正确认识抽油井杆管磨损现象的本质努力减少磨损带来的损失汇总.docx
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正确认识抽油井杆管磨损现象的本质努力减少磨损带来的损失汇总
正确认识抽油井直井杆管磨损现象的本质，努力减少磨损带来的损失
摘要
本文的目的是通过探讨杆管磨损现象的本质，使采油矿场上管理者更加自觉地、理性地治理杆管磨损，减少磨损带来的经济损失。
作者通过对目前国内外有关资料的检索得知即使是石油工业发达的美国也还是在研究杆管磨损的治理方法，而没有能够彻底根治。
文章认为：
在有杆泵采油的直井中发生杆管磨损有其必然性，因此至少目前和今后一段相当长的时间内人们只能通过各种方法减少磨损的损失而不能彻底的根治。
文章的作者认为腐蚀磨损是造成灾难性的直井杆管磨损的根本原因。
文章还认为在一个发生严重的杆管磨损的油田中有必要特别加强油井工作制度的管理。
最后，文章的作者根据国内外的治理磨损的现状首次归总结出了七种治理杆管磨损的方法，并对各种方法的特点和使用范围进行了简要的讨论和评判。
主题词
抽油井直井杆管磨损机械磨损腐蚀磨损损失
引言
在抽油井直井中抽油杆与油管之间的磨损现象是油田开发过程中发生的一种普遍现象，只不过磨损的程度不同而已，有的油田发生的是轻微磨损，而有的油田发生的是灾难性的磨损。
在世界范围内，特别是进入了八十年代，有杆泵采油的直井杆管磨损的问题越来越突出,尽管各国采油工程界的工程师和专家们都在不断地致力于杆管磨损课题的研究工作上，但到目前为止只能把杆管磨损的损失减少到一定的程度，尚不能彻底根治。
根据近年来的有关资料报导表明杆管磨损造成的损失往往是相当惨重的。
例如根据设在前苏联港口城市Odessa的抽油杆检测中心提供的三个石油公司抽油杆检测的资料表明：
1986年的抽油杆回收利用率为64％，抽油杆接箍回收率为61％；而1990年的回收利用率仅为27％，抽油杆接箍的回收率为40％。
报废抽油杆的原因主要是发生了腐蚀磨损。
在这五年当中，报废抽油杆和油杆接箍的经济损失为3，576，888美元。
又如根据1988年至1996年统计，乾安油田因杆管腐蚀磨损报废的油管平均每年为296吨，平均每年报废抽油杆40，530米，两项合计直接经济损失为2，700多万元人民币，如果把作业费及原油产量的损失计算在内的话，总的经济损失为3，500万元。
磨损井每年平均单井经济损失4.7万元。
如何正确地从宏观上认清这种技术现状以及杆管磨损现象的本质，微观上紧密结合实际正确地、恰当地采取防磨措施，这是摆在我们面前的一项紧迫的任务。
为了解决这个问题，本文现拟对如下几个问题做以初步的探讨。
这些问题是：
杆管磨损问题是可以彻底根治的，还是只能把损失减少到一定的程度；杆管磨损现象是我国油井特有的还是世界范围的共性问题；是有杆泵直井采油方法固有的缺陷，还是偶尔发生的现象；磨损与腐蚀之间彼此是互相孤立的还是有着内在的必然联系；杆管磨损的程度与抽油井日常管理之间是个什麽关系；治理杆管磨损方法的进展。
笔者近来越来越感觉到只有全面地、正确地认识和解决以上几个问题才能称得上对杆管磨损问题有了较为彻底的本质性的认识，才能称得上打开了有效治理杆管磨损的大门。
杆管磨损是世界级的难题
吉林油田曾在1997年3月把抽油井杆管磨损问题列为局级生产难题，并在同年通过招标的方式将该题目列为当年的科研攻关项目。
其实，通过检索杆管磨损的历史资料得知，该题目不仅仅是吉林油田的难题。
早在1995年美国国家石油委员会受美国能源部的要求做出的关于“石油工业研究开发和示范技术需求”的调查报告中列出了近期和2010年前美国石油工业对石油技术的需求，其中就包括“抽油杆/油管磨损的评价”这样的课题。
从检索到的有关杆管磨损的文章中笔者时时能够感受到各国石油公司的老板们都在积极支持采油工程师和研究人员采取各种技术措施，努力减少杆管磨损带来的损失。
