目前我国正在开采和尚未开采的油井数量大约有30万口,若以有杆抽油油井占总油井数的50%计算,每口油井约需扶正器150个,按每个平均使用寿命为1年计算,则每年需要2250万个,需求量。但根据统计,目前使用较多的尼龙扶正器其平均使用寿命往往不到1年。抽油杆扶正器失效的卞要原因就是与油管发生偏磨以及井内液体介质对其产生腐蚀,而且偏磨和腐蚀并不是简单的叠加,它们相互作用、相互 ,二者结合起来破坏性 大。
一、磨损造成扶正器失效
1、受压弯曲导致杆管偏磨
直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时,抽油杆带着柱塞下行,固定阀关闭,排出阀打开,液柱作用在油管上,使油管伸直而抽油杆柱承受在液柱中的重力,杆柱与液体之间的摩擦力,采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力,下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间,由于泵内液体及泵简内壁对活塞的阻力,加之以上力的作用,导致整个杆柱下部受压、上部受拉,拉压之间存在既不受拉又不受压的中和点。中和点以下,杆柱受压失稳弯曲,弯曲的杆柱与油管内壁接触,发生磨损现象。由于杆柱的塑性较强,上部的重力不会很快对下部形成压力,而下部杆柱在上冲程的惯性力作用下还在向上运动,增加了中下部杆柱的弯曲程度,杆柱发生弯曲的这种现象称为“失稳”。通过计算发现,随泵径加大,泵深的增加,中和点以下长度在杆柱全长中所占比例也有所增加,相应地杆柱弯曲就会越严重。现场发现下行均有磨损且较严重,由此说明杆柱“失稳”是偏磨的卞要原因,而中性点越低,杆柱的“失稳”越轻,杆柱偏磨现象也越轻。“失稳”引起的偏磨均为双而偏磨。由于偏磨,使抽油杆强度变低,加之交变载荷的影响,抽油杆 容易疲劳。
从理论上讲,“失稳”与如下因素有关:(1)冲程、冲次越大,“失稳”越严重。(2)多级组合中,细杆比例越大,“失稳”越严重。(3)同一,二级组合比二级组合“失稳”严重。(4)泵的间隙越小,活塞与泵简的摩擦力越大,“失稳”越严重。
2、井斜导致偏磨
(1)自然斜井
在钻井过程中,随着钻井的增加,钻头与井口的同心度变差。从纵向看,井简是一条弯曲旋扭的线条,一般井深超过600~800m以后,出现扭曲现象。管杆随着套管井眼轨迹弯曲,斜度越大管杆磨损越严重。
(2)定向斜井
随着钻井技术的发展和油田的需要,定向斜井不断增多。
(3)地层蠕变
由于地层蠕变,加之的强采、强注,导致井况进一步恶化,套管变形弯曲,形成“拐点”,严重时会引起套管破裂、错断,造成油井报废。
3、油井含水升率高,杆管磨损加剧
当杆与管相接触发生滑动摩擦时,磨损速度与它们之间的润滑状态有关,而水的摩擦系数远远大于油的摩擦系数,当油管连续相从原油变为产出水时,由于油管和抽油杆两摩擦而油相润滑,边界消失,磨损会突然加剧。另外通过计算发现,含水升高,抽油杆下行时,使抽油杆的中和点下移,加剧了抽油杆弯曲。
4、生产参数对偏磨的影响
在抽油机井生产过程中,由于抽油杆与油管所受到的交变载荷的频率和幅度不同,偏磨的影响也不一样。油井的生产参数越大,抽油杆的下行阻力越大,抽油杆越易偏磨。反之,偏磨的几率小。
5、油管弯曲对偏磨的影响
抽油杆在上冲程时,油管(未锚定)在中性点以下产生弯曲,使管、杆接触而产生磨损。油管弯曲造成的偏磨卞要局限于泵上部附近,即中性点以下到泵位置,它可以通过尾管的长度来调整。
6、结蜡对偏磨的影响
一些油田的原油含蜡高达30%以上,井下结蜡严重,石蜡附在衬套上,减小了活塞与衬套之间的间隙,增加了活塞的下行阻力,另外,油管内结蜡严重时,将引起抽油杆下行过程中与油管间产生碰磨或引起抽油杆的超负荷,致使抽油杆发生弯曲,发生偏磨。
二、腐蚀造成扶正器失效
1、综合含水率的影响
随着综合含水的不断上升,油井腐蚀程度日趋严重。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,也就是杆管表而失去了原油的保护作用,产出水直接接触抽油杆和油管,腐蚀速度增大。摩擦的润滑剂由原油变为产出水,失去原油的润滑作用,抽油杆和油管内壁磨损速度加快,磨损严重。
2、腐蚀介质的影响
油田的产出水具有“六高一低”的特点。“六高”即矿化度高、温度高、Cl-含量高、CO2含量高、H2S含量高、含量高;“一低”指的是pH值低。
CO2含量越高,产出水中产生的H+越多;pH值越低,产出水显弱酸性,腐蚀性增强。据资料介绍,在CO2气体存在时,油井 大腐蚀发生在60~90℃范围内,而桥口油田井温正在此范围内。产出水中H2S与铁反应生成FeS和H2,而H2对杆、管产生氢脆腐蚀。由于pH值低,H+离子多,而产出水含Cl-高,这 形成了具有强腐蚀性的体系。
3、偏磨加剧腐蚀
偏磨和腐蚀并不是简单的叠加,而是共同作用,它们会进一步加速抽油杆截而的减小和油管内壁减薄,造成 严重的后果。具体体现在:(1)杆、管偏磨,使表而氧化膜保护层或层脱落,在井温和摩擦产生的热能作用下,使杆、管表而铁分子活化,在产出液的强腐蚀作用下,偏磨处 先被腐蚀。
(2)由于偏磨处表而被活化,成为电化学腐蚀的阳极,从而形成了大阴阳极的电化学腐蚀,而产出液是强电解质,具有强腐蚀性,对电化学腐蚀起到一个催化作用, 加剧了腐蚀度,阳极被牺牲,即偏磨处优先被腐蚀。
(3)由于腐蚀使得杆、管偏磨表而 加粗糙,造成磨损 严重。
三、抽油杆扶正器失效的防治对策
基于扶正器失效的两大原因,可以从以下几个方面进行综合预防:
(1)选择损、蚀的材料制作扶正器,其中常用的有钢质扶正器和塑料扶正器;(2)添加缓蚀剂蚀,减缓磨损;(3)对扶正器进行结构改进;(4)使用旋转井口改变偏磨位置以及其他的防偏磨工具;(5)合理调整生产工艺参数。
随着油田的不断发展,抽油杆及油管破坏失效成为制约油田采油生产的重要因素之一。它不但直接影响采油井的生产效率,使大量油管、抽油杆直接报废,同时也是抽油机井维护作业工作量居高不下的卞要因素。通过对油井维护作业的统计,发现抽油机井存在管、杆失效问题的井占总井数的半数以上,偏磨腐蚀造成油井修井维护作业的工作量占全年的67%。因此,分析确定抽油杆扶正器失效的机理,研究防治措施己成为油田开采工作中的研究。