特定段塞气柱的弹性伸缩与油管刺漏的关系

５Ｏ　内蒙古石油化工　２ｏ０８年第２４期　

特定段塞气柱的弹性伸缩与油管刺漏的关系　

李　娟，朱　杰，禹小红，刘　娜，董丽霞，王碧琴　

（山东莘县古云中原油田采油三厂）　

摘要：生产过程中，一些抽油井的管油中会形成一个或两个特定的段塞气柱。在活塞上、下冲程　中，段塞气柱于特定的位置上交替出现，且在油管内液柱的作用下弹性伸缩，产生旋流、空蚀、热效应及　

呼吸等作用。最终造成油管丝扣（公扣、母扣）之间刺槽、本体刮擦等，导致腐蚀加剧油管变薄刺漏而躺　

井。建议通过减少冲次、泵升级、提高丝扣的压紧系数、增加丝扣数量等方法解决该难题。　

关键词：段塞；气柱；弹性；油管腐蚀；油管损坏　

１问题的提出　

我国东部油田因油管问题造成的躺井约占躺井　总数的３５　，中原油田采油三厂文明寨油区因油管　

问题造成躺井１９６７井次，其中６１．３Ｏ　是因油管公　扣和母扣之间刺槽造成管与管接箍处刺漏而躺井，　

３３．８　是因本体产生裂缝而躺井。由于各油田目前　产液已处于高含水阶段，油管内壁与管内液体之间　

的流动由塑性或拟塑性的非牛顿流体转化为牛顿流　

体，油管内壁之间的粘滞力明显下降，管内流体特别　是段塞流段的气柱弹性伸缩灵活性进一步加强，气　柱弹性伸缩效应明显加强。　

２段塞气流　在抽油井中，原油在地层压力及外力的作用下，　

从井底沿井筒向上流动，当井筒中的压力高于原油　饱和压力时，天然气完全溶解在液相中。液流在上升　

过程中，压力逐渐降低。在井筒某一高度，当压力低　于原油饱和压力时，溶解在原油中的天然气开始逸　

出，首先逸出的是较轻的成分的碳氢化合物，以小气　

泡的形式存在于油中。从动液面到泵这段环行空间　内，液体压力较低，气体极易从流体中分离出来。泵　

下原油在泵抽汲过程中，作业在活塞上下的压力交　

替变化，导致固定凡尔座上下压力也随之交替变化，　因而使大部分气体直接进泵，小部分气体进入环行　

空间从套管直接逸出。流体进泵后，油管内的压力进　

一步低于饱和压力，气体继续分离出来，并且进一步　膨胀，小气泡合并成大气泡，使管内出现一段液体，　

一段气体的段塞流。特定的段塞气流是指一般分布　

于段塞下部分的一段或几段气柱。　３弹性伸缩效应　

电泵井和抽油井都会形成这种特定的段塞气　

流。对于电泵井来说，液柱和气柱的上升过程是一个　相对平稳的流动过程，不存在气柱弹性压缩和伸展，　

因此其对油管的弹性伸缩效应不大，不存在油管刺　漏现象。下面着重分析抽油井中上、下冲程的压力交　

替变化所引起的各种段塞效应。　

３．１　压力变化　在下冲程的上半冲程中，泵内的活塞做向下加　速运动，且从上死点到下冲程的半冲程时（游梁处于　

水平位置）速度达到最大值，管内流体一般处于失重　

状态，气柱上、下所受的压力会明显减少，气柱的长　度会进一步增大。另一方面，由于泵效的存在，气柱　

下面的流体向下滑动，造成气柱伸长。此时气柱的压　力降到最低值，设为Ｐ　。在上冲程的上半冲程中，泵　内活塞做加速度由大到小的加速运动，油管内液柱　

处于超重状态。气柱不但承受上部液体压力Ｐ液，同　时要推动上部液体运动，气柱内的压力需要增加到　

足以克服油管柱内部的液体的重量、超重所引起的　额外重量、液体和油管内壁粘滞力，才能完成向上举　

升过程，设这时气柱内的压力为Ｐ。，二个压力的极限　

差为△Ｐ，即△Ｐ＝Ｐ２一Ｐ　。　活塞的运动接近于简谐运动，运动的加速度为：　

ＷＡ：ｄＡ／ｄｔ＝（ａ／ｂ）ｒｃｏｃｏｓｃｏｔ　当驴头位于上死点时，ｃｔ，ｔ—ｋ７ｃ，ｋ—Ｏ，１，２，３，４，　

５，６，……，　这时Ｉｃｏｓ（∞ｔ）ｌ一１，即：Ｗ一一ａ／ｂ（ｒｃ０　）　

式中：ａ——游梁中心到驴头弧线上的距离，ｍ；　ｂ——游梁中心到游梁尾轴之间的距离，ｍ；　

ｒ——变速箱输出轴到平衡块上的连杆轴之间　

的距离，ｍ；　ｃｔ，——平衡块运动的角速度，ｒａｄ／ｓ。　

假设流体为牛顿流体，油管内壁理想光滑，流体　

和油管内壁之间的粘滞力忽略不计，段塞气柱到井　

收稿日期：２ＯＯ８一ｏ４一ｌ４　作者简介：李娟（１９７５一），女，助理工程师，１９９６年毕业于胜利石油学校地球物理勘探测井，现从事机采管理工作。

　２ｏｏ８年第２４期　李娟等　特定段塞气柱的弹性伸缩与油管刺漏的关系　５１　

口的高度为ｈ，管内流体的平均密度为ｐ，则：　塞冲次决定。每口井形成段塞气柱的因素不同，相成　

Ｐ　＝ｐ（ｇ—ｗ玎ｍ　）ｈ，Ｐ　一ｐ（ｇ＋ｗ　）ｈ，△Ｐ＝Ｐ。　段塞气柱的位置也不同。因此，通过理论推理方法查　

一Ｐ　一２ｐｇｈ　Ｗ　找这个特定的位置比较困难。　

由于△Ｐ在半个冲程内完成，其变化速度Ｖ　的　一般情况下，油气比较高的油井，理论上分析有　数值相当高，一般可达６．６７×１ｏ　Ｐａ／ｓ。同时该变化　其可视为弹性伸缩的段塞气流。因其油气比较高，在　又是在高压条件下发生的，因此导致了以下段塞效，　’其段塞流阶段，管内气柱个数较多，虽然段塞现象比　

