆柱、管柱磨损。并通过斜井软件开发，从最基本的工艺参数优化到抽油杆柱组合的优化设计、抽油杆扶正器下放位置的优化设计、油管柱扶正器位置的优化设计以及对地面设备、井下工作状况的定量分析进行研究，给出系统解决方案。使大斜度井有杆泵抽汲系统成为一个从设计到生产的先进的整体配套系统，提高斜井采油工艺的整体水平。从2000年底，东辛开始配套推广扶正防偏磨系统。
扶正防偏磨系统包括四项技术：杆柱扶正器、油管旋转器、抽油杆防脱器、斜井优化设计软件。
1)扶正器：斜井中必不可少的一项重要的配套工具。我们调研了国内外应用扶正器的情况，在设计新型扶正器时，我们遵循以下几个设计原则：第一、降低摩擦系数，有效地减小抽油机负荷。第二、扶正器要具有良好的减磨性，以便降低抽油杆柱的轴向压力和悬点载荷；第三、具有较好的扶正效果，从而防止抽油杆柱弯曲后杆管发生摩擦磨损；第四、能够承受一定的横向载荷。
创新点为：
⑴轮子数量。原扶正器是三轮结构，工作时只有一个轮与油管壁接触，因受力大，油管壁易于被磨穿。我们选择六个滚动体组成六轮扶正器。扶正器滚轮两两之间的夹角为30°，当受任意方向的横向载荷（径向载荷）后，最少有三个轮承受，增大滚轮与油管接触的总面积，使作用在每个轮上的力大大降低，提高整个扶正器与油管的使用寿命。
⑵滚轮的形状设计。以前应用的滚轮扶正器滚轮两侧面均为平面，与本体轮槽侧面接触面积较大，当受一定横向载荷时，摩擦阻力大。又由于滚轮与轮槽之间间隙较小，一旦泥砂进入间隙内，很容易造成滚轮卡死不转，形成滑动摩擦，加速油管磨损。基于上述原因，我们将滚轮两侧面设计成锥形，以减小轮子受横向载荷时两侧面的摩擦阻力。这种形状的滚轮在工作时具有自排泥砂功能，保证了滚轮正常转动，防止事故的发生。
2)抽油杆防脱器：
为了释放抽油杆旋转扭矩，我们研制了抽油杆防脱器。它采用万向节结构，不仅可以消除各种力的变化引起的倒扣扭矩，配合油管旋转器使用，更可以使整个杆柱随油管一起转动，减少抽油杆扶正器的单侧磨损，可很好的延长扶正器寿命。
3)斜井优化软件：
该软件对斜井抽油杆柱受力情况进行详细分析，建立了完整的三维力学模型。模型考虑井斜角、井斜方位角的变化、杆、管、液体间的相互作用力，杆柱所受的弯矩轴向力、正压力、摩擦力等许多因素。它可根据井斜数据确定井眼轨迹，计算出各处受力情况，对斜井中抽油杆柱的组合、扶正器、防脱器安放位置及数量进行设计。我们应用该软件根据油井钻井数据进行预设计，再根据现场情况进行相应调整，重新输入数据进行校核，作出最终设计。
4)油管旋转器：是引进技术。它安装于井口，通过压杆联接，将光杆的往复运动传递给油管旋转器，再通过蜗轮蜗杆传动，带动油管以一个极为缓慢的速度转动。从而改变油管的磨损部位，提高油管的使用寿命。在斜井中还可以减少泵的磨损。
综合运用上述四项技术是该推广项目的最大创新点，可克服单项技术的弊端，在存在偏磨因素的井中，减轻抽油杆和油管的磨损，并使磨损面均匀，显著提高应用效果。
该项目通过整体配套、软件优化设计解决了斜井偏磨和泵效低、寿命短的问题。延长斜井免修期、提高斜井有杆泵生产泵效。本项目自2000年7月开始在东辛采油厂各油田进行矿场试验。统计到03年6月试验31口井，平均泵挂处井斜角30.3°，最大泵挂处井斜角50.6°；抽油泵生产寿命平均一年以上，平均泵效68.6％，单井泵效比以前提高15％以上；平均单井日产液量31.8吨，比试验前18.9提高12.9吨；平均日产油9.4吨，比试验前4.23吨提高5.17吨。已累计增产原油6.92万吨。
第2章油井偏磨因素及偏磨机理研究