这种有关杆管磨损问题的技术现状说明，即使是美国这样一个石油工业历史悠久，技术高度现代化的产油国也只能是把杆管磨损引起的损失减少到一定的程度,而不能彻底的解决问题。
那麽，为什麽杆管磨损问题成了世界范围的难题的呢？
这是由于直井杆管磨损有它的必然性。
杆管磨损现象是有杆泵采
油方法固有的一个弊端
本文讨论的杆管磨损是指抽油井直井中的杆管磨损。
采油工程界对于直井的杆管磨损原因有一个认识过程。
起初，人们以为杆管磨损是因为井斜造成的。
在美国得克萨斯洲的某油田发生杆管磨损初期，不少的人以为磨损是由于井斜所至。
他们把发生杆管磨损的井无一例外地称之为“弯曲井眼井”。
后来人们重新用多点井斜测井法验证油井是直的之后又换个思路去探讨并摸索出了杆管磨损的原因。
这就是在抽油过程中，在中性点[1]以下的井段上杆管发生弯曲并造成磨损。
抽油杆弯曲的根本原因是由于活塞下行时遇到阻力[1]的缘故；油管弯曲的原因是由于虚拟力[1]的作用所至。
抽油杆在下行程中所遇到的阻力和油管所受的虚拟力是抽油井直井杆管磨损的内因，因此只要抽油机带动抽油杆及活塞正常地进行抽吸运动，那麽在这个抽吸过程中抽油杆的下行阻力和油管底部的虚拟力是始终客观存在的，因此杆管弯曲或磨损现象的发生是必然的。
弯曲的程度以及磨损的程度主要取决于阻力的大小和虚拟力的大小。
虽然井内产出介质的物理化学性质以及其他因素都在不同程度的影响着杆管磨损，但这些因素都是外因。
外因通过内因而起作用，如果没有抽油杆的下行阻力下的弯曲和/或油管在虚拟力作用下的弯曲，那麽杆管磨损现象在直井中（或直井段）是不会存在的。
综上所述，杆管弯曲与磨损现象是有杆泵采油方法不可避免的固有的一个弊端。
这样认识问题会使我们正确认识杆管磨损现象发生的必然性，把立足点放在治理并减少由于杆管磨损带来损失的工作上，不至于盲目地进行重复性的研究与探讨。
抽油杆下行阻力和油管虚拟阻力是构成杆管磨损的内在动力。
但是如果在磨损过程中同时发生腐蚀作用的话，那麽杆管磨损的损失将会更加令人张目结舌。
要足够重视腐蚀磨损带来的损失
从摩擦学角度可以把磨损分为四种类型：
粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。
前三种磨损形式应归类于机械磨损，也是我们比较熟悉的。
而腐蚀磨损的概念对于我们采油工程界来说并不是那麽熟悉。
腐蚀磨损[2]的基本含义就是在磨损过程中不仅有机械磨损作用而且还有某种流体对摩擦表面的化学腐蚀作用。
在腐蚀磨损过程中，那怕是流体的最轻微的腐蚀也能够使磨损的速度大大地加快。
在腐蚀磨损过程中，腐蚀促进磨损，而磨损又因把金属表面形成的腐蚀产物（该产物对腐蚀过程的进行起着阻碍作用）清除干净，使腐蚀速度大大地提高。
这种磨损与腐蚀之间的相互影响、相互促进的机理说明了为什麽腐蚀磨损远比纯粹的机械磨损速度大得多的原因。
除了地层流体具有较严重的腐蚀性的情况之外，一般在油田开发过程的初期，在油井中往往会发生较单纯的机械磨损。
此时，磨损的速度较低，磨损所造成的危害往往并不十分明显。
在一些油田，一旦油井含水上升到一定程度之后就开始发生较严重的腐蚀磨损。
美国的北Jamson油田就是众多发生灾难性的杆管腐蚀磨损的油田中较为典型的一例[3]。
根据美国现场工程师们总结的经验，矿场通常用如下方法来鉴定是否发生了腐蚀磨损：
⑴统计含水上升与磨损井数之间的关系；⑵化验井内产出磨屑固体颗粒以区别机械磨损和腐蚀磨损。
实践证明，几乎所有造成严重磨损的油田的磨损类型都是腐蚀磨损。
油井一旦发生腐蚀磨损，油管漏失的故障发生的频率就见累累上升。
有的井在下泵后几天或十几天就因管漏而停产。
经验证明，发生了腐蚀磨损的井不能单纯地采取下抽油杆扶正器的被动办法来治理杆管磨损。
