， ，，，， ，小永，

(1.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552；2.濮陽佰斯泰油氣技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 濮陽 457000；3.中國石化勝利油田公司，山東 東營 257000)

抽油桿與油管之間發(fā)生偏磨，引起井下事故是有桿泵系統(tǒng)不可避免的，嚴(yán)重影響生產(chǎn)井的有效時(shí)率[1-2]。防止桿管偏磨的方法有：內(nèi)襯油管[3-4]、雙向耐磨接箍[5-6]、防偏磨副[7]、抽油桿扶正器[8]、加重桿[9]、超高強(qiáng)度抽油桿[10]等。其中，在抽油桿彎曲變形位置安放扶正器是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的成本低、效果好的方法。葉勇等人設(shè)計(jì)了動(dòng)壓潤滑結(jié)構(gòu)的自旋轉(zhuǎn)扶正器，將桿管間的單邊磨損變?yōu)榫鶆蚰p[11]；鄭學(xué)成等人研制的自潤滑自旋轉(zhuǎn)型抽油桿扶正器，利用扶正環(huán)內(nèi)部軸承固體潤滑方式來減小扶正摩擦阻力[12]；王炳英等人利用抽油桿防偏磨多角度可調(diào)式扶正器，將扶正器的輪系結(jié)構(gòu)由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦[13]；曲明藝設(shè)計(jì)了抽油桿萬向?qū)蚱骶彌_彎矩裝置，對(duì)沖桿管偏磨[14]。礦場(chǎng)實(shí)踐中，諸多學(xué)者[15-16]分析了抽油桿在三維空間所受的橫向和縱向載荷，考慮桿管相對(duì)運(yùn)動(dòng)的“風(fēng)洞”及“活塞”效應(yīng)，計(jì)算扶正器的下入間距；且融合了內(nèi)襯油管和扶正器或雙向接箍的防偏磨內(nèi)涵，確定下入井段或位置[17-18]，應(yīng)用效果顯著。抽油桿、扶正器在狹長的空間，由靜定問題變成了變剛度的靜不定問題，桿柱設(shè)計(jì)與實(shí)際偏磨井段存在偏差。筆者從實(shí)際井眼參數(shù)出發(fā)，依據(jù)抽油桿導(dǎo)向器[19]和扶正器的結(jié)構(gòu)特征，提出了“抽油桿+抽油桿扶正器+抽油桿導(dǎo)向器+抽油桿導(dǎo)向器+抽油桿扶正器+抽油桿[20]”的桿柱組合方案，防止桿管偏磨，得到了現(xiàn)場(chǎng)300余口油井生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證。

1 抽油桿扶正器和導(dǎo)向器桿柱組合工作原理

“抽油桿+抽油桿扶正器+抽油油導(dǎo)向器+抽油桿導(dǎo)向器+抽油桿扶正器+抽油桿”桿柱組合中，扶正器與抽油桿剛性連接，除承受交變載荷外，沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷不可避免；抽油桿導(dǎo)向器既能旋轉(zhuǎn)，又能彎曲的特性，使抽油桿柱在安裝位置建立活動(dòng)鉸接，緩沖桿柱彎矩，由剛性磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝阅p。

1.1 抽油桿導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)

抽油桿導(dǎo)向器[19]的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有導(dǎo)向凹槽、導(dǎo)向器環(huán)腔和導(dǎo)向器鎖蓋螺紋，且連接著導(dǎo)向器螺紋鎖蓋。該導(dǎo)向器上設(shè)計(jì)有導(dǎo)向器螺紋鎖蓋內(nèi)曲面球窩，在由導(dǎo)向凹槽、導(dǎo)向器環(huán)腔和導(dǎo)向器鎖蓋螺紋鎖蓋內(nèi)曲面球窩所形成的空間內(nèi)裝有導(dǎo)向軸，在導(dǎo)向軸靠近導(dǎo)向凹槽一側(cè)設(shè)計(jì)了導(dǎo)向軸凸頭，與導(dǎo)向軸曲面球頭和導(dǎo)向軸螺桿相連接，并與連軸器相連接。連軸器外側(cè)設(shè)計(jì)了連軸器螺紋，可與規(guī)格為?25、?22、?19 mm的抽油桿連接。