抽油机井的偏磨、腐蚀是油田开发过程中所遇到的最为棘手的问题，特别是当油田况及杆开发进入高含水期后，井、管、泵的受力状况发生了较大变化时，抽油机生产中的偏磨问题更显突出，表现为抽油井免修期短，作业频繁，抽油杆、油管磨损报废量大，生产成本高。井身轨迹弯曲，倾斜及下部抽油杆柱和管柱的失稳弯曲是造成抽油井偏磨的主要原因，砂、蜡、稠、气、腐蚀及润滑状况的变化进一步加剧了偏磨，如何分析产生这种现象的原因和机理，并有针对性地采取对应措施，消除影响、延长检泵周期是摆在广大油田开发工程技术人员前面的一项技术性的难题。偏磨井的治理必须把握一项原则，以防为主，治理为辅，治标兼顾治本。最近几年以来，我厂偏磨井的数量呈逐年上升的趋势，广大的技术人员做了大量的研究和可行性试验，采油厂为此也投入了大量的财力，取得了一定的效果。据了解，东辛在治理偏磨井上所采用的措施和方法是走在油田的前面的，但同时也存在着诸如对偏磨机理研究不够深入，缺少对国外先进技术的追踪，管理滞后等问题，还没有从根本上解决偏磨这个难题。如何更进一步地弄清偏磨生成的机理，提高治理方案的科学性和适用性，在借鉴国内外先进的技术和产品基础上，从根本上解决偏磨这个难题是我们追求的目标。
2.1偏磨井现状
东辛采油厂管理着东辛、永安、广利、新利村和盐家五个油田，截止到2002年9月共有油井2093口，开井1315口，其中抽油机井为943口，占总开井数的89%，有斜井、定向井366口。目前油田的综合含水率为89%，平均动液面为846米，平均泵挂深度1206米，主要为D56、D44毫米泵径的管式抽油泵。
2.1.1磨井情况调查
采油厂抽油机井：油管、抽油杆存在偏磨问题的418口，占抽油机井的37.2%；2002年1-6月因油管、抽油杆偏磨造成的维护作业工作量326口，占上半年维护作业工作量的35.8%；2002年1-6月因油管、抽油杆偏磨造成的返修作业工作量76口，占上半年返修作业工作量的32%。（见表1）
表1 东辛采油厂抽油机井偏磨情况统计表
据统计，2001采油厂因偏磨造成的直接经济损失是1211万元（详见表2）
表2 2001年偏磨造成的经济损失统计表
注：1、每吨油按590元；2、返修井每口按2.5万元；3、每口井占产4天，每天4.5吨计。2.1.2防偏磨工艺技术现状
我厂从上个世纪八十年代末就开始了油井的防偏磨治理工作，为解决油井的偏磨问题，先后自主研制、开发和引进了滚轮防磨器，尼龙防磨器，油管锚，加重杆，旋转井口、倒拉锚和斜井泵等配套工具，形成了两套偏磨治理的方案，并且在极个别井上进行了小直径电泵、连续抽油杆工艺的防偏磨试验。目前主要的防偏磨工艺是：在直井段和井斜不大的井内，下尼龙扶正器，底部加重，进行油管锚定；在较大斜度和曲率半径小的井里下滚轮扶正器，地面配油管旋转井口，其应用情况见表3。
注：尼龙扶正器+加重杆+倒拉锚防偏磨工艺是2002年6月实施的。
总体上说，上述两种配套技术在减缓油井偏磨，延长油井免修期，减少作业维护工作量见到了较好的效果。可是防偏磨技术单一，偏磨所造成的维护、返修作业工作量高，油井免修期短，仍是制约采油厂发展
的主要因素，必须引起采油厂领导及工程技术人员的高度重视。
2.2影响油井偏磨的因素
偏磨起源于钻井，表现在抽油机井的生产过程中，产出介质和抽油机井的工况变差是偏磨的催化剂。
2.2.1井斜
①自然井斜在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差，从平面上看，是在井口中心周围的点的集合群；从垂直来看，井筒是一条弯曲旋扭的线条。由于钻井采用刮刀钻头，一般井深超过600-800米就会出现扭曲现象。
②斜井随着钻井技术的发展和油田开发需要，定向井、斜井不断增多，我厂到2001底有480口斜井、定向井。
③地层蠕变地层蠕变造成套管变形，是井筒出现弯曲、变形，产生“狗腿子”，严重时导致油井报废。
2.2.2油井工况
①冲程与冲次在偏磨井中，冲程短，冲次高时，偏磨的部位磨损频率高，失效速度快。
