胡業(yè)文,郭建設(shè),馮 鼎,馮耀忠

(中石化勝利油田分公司純梁采油廠,山東博興256504)

玻璃鋼抽油桿技術(shù)性能與應(yīng)用探討

胡業(yè)文,郭建設(shè),馮 鼎,馮耀忠

(中石化勝利油田分公司純梁采油廠,山東博興256504)

介紹了國內(nèi)外玻璃鋼抽油桿技術(shù)的研究現(xiàn)狀。玻璃鋼抽油桿具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性大、抗腐蝕和抽油時(shí)具有超行程等優(yōu)點(diǎn);可使抽油機(jī)驢頭載荷降低37.5%,油井增產(chǎn)75%;可不更換抽油設(shè)備而增大抽吸參數(shù);可使有桿泵抽油設(shè)備適用于超深井、斜井和嚴(yán)重腐蝕油井。設(shè)計(jì)玻璃鋼桿柱和確定其工作制度時(shí),必須考慮載荷系數(shù)、頻率系數(shù)和阻尼系數(shù)對(duì)沖程長度的影響。

玻璃鋼抽油桿;性能;應(yīng)用;現(xiàn)狀

有桿泵采油是國內(nèi)外廣泛采用的一種采油方式,抽油桿柱是其關(guān)鍵部分,鋼抽油桿柱有很多致命的弱點(diǎn),玻璃鋼抽油桿近年來已逐步應(yīng)用于油田。為了優(yōu)化玻璃鋼抽油桿桿柱組合和使用條件,進(jìn)一步提高其使用性能和擴(kuò)大應(yīng)用范圍,國內(nèi)外對(duì)玻璃鋼抽油桿的性能和使用條件進(jìn)行了廣泛研究。

1 美國對(duì)玻璃鋼抽油桿的研究

1.1 礦場試驗(yàn)[1]

世界上首先開發(fā)和使用玻璃鋼抽油桿的是美國。對(duì)配備玻璃鋼桿的有桿抽油設(shè)備的最初研究是在1 274～1 952 m井深的11口井進(jìn)行的。試驗(yàn)是在抽油桿柱下端采用玻璃鋼桿取代鋼桿,玻璃鋼桿占桿柱總長的8.8%～16.6%,以保證其應(yīng)力不變。試驗(yàn)表明,采用玻璃鋼桿是合理的,它有足夠高的強(qiáng)度和彈性。同時(shí)確定今后的發(fā)展方向是開展有針對(duì)性的研究,優(yōu)化其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、桿柱組合和使用條件。

表1給出了配備玻璃鋼桿的有桿抽油設(shè)備在美國油田的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,可以看出,采用玻璃鋼桿可使驢頭最大載荷降低37.5%,油井平均增產(chǎn)75%。

為了對(duì)比鋼桿和玻璃鋼桿的使用性能,美國在克雷恩油田進(jìn)行的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)更具有代表性。試驗(yàn)在880口油井上進(jìn)行,其中在219口油井的桿柱中配備了玻璃鋼桿,試驗(yàn)結(jié)果如表2。由表2可以看出,219口采用玻璃鋼桿桿柱組合的油井比661口鋼桿柱油井平均增產(chǎn)32%,單位耗電量的采液量增加60%;玻璃鋼桿組合桿柱比鋼桿柱平均100口 油井的斷裂故障率下降57%。

表1 美國某油田玻璃鋼抽油桿和鋼桿對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表2 美國某油田880口有桿泵井對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

1.2 超行程效應(yīng)

