油田进入高含水期后,抽油机井抽油载荷不断增加,井液腐蚀及润滑状况不断恶化,杆管偏磨与断脱问题越来越突出,造成油井频繁作业及大量管材、杆材的磨损报废,机采效率越来越低,严重制约着油田的正常生产。失稳弯曲是造成抽油井杆管偏磨与断脱的直接原因之一。研究抽油杆防失稳技术对解决抽油井杆管偏磨问题,降低抽油成本,提高机采效率等具有重要意义。
一、抽油杆失稳原因分析
对于杆式抽油井,在上冲程时抽油杆带着柱塞上行,油管承受柱塞与衬套之间的摩擦力、井液浮力、抽油杆与油管之间的摩擦力、液柱与油管之间的摩擦力等方向向上的力,造成下部油管受压,当压应力大于油管临界载荷时,油管失稳弯曲,杆管接触,造成杆管偏磨;下冲程时,抽油杆承受抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力、抽油杆在井液中的浮力、井液通过游动阀时阻力、抽油杆与油管之间的摩擦力等下行阻力,造成下部抽油杆受压,当压应力大于抽油杆临界载荷时,抽油杆失稳弯曲,杆管接触,造成杆管偏磨。
抽油杆在抽油过程中会产生振动。当悬点从下死点开始向上时,液柱载荷逐渐加到柱塞和抽油杆柱上,随着杆柱的向上运动,抽油杆柱就产生振动。同样,当驴头从上死点开始向下运动时,同样也产生振动。振动载荷增大使抽油杆下部杆柱受压,当弯曲载荷大于杆柱临界载荷时,造成抽油杆失稳弯曲,杆管偏磨;同时由于振动的存在,还造成一个冲程多次磨损,这也加快了杆管的偏磨。
二、抽油杆防失稳技术
抽油杆失稳主要是由于抽油杆下行阻力大以及振动载荷的影响,所以要解决抽油杆失稳弯曲,就要克服抽油杆下行阻力,振动的影响。
1、抽油杆集中加重防失稳技术
抽油杆集中加重防失稳技术就是在抽油杆底部采用防偏磨加重抽油杆,以降低中和点的位置。
(1)集中加重的 性
抽油杆柱下行时,抽油泵泵筒对柱塞及井液对活塞的阻力阻碍下部抽油杆柱的下行,造成下部抽油杆柱失稳弯曲、偏磨。这种情况在定向井中 为严重,井斜使抽油杆柱下行动力减小,摩擦阻力增大,造成抽油杆柱缓下问题。
在井斜角不超过45°时,采用加重抽油杆可以明显增加抽油杆柱的下行动力。普通加重抽油杆由于是在受压状态推动抽油泵活塞下行的,不能地避免加重抽油杆的失稳弯曲、偏磨问题。
(2)集中加重抽油杆研制
为解决上述问题,研制了防偏磨集中加重抽油杆。它主要由中心杆、加重外管和防磨滑套等组成,外管套装在中心杆外,防磨滑套套装在外管外。
将这种抽油杆安装在抽油杆柱的下端,抽油时,中心杆承受载荷,外管起加重作用,中心杆受抽油杆扶正器拉扶正外管,提高了杆柱的稳定性。同时外管的重力通过上管压下管的方式向下传递,集中加到抽油泵活塞上,使抽油杆柱的中和点下移到抽油泵活塞上,杆柱受力状况,避免抽油泵活塞下行阻力造成的下部抽油杆柱失稳弯曲、杆管偏磨。
双层结构使加重抽油杆处于拉直状态,可减小加重抽油杆与油管的接触压力及摩擦阻力,增加抽油杆柱下行动力,防止下部抽油杆柱失稳弯曲、断脱、偏磨。防磨滑套可防止加重抽油杆与油管的摩擦与磨损。
2、抽油杆缓冲补偿防失稳技术
缓冲补偿防失稳技术即采用抽油杆防失稳补偿器,解决振动载荷造成的杆柱失稳弯曲及杆管偏磨问题。
抽油杆防失稳补偿器由上接头、中心杆、外筒和下接头组成。上接头下部与中心杆上部连接,外筒套装在中心杆外,外筒与中心杆之间可以相对滑动。将这种补偿器连接在抽油杆柱的失稳部位,在抽油杆失稳弯曲之前,外筒与中心杆之间相对滑动,抽油杆柱的弹性势能通过抽油杆补偿器转化为重力势能,使抽油杆失稳弯曲的弹性力释放,抽油杆柱的稳定性提高;同时液体阻尼的作用使作用在抽油杆柱上的振动载荷衰减,抽油杆柱不会失稳,抽油杆与油管之间也不会产生接触压力,防止了抽油杆与油管之间的偏磨。