1、井斜对杆管偏磨的影响
由于井斜或套管变形形成“拐点”,使油管产生弯曲。摩擦力除了与倾斜角度有关外,与杆管间的摩擦系数成正比,因此当含水升高,杆管间摩擦系数增大后,杆管间摩擦力就越大,磨损越严重。
在“拐点”弯曲度较小的地方,油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦,油管偏磨面积较大,而弯曲度较大的地方,不仅油管内壁与抽油杆接箍产生摩擦,油管内壁与抽油杆本体也产生摩擦,油管偏面积较小,磨损较严重。
在“拐点”处,不仅抽油杆上、下往复运动与油管内壁发生偏磨,而且油管内抽吸力的作用,产生蠕动,与套管发生偏磨,这两种偏磨均为单面偏磨,如图3a所示的形状。这时,杆管接箍被磨平,甚至油管本体被磨穿,造成管柱漏失。
在抽油杆柱的中和点以下,为双面偏磨。上冲程时,由于井斜使抽油杆与油管内壁的一侧面产生偏磨;下冲程时,由于管内各种阻力一与重力的综合作用,使抽油杆弯曲,并与油管内壁的另一侧面产生偏磨,同时使油管相对应的两侧面磨成深槽,甚至被磨穿。
2、失稳弯曲对油井杆管偏磨的影响
抽油机井的杆柱偏磨的主要原因是在抽油杆的下行程过程中由于受到流体通过游动阀的阻力、泵活塞与衬套之间的摩阻、抽油杆与油管之间的摩阻以及抽油杆与液体之间的摩阻的作用,产生一个阻碍抽油杆下行的方向向上的阻力,使得抽油杆的下部受压,而上部抽油杆柱则由于抽油杆柱自身重力的作用而受拉,因此抽油杆在其下行阻力和自身重力的双重作用下,其结果是抽油杆在下行过程中上部的运行速度要大于下部杆柱的速度,从而产生抽油杆的弯曲变形,而且在抽油杆上必然存在既不受压也不受拉的一点,此点即中和点。中和点位置的高低主要取决于抽油杆的下行阻力,而在影响下行阻力的诸因数有哪个因素发生变化,导致下行阻力增加,那么中和点的位置就要相对上移。
抽油杆临界载荷计算结果可以说明抽油杆柱底部根将极易发生失稳弯曲。抽油机井中和点以下的抽油杆柱长度不可能小于8m,从理论上讲,这段抽油杆的弹性稳定临界载荷不会大于表中的数值。抽油机井泵上根到中和点的抽油杆柱比底部根抽油杆 容易发生受压失稳弯曲。这就从理论上解释了现场存在的深井泵泵上10m~500m均发生管杆偏磨,且在30m~400m这段偏磨特别严重的根本原因。因此,油井偏磨是抽油过程中客观存在的,不仅在斜井上存在,在直井上同样存在。
3、井液介质对油井杆管偏磨的影响
油井偏磨是任何抽油机井都必然发生的,但是现场的实际情况是随着油井含水的上升,油井偏磨的情况逐渐加剧,因为偏磨导致的杆断、管漏等检泵作业井次不断上升。其原因是,当油井产出液含水大于74.02%时产出液换相,由油包水型转换为水包油型。管、杆表面失去了原油的保护作用,产出水直接接触金属,腐蚀速度增加。摩擦的润滑剂由原油变为产出水,由于失去原油的润滑作用,杆管间的摩擦系数随着油井含水升高而增大,尤其当含水大于90%时摩擦系数提高到低含水时的6倍,摩擦力也增大到6倍,从而造成油管内壁和抽油杆磨损速度加快,磨损严重。
由于井液高含水、高矿化度和含砂的影响,在管杆相对运动的同时,必然对管杆的偏磨产生贡献,加剧管杆的磨损,井液对管杆的腐蚀机理主要有以下几个方面:
(1)电化学腐蚀。电化学腐蚀是井下管杆腐蚀的主要形式之一。一般而言,只要存在阴极、阳极、电解质和导体这四个要素就能构成一个完整的腐蚀电池,发生电化学反应。井下管柱的主要成分是碳钢,本身就是良好的导体。同时管柱基本处于油水之中,高含水采出液是良好的电解质,这 都为电化学腐蚀的产生提供了 的条件。碳钢浸在水中后,铁素体和渗碳体因电位差而形成正负极,从而在碳钢表面形成成千上万个微电池,作为阳极的纯铁转化为铁离子进人溶液,从而形成了腐蚀。
(2)微生物的腐蚀。微生物的腐蚀主要包括SRB腐蚀和铁与腐生菌的腐蚀。SRB是一种严格厌氧的,能够还原硫酸盐,生成S2-离子。S2-离子能和水中溶解的Fe2+离子反应,生成FeS和Fe(OH)2-等腐蚀产物。铁和能将铁氧化为高价铁离子生成Fe(OH)3等腐蚀产物。
(3)溶解气的腐蚀口氧气、二氧化碳和硫化氢溶解在水中后,会增强管柱的腐蚀速度。这是因为溶解氧不仅能起去极剂的作用,而且在pH值大于4时,还能将亚铁离子氧化成铁离子,加快反应速度。H2S主要是SRB腐蚀的副产物,H2S腐蚀过程中,阴极上的某些氢离子会进人钢铁内部,从而导致低强度钢的氢腐蚀和钢的氢脆。
(4)垢下腐蚀。井下管柱,油井也发现了结垢现象,尤其是水井管柱在生产过程中会生成大量的水垢。如果水中存在较多的CI-离子,则在垢的下面,会形成一个贫氧区,而且垢下溶液往往是FeCI2的饱和溶液,因而会在点蚀孔的周围表面产生阴极反应,使小孔周围不仅受阴极保护,而且pH值越高,点蚀越深,阴极保护区也越宽。pH值的升高使小孔上部的沉淀越来越多,沉淀物进一步堵塞了小孔的通道,使FeCI2被浓缩其中,隔绝了氧气,因而进一步加速了腐蚀。井下管杆的腐蚀往往是上述几种腐蚀综合作用的结果,综合腐蚀的效果要远强于单项腐蚀。此外,管杆偏磨产生热能,使铁分子活化,而产出液具有腐蚀性,使得偏磨处优先被腐蚀,从而使破损处腐蚀速度加快,偏磨表面变的 加粗糙, 加剧了偏磨的程度。
4、生产参数对油井杆管偏磨的影响
(1)冲程冲次的影响
冲程短冲次快时抽油杆与油管相对摩擦部位的面积较小,摩擦的次数增多,磨损较快;冲程长冲次慢时,抽油杆与油管摩擦部位的面积相对较大,摩擦次数减少,磨损较慢,管杆使用寿命相对较长。因此,部分井为了提液高冲次生产是造成油井杆管偏磨的原因。
(2)泵径大小与油井偏磨的关系
根据经验公式计算,不同泵径下柱塞与泵筒的摩擦力可以看出,泵径越大,柱塞与泵筒之间的摩擦力越大。
另外液体流经游动阀的阻力与泵径关系较大,泵径越大,流经游动阀的液体流量系数明显增大,造成液体流经游动阀时的过流阻力增大。因此,对于泵径大的油井,中和点上移,下部抽油杆承压发生弯曲变形的可能性增大,杆管磨损的影响就大。
(3)沉没度对杆管偏磨的影响
上冲程时,在沉没压力和柱塞抽吸作用下,泵游动阀关闭,固定阀打开,泵吸入液体,当沉没度过大时,沉没压力增大,泵内的吸入压力也增大。
下冲程时,固定阀关闭,因此沉没度对杆弯曲没有什么影响,但由于固定阀关闭,此时沉没度对油管下部产生向上顶力。
油井工作制度是否合理对杆管偏磨也有影响。工作参数不合理,造成泵充满程度过低,下冲程抽油杆震动加大,造成液击力增大,特别是高含水低沉没度油井,易形成高液击力.而对于低含水低沉没度油井由于溶解气含量较高,生产中由于气体的缓冲作用,下冲程抽油杆震动不大,因此液击力一般不大。高液击力易造成抽油杆弯曲,从而形成杆管偏磨。同时油并抽油泵的直径越大,冲次越高,抽油杆的震动越厉害,也越容易造成杆管偏磨。采油厂由于受产量和经济效益等因素的制约,高含水油井一般采取大泵、高参数生产,客观上加剧了管杆偏磨的程度。