采用玻璃鋼桿柱油井增產(chǎn)的一個(gè)重要原因是其超行程效應(yīng)。玻璃鋼的拉伸彈性模量比鋼小71%～75%,承載時(shí)的彈性變形較大。通常,桿柱在下行時(shí)會(huì)因自重力產(chǎn)生初始變形,上行時(shí)會(huì)因自重力及抽吸液引起彈性變形,在計(jì)算配備有玻璃鋼桿桿柱的初始長度時(shí),應(yīng)考慮其初始變形,且由抽吸液質(zhì)量引起的桿柱變形會(huì)使柱塞沖程長度小于光桿。為此,引入一個(gè)以柱塞和光桿沖程長度比 S1/S2表示的無量綱沖程長度D,D又可用無量綱負(fù)載系數(shù)A、無量綱頻率系數(shù)B和無量綱阻尼系數(shù)C求出,其中A表示為

式中,Fjy為井液質(zhì)量引起的載荷;K為桿柱剛度。

由于桿柱上行時(shí)由井液質(zhì)量產(chǎn)生的載荷逐漸減小,由此產(chǎn)生的彈性變形也減小。這時(shí)桿柱在傳動(dòng)裝置作用下固有頻率的振動(dòng)將發(fā)揮最重要的作用。為了描述桿柱的振動(dòng)過程,引入桿柱在傳動(dòng)裝置作用下的振動(dòng)頻率 N1與固有頻率 N2之比表示的無量綱頻率因數(shù)B。因井液阻力,桿柱還會(huì)產(chǎn)生阻尼系數(shù)C,C是實(shí)際和理論阻尼之比,即

由此,整個(gè)系統(tǒng)的無量綱沖程長度可表示為

鋼桿柱負(fù)載系數(shù)A通常為0.1～0.5,玻璃鋼桿柱為0.5～0.7。當(dāng)負(fù)載系數(shù)A增大時(shí),D減小。鋼桿柱的頻率因數(shù)為0.10～0.45,相當(dāng)于沖程長度為1.00～1.15 m[2]。玻璃鋼的剛度小于鋼,玻璃鋼桿的固有頻率也小于鋼桿柱,因此在相同振動(dòng)頻率下,傳動(dòng)裝置可使玻璃鋼桿柱在更接近于諧振狀態(tài)下使用。由于玻璃鋼桿柱的頻率因數(shù)為0.45～0.80,因此可保證沖程長度<2.30～2.50 m,即便考慮上行時(shí)的桿柱伸長,也能保證柱塞沖程長度大于光桿。

鋼桿柱與玻璃鋼桿柱的無量綱阻尼系數(shù)相同,其變化范圍均為0.1～0.2。在鋼桿柱的頻率因數(shù)下使用,阻尼對(duì)沖程長度參數(shù)的影響不大;在玻璃鋼桿柱的頻率因數(shù)下使用,阻尼系數(shù) C減小,沖程長度急劇增大。因此,在校核玻璃鋼桿柱和確定其工作制度時(shí),必須考慮 A、B、C的共同作用以及對(duì)D的共同影響。應(yīng)合理選擇使用的頻率因數(shù),使其最大限度地接近共振區(qū),以使阻尼系數(shù) C最小。此外,還應(yīng)考慮光桿沖程長度、泵、柱塞直徑及桿柱剛度,以保證優(yōu)化采油要求的負(fù)載系數(shù)A。

考慮上述因素后,加拿大石油公司在阿爾伯塔省的尼皮薩油田采用了玻璃鋼桿桿柱,結(jié)果使油井產(chǎn)油量由80 m3/d增至120 m3/d。

1.3 深井采油試驗(yàn)

1.3.1 在深井中應(yīng)用

在深井中使用鋼桿柱有時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重問題[3]。美國西德克薩斯1口3 836 m的油井在自噴轉(zhuǎn)抽時(shí),采用鋼桿柱抽油系統(tǒng)生產(chǎn)22個(gè)月,因井太深和使用條件復(fù)雜,發(fā)生了4次斷桿事故,后改用噴射泵等采油方式也未能成功。1988年采用配備有玻璃鋼桿的桿柱,泵深3 810 m,泵徑?27 mm,光桿沖程4.667 m,沖次8 min-1,桿柱由50%的?31.75 mm玻璃鋼桿和下部50%的鋼桿組成。該組合桿柱可保證在選定的工作制度下,由超行程效應(yīng)使柱塞沖程接近4.978 m,即,無量綱沖程長度系數(shù) D= 1117。玻璃鋼桿的最大使用應(yīng)力為最大許用應(yīng)力的53%。在4.5 a的時(shí)間內(nèi),油井一直正常穩(wěn)定生產(chǎn),并極大地降低了采油費(fèi)用。