因为“即使是使用了较软的尼龙导向器，也会在油管上磨损出一个洞”[3]，而在“非腐蚀环境之中，软的尼龙导向器要将油管磨损穿孔是不可能的”[3]。
乾安油田[4]十年防磨实践的最基本经验和教训之一就是没能及时地充分地认识腐蚀磨损与机械磨损的本质区别；没能及时地采取下加重杆、采用涂敷杆管[5]等主动的防磨措施，一味地寄希望于下扶正器的方法来防磨的缘故。
在发生杆管磨损的井中要
特别加强工作制度的管理
本文所指的油井工作制度包括：
冲程、冲数、泵径、泵的间隙等级等四种参数。
众所周知，在石油矿场上油井工作制度的选择与调整是根据油井的排量的需要来确定。
但是，近年来矿场上有不管泵效和系统效率，不管杆管磨损和设备寿命，用盲目放大工作制度的方法来达到提高理论排量的目的的倾向。
这就加剧了油井的杆管磨损。
从历史的观点看，出现这种现象是由于油田开发工作者过去普遍对于工作制度影响杆管磨损程度不曾有过认识的缘故。
为了减少因杆管磨损井所造成的损失，采油工作者包括采油地质工作者都应加强工作制度对杆管磨损的影响的认识，努力研究工作制度对杆管磨损的影响程度；在预防杆管磨损时做到采油工程师和采油地质工程师之间的紧密结合；在考虑增大油井的排量时做到同时考虑杆管防磨措施。
下面我们把工作制度影响杆管磨损的程度进行简要的讨论。
在地面上，可以经常调整的工作制度有两个，一个是冲程，另一个是冲数。
由于调冲数往往比调冲程来得容易，现场常常用调整冲数的办法来满足提高抽油泵排量的需要。
实际上，大家知道冲数过大不仅会对抽油机工况及寿命影响很大，会使杆脱杆断的频率增加；而且使杆管磨损状况进一步恶化。
在海坨子油田的条件下对38毫米泵径进行理论计算表明：
每调大一个档次的冲程，使抽油杆中性点位置平均上移3.2％，绝对上移6.3米；而调大一级冲数时中性点位置平均上移8％，绝对上升16米。
这就说明，调大冲数比调大冲程对杆管磨损的影响大的多。
随着泵径加大不仅会使抽油杆中性点位置上移，而且还会明显地使油管中性点上移。
这一点可以用下面的计算来说明。
同是在海坨子油田的条件下，泵径由38毫米变到56毫米时，抽油杆中性点大约由90米上升到120米，油管中性点大约由170米上升到360米。
很明显，在满足排量的前提下，应优先考虑使用小泵径。
其它条件相同的情况下，抽油泵活塞的下行阻力随泵的间隙增大而减小，因此中性点位置也越靠近泵的活塞。
同是在海坨子油田的条件下对38毫米抽油泵计算表明：
一级泵中性点位置大约为140米，二级泵中性点位置大约为120米，三级泵的中性点位置大约在110米。
上面的计算说明了一个非常容易理解的问题，这就是泵的间隙越紧泵的半干摩擦力[1]就越大，下行阻力也就越大，使抽油杆弯曲的井段也就越长。
笔者在现场工作中也时常体会到下新泵的井发生杆管磨损的比例相对地多一些，这种现象与新抽油泵间隙较小有关。
所以笔者认为在油井并不很深（中深井）的情况之下，视情况适当地使用二级泵，而在浅井（500米左右的油井）中适当地使用一些三级泵也是缓解杆管磨损状态的一种好办法。
顺便指出，在矿场上运送抽油泵一定要真正做到轻拿轻放，否则将因泵体微小弯曲或衬套轻微错动而增加活塞下行阻力，使杆管磨损状况恶化。
综合上面的讨论，我们不难知道：
为了减少杆管磨损所造成的经济损失，尽可能使用长冲程、小冲数、小泵径等参数组合的工作制度为好。
这一结论与传统的采油理论完全吻合，并无矛盾。
治理杆管磨损的技术现状与进展
为了更好地治理杆管磨损，笔者把国内外治理杆管磨损的方法归拿为如下七种类型：
扶正法、加重法、锚定法、旋转法、涂敷法、化学法、倒换法。
扶正法是指分别在杆柱和管柱的磨损段上分别安装扶正器，使杆管在井下处于相互分离状态，使之不发生接触摩擦的方法。
这种方法在发生纯机械磨损的油井中使用最为有效。
实践证明，油井一旦发生了腐蚀磨损，使用油杆扶正的方法不能减少杆管磨损所带来的损失[3]。