1.2 抽油桿導(dǎo)向器的工作原理

抽油桿導(dǎo)向器的上、下體之間可以在其本體圓周內(nèi)任意角度做無限圈數(shù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；且在軸向上可以沿軸線方向任意偏轉(zhuǎn)傾斜7°，旋轉(zhuǎn)和彎曲具有復(fù)合聯(lián)動(dòng)功能，與其連接的抽油桿扶正器形成多變的活動(dòng)絞接。

1—抽油桿連接頭；2—導(dǎo)向器螺紋鎖蓋；3—導(dǎo)向器凹槽；4—導(dǎo)向器環(huán)腔；5—導(dǎo)向器鎖蓋螺紋；6—導(dǎo)向器螺紋鎖蓋；7—連軸器卡面；8—連軸器；9—導(dǎo)向軸螺桿；10—導(dǎo)向器曲面球頭；11—導(dǎo)向軸；12—導(dǎo)向器凸頭；13—抽油桿連接頭螺紋孔。圖1 抽油桿導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)

1.3 抽油桿扶正器的選擇及作用原理

油田常用的抽油桿扶正器有滾輪式鋼質(zhì)扶正器、滾珠式鋼質(zhì)扶正器、分瓣尼龍扶正器 、短節(jié)式尼龍扶正器、多角度可調(diào)式扶正器、自旋式抽油桿刮蠟扶正器、柱狀扶正器、雙斜面扶正器、旋轉(zhuǎn)扶正器等[20-21]?？紤]井眼軌跡、流體黏滯阻力以及扶正器的影響，建立三維桿柱動(dòng)力學(xué)模型，求解三維側(cè)向力的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，設(shè)計(jì)扶正器的合理安放位置[22-23]。其中，雙斜面扶正器、旋轉(zhuǎn)扶正器、多角度可調(diào)式扶正器可將扶正體與油管的線接觸改為面接觸，減少接著應(yīng)力，降低磨損率。

1.4 桿柱組合的作用原理

抽油桿兩端連接扶正器，兩扶正器之間連接導(dǎo)向器，緩解和削除桿柱上下沖程振動(dòng)產(chǎn)生的倒扣轉(zhuǎn)矩。設(shè)置在柱塞拉桿附近的扶正器和導(dǎo)向器組合，緩解抽油桿產(chǎn)生的彎矩和液擊現(xiàn)象。設(shè)置在斜井拐點(diǎn)附近的導(dǎo)向器，與扶正器建立多個(gè)活動(dòng)鉸接，避免桿管剛性偏磨?；顒?dòng)鉸接桿柱在螺旋彎曲的油管內(nèi)柔性運(yùn)行，可減少?zèng)_程損失，提高泵效。

2 抽油桿扶正器導(dǎo)向器組合影響的桿柱力學(xué)模型

高密度聚乙烯內(nèi)襯油管與抽油桿雙向耐磨接箍、扶正器、扶正桿配套工藝作為油井防偏磨的主要措施之一，能有效地解決油井的防偏磨問題[24]。但是，“抽油桿+雙向接箍、抽油桿+扶正器、抽油桿+扶正桿”組合仍然為鋼性連接，抽油桿柱與油管管柱在斜井段承受側(cè)向力及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的交變應(yīng)力，使抽油桿柱形態(tài)不斷發(fā)生改變，加劇桿管磨損。抽油桿扶正器、導(dǎo)向器組合桿柱沿軸線方向偏轉(zhuǎn)傾斜擺動(dòng)，桿柱變?yōu)槿嵝赃B接，其軸線可隨井眼軌跡的改變而改變，減小了桿柱的彈性形變，桿管偏磨得到雙向控制。

2.1 扶正器導(dǎo)向器組合等效摩擦力計(jì)算

(1)

(2)

ds微元段運(yùn)動(dòng)微分方程的矢量表達(dá)式：

(3)

在不考慮油井采出液振動(dòng)、桿柱剪切變形和微元段旋轉(zhuǎn)慣量的情況下，ds微元的運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