②底部抽油杆弯曲抽油杆弯曲产生于下冲程，下冲程时，抽油杆主要受两个方向的力，一个是自身在液体中向下的重力；另一个是活塞受到向上的阻力。阻力随着活塞直径、原油粘度、工作参数的增加而增加，也随着活塞于泵衬套间隙减小而增大，而两个方向的力的平衡点，即为中性点，在中性点以下抽油杆受压弯曲，使抽油杆与油管发生偏磨。
③油管弯曲抽油杆在上冲程时，游动阀关闭，活塞带动油管内介质上移。由于管内介质的重力，油管与管内介质和抽油杆的阻力作用，
使抽油杆拉直，而油管在中性点以下产生弯曲。油管弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。中性点位置又于泵以下尾管的长度有关，若尾管加长或锚定，就可以把弯曲应力抵消。
④砂、蜡、稠产出液含有砂或结蜡、油稠，都会造成抽油杆下行困难，导致下冲程抽油杆局部产生弯曲。
⑤抽油机安装不规范长期以来，游梁式抽油机的安装就存在问题，其主要原因是抽油机的底座为分体式，当地基发生松陷时，水泥底座将会发生偏斜或沉降，导致抽油机的驴头与井口不对中。
2.2.3产出介质
①综合含水上升随着油田开发年限的增加，产出液综合含水率不断上升，偏磨腐蚀的油井逐年增加。资料表明，中原油田采油三厂，1993年发现偏磨48口，而1997年达164口；我厂1990年仅有偏磨井80多口，到2001年达480口。主要原因时，当油井产出液含水大于75%时，产出液换相，由油包水型转换成水包油型，也就是说，油管内壁、抽油杆表面失去原油的保护作用，产出水直接接触金属，由于失去原油的润滑作用，油管内壁和抽油杆磨损速度加快，伴随着腐蚀，使磨损速度成倍增加。
②腐蚀介质若产出液中具有高矿化度、CI-含量高，CO2，H2S，细菌等产物，将会导致金属表面腐蚀。比如：CO2 + H2O →H+ + HCO3- Fe + H2S →Fe↓ + H2↑
C2O含量越高，产出液中产出的H+越多，PH值越低，酸性越明显，腐蚀性越强。产出液中H2S与Fe反应生成FeS ，而H+对油管和抽油杆具有氢脆现象。
③腐蚀作用的结果偏磨与腐蚀是一对孪生姐妹，同时存在，又相作用，主要表现在：
a.管杆偏磨，使管、杆表面产生热能，促使Fe分子活化，而产出液具有强腐蚀性，使偏磨处加剧腐蚀。
b.由于偏磨处表面被活化，成为化学腐蚀的阳极，而产出液是强电解质，使化学反应加速进行，起到催化作用。
c.由于腐蚀，使管杆偏磨处表面更粗糙。
2.2.4管、杆等的材质和加工工艺
①抽油杆接箍因为抽油杆接箍的直径大于抽油杆的直径，接箍接触油管内壁的频数要远大于杆体与油管的接触，在油抽油杆原因导致的停井事故中，占总数61%的故障是由接箍部分引起的，39%的故障是由杆体引起的。例如常用的J-55级油管和45号钢抽油杆接箍，通常抽油杆接箍首先磨损，这是由于油管在整个冲程长度上磨损，而抽油杆接箍在一个短距离中磨损。
②油管接箍目前使用的油管接箍在结构上存在一个致命的缺陷，当油管上满扣后，在接箍内壁中间有一个宽5-8毫米、深3毫米的槽，就像铁轨的连接处有一条缝隙一样，每当抽油杆接箍经过此处都要发生咬合，产生震动，造成接箍损伤；另外在槽中产出液形成紊流造成腐蚀加剧，使油管丝扣过早失效渗漏。
③油管内壁粗糙度大，表面防腐处理差，也是造成偏磨加剧的主要原因。
2.3偏磨产生的机理
抽油机井偏磨产生的机理可以从两个方面进行分析，一是抽油杆在斜井或井筒曲率半径较小时，由于轴向的拉力或重力产生的水平分力对油管所产生的正压力导致的杆与管内壁摩擦；二是抽油杆受压所产生的弯曲导致的失稳。前者比较容易理解，后者存在于偏磨井的全过程。下面仅对抽油杆失稳做深入分析。
2.3.1斜井或井筒曲率半径小引起的偏磨分析
由于井身轨迹的倾斜和局部的曲率半径变小，使油管产生弯曲。在抽油井生产时，在抽油杆的综合拉力F或综合重力W产生一个水平分力Fx（正压力）的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦（如图1、2）。