这一点常常被现场人员所忽视。
现场经验还证明：
使用油杆扶正器时，由于增加了抽油杆的下行阻力，会使磨损段上移。
另外，近年来在一些油田上采用油管扶正器来防磨的方法，它在减少磨损方面也是不失为一种好方法。
加重法是指在杆柱和管柱底部分别用加重杆和尾管来加重，达到伸直杆管的目的的方法。
这种方法不仅适用于纯的机械磨损的井，尤其适用于那些发生了腐蚀磨损的井中。
其原理是用加重杆和尾管的重量来抵消抽油杆的下行阻力和油管的虚拟力，使原来受这些力弯曲的抽油杆和油管伸直，相互不发生任何接触、摩擦、磨损。
加重法从根本上改变了扶正法中抽油杆尼龙扶正器与油管相互接触摩擦的工作方式。
笔者在治理杆管磨损的实践中也使用了加重杆，其效果是比较理想的。
顺便指出，不是说在任何情况下都一定要用加尾管的方法来防止油管柱弯曲的。
在何时下尾管要视具体情况而定[6]。
锚定法是指在油管柱底部使用油管锚把预先拉紧的油管锚定在套管上，达到使油管伸直的目的。
使用油管锚只能消除油管弯曲现象，不能消除油杆弯曲，所以单靠锚定油管不能彻底消除杆管磨损。
由于锚定器在很大的侧向力的情况下与套管以牙嵌方式接触，所以在腐蚀严重的井中不宜经常采用这种方法来防止油管弯曲。
在腐蚀井中最好采用下尾管的方法。
旋转法旋转法有两种，一种方法是旋转油管的方法，另一种方法是旋转油杆柱的方法。
通过旋转，防止杆管磨损位置固定不变，尽而达到避免油管局部磨漏，油杆接箍偏磨，延长免修期的目的。
旋转油管法[7]是利用抽油机的动力，通过蜗轮减速机构驱动“旋转油管挂”[7]来旋转油管，减少磨损，延长修井周期的目的的。
最早试验这种装置的是美国得克萨斯CarrizoSpring油区。
他们在1990年4月就已经试验了6口油井。
由于试验时间短，截止论文发表之时只有两口完整试验结论的油井。
第一口实验井使用该装置后将修井周期从6个月延长到17个月，试验结束后一方面还清了1200美元成本，另一方面还可每年节约施工费5，200美元/口。
在第二口试验井上，则是把原来4.8个月修井一次的作业周期延长到13个月，还本后当年节约2，120美元，此后每年还可节约施工费6，300美元/口。
旋转油管挂的实验，还收到了一个意外的效果，这就是使用了旋转油管挂之后，使结蜡段不结蜡，免去了大量的周期性的清蜡工作量，使采油成本又下降了一块。
另外，还有一种类似于旋转油管挂工作原理的一项旋转油杆的技术方案[8]已经有人推出。
该方案的初宗是为了抽油杆防脱而设计的，但实际上用在发生磨损的井中会同样起到防止油杆偏磨，油管磨漏的作用。
涂敷法在前面已经讲过腐蚀磨损的机理。
由于腐蚀作用参加到磨损过程，所以使磨损的速度异常地加大，远比单纯的机械磨损速度大的多。
因此，如果能够有效地抑制腐蚀的发生，那麽腐蚀磨损的速度也就会大大地降低。
在磨损段油杆油管表面上涂敷各种防腐材料是防止腐蚀磨损的十分有效的方法，也是近几年矿场上流行的做法。
SMPC[5]杆是其中的较好的涂敷抽油杆。
两金属表面之间硬度相近时磨损程度较重，两表面硬度差适当地拉开距离时，磨损反而小[10]。
根据这一实验室试验结论，技术人员在抽油杆接箍表面喷涂某种硬度大于油管的金属并在油井中使用得到了良好的防磨效果。
在磨损段上，油管内部涂敷一种工程塑料即防止了腐蚀又防止了机械磨损，效果很好。
使用涂敷油管的另外一个好处是：
即使是涂敷层损坏了也可使油管修复率比普通光油管的修复率高。
有人统计，在严重腐蚀磨损环境中涂敷过的油管的修复率为70–80％，而没涂敷过的油管的修复率为20–30％。
最近，国内的河南石油机械厂也在生产一种复合喷涂抽油杆。
笔者相信，不久的将来，我国在使用涂敷法防磨技术方面也会有长足的进展。
化学法化学法防磨是一种定期、定量向井内加缓蚀剂，从而用减少腐蚀的方法来降低腐蚀磨损的速度的防磨方法。