应。　’　较明显，然而随着油管液柱的超失重现象，相成特定　３．２段塞效应　的段塞气流的伸缩效应不明显。即气柱内压力的变　

３．２．１旋流效应　

由于气柱内压力的变化，导致油管公扣和母扣　

之间起阻挡和密封作用的大分子长链烃和具有多支　

链的原油分子沿着丝扣的扣槽旋流到油管中去。　

３．２．２空蚀作用　’　

指使油管接箍内起密封作用的密封胶带或密封　

脂逐渐剥落。　３．２．３热效应　

由于压力的急剧变化意味着气柱体积的急剧变　化，体积的急剧变化决定着其将自身的内能以热能　

的形式传递出去，导致其所在位置的油管温度上升，　加速密封带的老化速度。　

３。２．４呼吸作用　无论油管与油管之间的密封程度有多高，总会　

有部分短碳链气态烃（如甲烷等）从接箍处进行浸透　

作用会明显加强。　虽然这段气柱在完成一个冲程后会改变位置向　

上运动，但在下一个或相隔几个冲程后，在油管同一　位置又会出现同样性质的气柱。同一时期内，这样的　

气柱在油管内的同一位置上交替出现，也正是由于　在这个特定位置上的气柱弹性伸缩作用长期地交替　进行，最终导致该段油管内的管与管连接处轻微的　

渗气会进一步加剧，渗气速度由小到大，由弱变强，　由渗气转化为渗液，在巨大地液柱压力作用下渗漏　

加剧，造成油管接箍处地刺漏，公扣和母扣的油管刺　

槽和油管本体变薄形成裂缝而躺井。　

４现场判断　

弹性段塞流的形成位置一般由原油饱和压力、　

油气比、产液温度和井筒温度梯度以及抽油机的活　化速度较小，段塞砌筑的伸缩明显下降，现场表现为　

因油管丝扣刺漏而躺井的机会减少，超过泵和抽油　杆的使用寿命。对于油气比较低、而原油的泡点压力　

较小、产液温度较高的油井，在管流的段塞阶段形成　

的气柱个数较少，相应的段塞效应就比较明显，油管　丝扣刺漏的机会增大。现场最简单的判断方法是通　

过每口井的作业小结判断。具有特定段塞弹性气流　

的油井，初个别确因作业和油管本身的原因外，大多　分布在井下油管特定的井段上。由于多种因素决定　该位置，各井情况不同，分布位置也不同。　

５建议　

５．１对于油管丝扣刺漏的油井，应采用下大泵、小　冲次（按油井的供液能力，结合泵径，冲次尽量小）的　

方法，以减少特定气柱压力变化的速度，消弱气柱的　弹性伸缩效应。　

５．２根据油井作业，查找油井刺漏的特定井段，加　

强该井段的监督力度。对所下油管丝扣详细检查（刺　洗干净程度、丝扣磨损情况），增加缠加密封胶带的　

厚度，减少油管内外的渗流效应。　

５．３将油管丝扣的压紧系数提高到原来的１．４～１．　６倍。　

５．４更换段塞井段的油管，或在作业中调换这一井　段油管的位置。　５．５对特定井段的油管，增加公扣和母扣之间的丝　

扣数量，增大渗流阻力。　

［参考文献］　

［１］　陈家琅．水利学．北京：石油工业出版社，１９８Ｏ．　

［２］　王鸿勋．采油工艺原理．北京：石油工业出版　

社，１９８９．　

Ｔｈｅ　Ｒｅｌａｔｉ０ｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＥＩａｓｔｉｃ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ＳｐｅｃｉａＩ　Ｓｌｕｇ　Ｇａｓ　Ｃｏｌｕｍｎ　ａｎｄ　Ｔｕｂｉｎｇ　Ｐｉｅｒｃｅｍｅｎｔ　ＬＩ　】Ｈａｎ，ＺＨＵ　Ｊｉｅ，ＹＵ　ｘｉｎｏ—ｈｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｎｎ，ＤＯＮＧ　Ｌｉ—ｚｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｂｉ—ｑ　

（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｐｌａｎｔ　Ｎｏ．３，ＺＰＥＢ　Ｇｕｙｕｎ　Ｓｈｅｎｘｉａｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ．ＳｈａｎＤｏｎｇ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ　ｓｏｍｅ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｗｅｌｌｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，ｏｎｅ　ｏｒ　ｔｗ０　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｌｕｇ　ｇａｓ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　

ｔｈｅ　ｃａｕ毒ｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｓｔｏｎ　ｒｕｎｎｉｎｇ．Ｉｔ　ａＩｔｅｒｎａｔｅｌｙ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ａ　ｆｉｘｅｄ　ｐｌａｃｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｗｈｉｒｌ　ｆｌｏｗ　ｅｆｆｅｃｔ，ａｉｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｆｅｃｔ，ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｓｏ　ｆｏｒｔｈ．Ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｉｓ　ｔｕｂｉｎｇ　ｐｉｅｒｉｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　

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