图1 井下管杆上冲程图2 井下管杆下冲程偏磨示意图偏磨示意图
上冲程时，抽油杆与油管内壁的一侧产生摩擦；下冲程时，抽油杆弯曲与油管内壁的另一侧面产生摩擦。随着井斜角的增大或曲率半径的减小，水平分力Fx 增加，摩擦力也同时增大，实验证明，当井斜角大于23.9。时，抽油杆与油管内壁的一个侧面始终处于接触状态，也就是说，油管有一侧面不管是上冲程还是下冲程都要受到磨损。
2.3.2抽油杆及加重杆压杆稳定性分析
①抽油杆柱下行受力
下行程时，抽油杆柱所受的合力方向朝下。但在运动中，抽油杆柱受几种方向朝上的载荷作用，主要包括：a.动载（惯性力）；b.抽油杆柱所受的摩擦阻力；c.抽油杆柱所受的浮力；d.衬套与柱塞间的半干摩擦力以及采出井液流过游动阀的阻力。
a.动载（惯性力）
由于抽油杆柱产生的动载计算及分析比较复杂，且一般动载所产生的压力不会很大，下面的讨论均忽略动载对抽油杆柱下部弯曲的影响。
b.抽油杆柱所受的摩擦阻力
抽油杆柱各部位所受的摩擦阻力与抽油杆柱各部位的速度、井下温度、压力分布和井液成分及流动特性等诸多因素有着密切的关系。对抽油杆柱所受的摩擦阻力进行精确地计算或测试分析尚有一定的困难。且本文仅研究抽油杆底部受压失稳，因此，下面的讨论将忽略摩擦阻力对抽油杆柱下部弯曲的影响。
c.杆柱所受的浮力
抽油杆柱所受的浮力大小，取决于抽油杆直径和井液的相对密度的大小。可用如下公式计算：
P f＝ρ×ν(2-1)
P f——抽油杆所受浮力；ρ——井液相对密度；v——抽油杆柱体积D——衬套与柱塞间的半干摩擦力
衬套与柱塞间的半干摩擦力Pm与抽油泵的泵径D及柱塞与泵筒间的配合间隙δ有关，有关资料推荐采用下列经验公式计算：Pm=0.94D/δ-140 (2-2) 表4 抽油泵衬套与柱塞间的半干摩擦力（单位N）
e.采出井液流过游动阀的阻力
采出井液流过游动阀的阻力PL 等于液体流过游动阀的压力损失乘
以柱塞和阀座孔间的环形面积。与排出阀的流量系数μ及个数Nk、泵径D和阀孔内径d、抽油机参数sn、井液密度ρ等有关，可用如下公式计算：
P
L
=（1.5Nk/729μ2）[πD2(D2/d2-1)/4][(sn)2/ｇ]ρ (2-3) 表5 采出井液流过游动阀的阻力PL（单位：kg）
f.可导致抽油杆柱下部受压失稳弯曲的阻力P可概括表示为：
P＝P
F +P
M
+P
L
下面以υ44mm和υ56mm深井泵为例计算抽油杆柱下部受压失稳弯曲的阻力P的大小
D=44mm、sn=20、H=1800m、d=19mm 查表可得P=560(kg)
D=56mm、sn=20、H=1400m、d=19mm 查表可得P=470(kg)
②抽油杆柱的稳定性综述
a.稳定性分析
抽油杆柱的失稳包括动力失稳和运动中的受压弯曲失稳。动力失稳是指杆体上的周期压载频率与压杆的横向自振频率之间的比值达到一定值时，压杆发生剧烈的横向振动。其实如果能够避免了抽油杆柱在运动中的受压弯曲失稳，则同时也避免了抽油杆柱发生的动力失稳。下面重点讨论抽油杆柱在运动中的受压歪曲失稳。为了讨论方便，假设井筒为
理想的垂直状态；油管在井筒内为理想的垂直状态；抽油杆柱在井下为理想的垂直状态。
b.抽油杆柱底部杆端约束条件确定
由于抽油杆柱底部第一根抽油杆在油管内的实际情况如图三的形式，既底部第一根抽油杆与深井泵柱塞连接，柱塞可在泵筒内上下运动。根据材料力学压杆稳定中的约束概念规定，进一步简化为图四所示，既
图3杆柱底部约束实际情况
X O P Y
图4杆柱底部约束简化示意图
c.抽油杆柱底部单根抽油杆压杆失稳弯曲的临界载荷
根据材料力学确定压杆临界载荷的欧拉公式
P ij =π2EJ/（2L ）2
P ij ——临界载荷，N ；
E=20.5947×104 ，MPa ；
J=πd 4/64 ，m 4；
D ——抽油杆直径，m ；
L ——抽油杆单根长度，m 。
P P
y