从有关文献[9]上看，化学法起到了一定的防止腐蚀磨损的作用。
但是，由于该方法需要长期坚持向井内加入缓蚀剂，所以不仅工作量大，累计加药费用大，而且药剂在一定的时期内还要不断地筛选更新，该方法不十分受现场欢迎。
倒换法[9]倒换法是在油管柱和油杆柱底部安装几根短管或短杆，待下一次修井时把它们倒换到地面附近，达到改变磨损位置，从而在一定的意义上能够达到减少磨损的目的。
结束语
1、我们探讨杆管磨损现象的本质的目的是为了使采油矿场上管理者更加自觉地、理性地治理杆管磨损，减少磨损带来的经济损失。
2、即使是石油工业发达的美国也还是在研究和探索杆管磨损的治理方法，而没有能够彻底根治。
这是因为在有杆泵采油的直井中发生杆管磨损有其必然性，这就是下行中抽油杆受到流过活塞的阻力和活塞半干摩擦力而弯曲，在上行中油管受虚拟力作用而有可能弯曲。
这种弯曲会带来不同程度的磨损。
因此至少目前和今后一段相当长的时间内人们只能通过各种方法减少磨损的损失而不能彻底的根治。
3、腐蚀磨损是造成灾难性的直井杆管磨损的根本原因。
一旦发生腐蚀磨损不能用尼龙抽油杆扶正器来防磨，要采取加重法或涂敷法等主动的防磨方法。
4、在发生严重的杆管磨损的油田中有必要特别加强油井工作制度的管理。
5、目前，国内外比较成熟的防磨方法共有七种：
扶正法、加重法、锚定法、旋转法、涂敷法、化学法、倒换法。
笔者认为无论杆管磨损是纯粹的机械磨损还是腐蚀磨损，都应当首先考虑加重法防磨，因为这种方法是主动的防磨方法。
在无腐蚀条件下可以使用油杆扶正的方法，而在腐蚀磨损的情况下应尽可能避免使用油杆扶正方法，因为这时即使是很软的尼龙扶正器也仍可使油管磨漏。
腐蚀磨损的条件下在磨损段上考虑使用涂敷抽油杆和/或涂敷油管，这样防磨效果会更好，经济效益会更明显。
参考文献
[1]王殿科：
直井中抽油杆和油管柱的扶正问题石油机械（刊）199220（7）p34-41
[2]J.霍林（英）：
摩擦学原理（书）p101–102
[3]KPMcCaslin:
AStudyoftheMethodsforPreventingRod-WearTubingLeaksinSucker-RodPumpingWellsSPEProductionEngineeringNovember1988p615-618
[4]金光春等:
抽油井直井杆管磨损综合治理方案（一九九七年吉林油田科技立项材料）p2-3
[5]KennethW.Gray:
HowtoMitigateCorrosionAndAbrasionInRodPumpWellsPETROLEUMENGINEERINTERNATIONAL,MAY1991p27-39
[6]沈迪成等：
有杆抽油设备与技术抽油泵，（书）石油工业出版社p258-260
[7]R.P.Lacy:
能延长抽油机生产时间的旋转油管系统（梅启太译自SPE23977）油气田开发译丛（刊）1992.12p18–21
[8]刘树林等:
抽油杆自动旋转防脱器油气田地面工程（刊）199514（5）p51–52
[9]JohnC.Patterson:
Experiencerevealswaystomimizefailuresinrod–pumpedwellsJuly5，1993Oil＆GasJournal
p29，p31
[10]周锡容译：
抽油杆接箍与油管的磨损国外石油机械（刊）1994年3月p48–52
附：
1．完稿时间：
1998年7月17日
2．作者自然情况
姓名年龄职称职位工作单位电话
金光春45高级工程师总工程师吉原公司6337218
李景福50高级工程师总经理吉原公司3125817
朱怀玉47助理工程师吉原公司
苏琳48工程师吉原公司
王国庆26助理工程师研究院
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