1.3.2 在高產(chǎn)井中應(yīng)用

美國克列爾福爾克公司的一些油井采用鋼桿柱達(dá)不到要求的產(chǎn)量,因油井太深鋼桿柱會(huì)失效。為解決這一問題,用計(jì)算機(jī)程序?yàn)檫@類油井設(shè)計(jì)了玻璃鋼桿柱。表3給出了在同一口油井采用鋼桿柱和玻璃鋼桿柱抽油系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。由表3可以看出,在地面設(shè)備和泵徑不變的情況下,采用玻璃鋼桿柱光桿的最大載荷與以前相同,光桿沖程縮短。由于超行程效應(yīng),柱塞的沖程長度增大,使油井產(chǎn)液量增加23%,油井增油70%,單位采液量耗電下降20%。試驗(yàn)表明,超行程可使油井產(chǎn)油量大幅度提高,單位耗電的采液量增加,桿柱斷裂次數(shù)減少,用于開采條件復(fù)雜的深井、斜井和高產(chǎn)井最有效。

表3 美國某石油公司鋼桿柱和玻璃鋼桿柱對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由于玻璃鋼桿柱具有高彈性,只要采用保護(hù)器保證其使用應(yīng)力恒定,并正確選擇桿柱組合和使用模式,就可有效地應(yīng)用于斜井[2]。美國人認(rèn)為井身的臨界彎曲區(qū)為每30.5 m>3°。為了評(píng)價(jià)井身彎曲對(duì)玻璃鋼桿柱使用性能的影響,選擇有臨界彎曲的斜井492和659二口斜井進(jìn)行試驗(yàn),其中492井在200～300 m井段的井斜變化為10°,659井在0～180 m井段的井斜變化為21.5°,2口井每30.5 m井段的井斜角變化分別為3.06°和3.64°,其中,659井的檢測無故障生產(chǎn)時(shí)間為1 120 d,而在采用玻璃鋼桿柱以前該井的抽油桿柱平均年斷裂3次,869井為1 167 d,采用玻璃鋼桿柱以前桿柱6個(gè)月斷裂2次。這2口井的試驗(yàn)結(jié)果表明,玻璃鋼桿柱具有很大的承受極限彎曲的能力,在斜井中有很好的使用性能。

2 俄羅斯對(duì)玻璃鋼抽油桿的研究[1]

俄羅斯巴什基爾石油公司烏發(fā)石油開采管理局在1989-06首次對(duì)玻璃鋼桿進(jìn)行礦場試驗(yàn),試驗(yàn)機(jī)型和參數(shù)為:井深3 193 m,泵深1 384 m,抽油機(jī)型號(hào) НН16-32,泵型號(hào)UP-9,油管直徑?73 mm,光桿沖程2 m,沖次6.5 min-1。桿柱組合:?25.4 mm、長度 9.1 m的玻璃鋼桿 77根,總長 701 m; ?19 mm、長度 8 m鋼桿 69根,總長 552 m; ?22 mm、長度8 m鋼桿16根,總長128 m。產(chǎn)液量4.5 m3/d,檢測的無故障生產(chǎn)時(shí)間360 d。結(jié)果表明井下使用是成功的。

對(duì)1 000 mm和800 mm的玻璃鋼桿樣品進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),結(jié)果如表4?？梢钥闯?同型號(hào)的玻璃鋼桿質(zhì)量比鋼桿輕63%,玻璃鋼桿的彈性模量比鋼桿小72%;玻璃鋼桿有較高的拉伸和彎曲強(qiáng)度。