按照虛力原理，抽油桿扶正器、導(dǎo)向器組合桿柱中各內(nèi)力與位移關(guān)系為：

(5)

式中：τ為桿柱撓率；EA為桿柱鋼性強(qiáng)度；E1為桿柱抗彎強(qiáng)度；F1為軸向的內(nèi)力，kN；M2為徑向上的內(nèi)力，kN；M3為周向上的內(nèi)力，kN。

式(4)～(5)為抽油桿扶正器、導(dǎo)向器組合影響下的抽油桿三維運(yùn)動(dòng)方程。將其用自動(dòng)消隱 OpenGL語言編程，求得抽油桿扶正器、導(dǎo)向器組合桿柱與高密度聚乙烯內(nèi)襯油管的位移偏量趨近于零。說明防偏磨效果好。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 全角變化率計(jì)算[26]

裴緒建認(rèn)為[27]：全角變化率越大，井眼方向變化越劇烈或井眼彎曲越厲害，但并不表示井斜越厲害。在確定抽油桿扶正器、導(dǎo)向器桿柱組合時(shí)，應(yīng)按美國學(xué)者Lubinski推導(dǎo)的公式計(jì)算某一井段全角變化率[28]。

cosγ=cosα1×cosα2+sina1×sinα2cos(β1-β2)

(6)

(7)

式中：γ為全角或狗腿角，(°)；α1為上一測(cè)點(diǎn)的井斜角，(°)；α2為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的井斜角，(°)；β1為上一側(cè)點(diǎn)的方位角，(°)；β2為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的方位角，(°)；△L為各井段的長度，m；K為井眼全角變化率，(°)/30m。

3.2 確定抽油桿扶正器和抽油桿導(dǎo)向器下入位置及個(gè)數(shù)

國內(nèi)諸多學(xué)者認(rèn)為[29-30]，井眼全角變化率K≥3 (°)/30m的井段，油井抽油桿、油管需要采取防偏磨措施。當(dāng)井眼全角變化率K≥3 (°)/30m時(shí)，抽油桿扶正器和導(dǎo)向器下入個(gè)數(shù)為[24]：

(8)

式中：N為抽油桿扶正器、抽油桿導(dǎo)向器組合的數(shù)量，N取2的整數(shù)倍，個(gè)；L為全角變化率≥3 (°)/30m的井段的長度，m；h1為抽油桿的長度，m；h2為抽油桿扶正器的長度，m；h3為抽油桿導(dǎo)向器的長度，m。

3.3 油管配套措施

高密度聚乙烯內(nèi)襯油管既具有鋼質(zhì)油管的機(jī)械強(qiáng)度，又具有高密度聚乙烯的耐腐蝕、耐磨損、摩擦因數(shù)低的特點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，與油管、抽油桿磨損和腐蝕相關(guān)的無故障平均運(yùn)行時(shí)間大約增加了400%[31]。在全角變化率≥3 (°)/30m的井段，下入高密度聚乙烯內(nèi)襯油管代替普通油管，與“抽油桿扶正器+抽油桿導(dǎo)向器”組合配套使用。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

最近3 a年內(nèi)，在300余口斜井段大于500 m的油井應(yīng)用“抽油桿扶正器+抽油桿導(dǎo)向器”配套內(nèi)襯油管，使油井檢泵周期平均延長1.53倍。

典型井例：XX-421井，造斜點(diǎn)575 m，斜井段長度1 250 m，最大井斜角42.5°，應(yīng)用該工具后檢泵周期由271 d延長至694 d。

4 結(jié)論

1) 抽油桿扶正器、導(dǎo)向器組合桿柱配套高密度聚乙烯內(nèi)襯油管，解決了防偏磨副、扶正器、扶正桿、內(nèi)襯油管等單獨(dú)使用，不能實(shí)現(xiàn)桿、管偏磨的雙向控制的技術(shù)問題。

2) 在全角變化率等于大于3 (°)/30m的油井井段，應(yīng)用抽油桿扶正器與導(dǎo)向器聯(lián)作桿柱，并配套高密度聚乙烯內(nèi)襯油管，能有效防止油井抽油桿、油管的偏磨，延長油井檢泵周期。

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