表4 俄羅斯某石油公司玻璃鋼桿和鋼桿臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

3 玻璃鋼桿柱的載荷水平評(píng)價(jià)

美國石油學(xué)會(huì)推薦根據(jù)最小循環(huán)應(yīng)力與最大許用應(yīng)力之比σmin/[σmax]來評(píng)價(jià)玻璃鋼桿柱的載荷水平,但還應(yīng)考慮玻璃鋼桿的使用壽命還取決于系數(shù)M,即,拉伸周期的實(shí)際最大應(yīng)力與許用最大應(yīng)力之比σmax/[σmax]。通常,玻璃鋼桿最好在 M≤0.85的范圍內(nèi)使用。

為簡單地評(píng)價(jià)玻璃鋼桿的載荷水平,推薦采用循環(huán)載荷系數(shù) K來表述周期載荷與靜態(tài)載荷的破壞應(yīng)力之比。首先設(shè)定桿柱破壞前的循環(huán)次數(shù) N,根據(jù)循環(huán)次數(shù)lgN與循環(huán)載荷系數(shù) K的關(guān)系確定σN的初始值,然后用公式進(jìn)行計(jì)算,即

式中,[σ]為奧金格許用折算應(yīng)力,MPa;KA為安全系數(shù)。

4 結(jié)論

1) 玻璃鋼桿柱有高的連接強(qiáng)度和彈性,其質(zhì)量比鋼桿輕得多,可不更換地面抽油設(shè)備,通過下入大泵和小泵深抽來提高油井產(chǎn)量。

2) 玻璃鋼桿柱可用于井深4 000 m以上油井的有桿泵采油,并可延長有桿泵在高含 H2S、CO2和水的油井中的使用壽命。

3) 玻璃鋼桿柱質(zhì)量輕,可使抽油機(jī)驢頭載荷減小37.5%,每單位耗電的舉升液量增加60%。

4) 采用玻璃鋼桿可使桿柱的斷裂次數(shù)下降57%,延長有桿井的免修期,并可因超行程效應(yīng)使油井增產(chǎn)75%。

5) 玻璃鋼桿柱可用于臨界彎曲的斜井采油,保證斜井正常生產(chǎn),延長免修期4 a以上。

6) 在設(shè)計(jì)玻璃鋼桿柱和確定其工作制度時(shí)必須考慮載荷系數(shù)、無量綱頻率因數(shù)和無量綱阻尼系數(shù)對(duì)無量綱沖程的影響。

[1] ПААл и е в с к и й. и д р. Н а с о с н ы е ш т а н г и и з с т е к л о п л а с т и к а[J].Н е ф т.Х -в о,2004(12):62-66.

[2] 欒國華,楊 志,于志剛,等.玻璃鋼-鋼混合抽油桿合理組合范圍分析[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(7):46-49.

[3] 趙煥卿.抽油桿斷裂失效分析[J].石油礦場機(jī)械, 2007,36(7):60-61.

Investigate for Service Function and Application of Glass Steel Sucker Rod

HU Ye-wen,GUO Jian-she,FENG Ding,FENG Yao-zhong
(Chunliang Oil Production Plant,Shengli Oilf ield Company,Boxing256504,China)

This paper introduces the foreign researches of serviceability for glass steel sucker rod. The results indicated that pumping unit horse head load was reduced by 37.5%and oil well production was increased by 75%.The previous pumping unit raised pumping parameters,the rod pumping system was suited to overdepth well,inclined well and serious corrosive well.When design of glass steel sucker rod string and determine of the working system,consideration must be taken the impact of loading factor,frequency factor and resistive factor to the stroke length.

glass steel sucker rod;serviceability;application;current situation

1001-3482(2010)01-0035-04

TE933.2

A

2009-07-06

胡業(yè)文(1963-),男,山東淄博人,工程師,2000年畢業(yè)于中國石油大學(xué)石油工程專業(yè),從事機(jī)械采油和油田注水的技術(shù)管理工作,E-mail:cllfyz@163.com。