高沖次導致套管破損分析

1、高沖次導致套管破損分析在有桿泵抽油井，活塞上行程時自由懸掛油管下部彎曲，并存在應力中和點。油管蠕動原因是接泵管子內部壓力對管產生彎曲效應，油管內壓力值是柱塞兩端壓差乘以柱塞面積。上沖程時，作用在油管上的液柱載荷逐漸加在柱塞上，油管卸載。在沖次大的時候，與泵筒聯接的油管柱下部受到一個向上的虛擬力（柱狀載荷）作用而發(fā)生螺旋彎曲變形，此時抽油桿柱因受到較大的張力而基本保持直線狀態(tài)，這樣就使桿與螺旋彎曲的管每隔一定距離就相互接觸而磨損，并使油管在橫向上有個擺動。造成與套管碰觸摩擦。沖次越大，擺幅越大。油管與套管間的摩擦越嚴重。 油管自由懸掛產生油管、套管、抽油桿之間的多重磨損, 縮短其使用壽命在油管自

2、由懸掛的抽油井中, 隨著作用在油管上的液柱載荷和振動載荷的交替變化, 油管除產生縱向伸縮外, 整個管串還會發(fā)生橫向擺動, 受井眼軌跡的限制, 伸縮和擺動的結果直接導致油管和套管之間的磨。最易受磨損的部位是油管接箍, 油管和套管內壁受到同樣的磨損。同時, 在油管內部, 抽油桿與油管內壁也產生磨損。更為嚴重的是, 在油管自由懸掛的油井中, 常常發(fā)生油管扭曲現象。對有桿泵抽油系統(tǒng), 在柱塞的上行程, 柱塞下部的泵筒形成相對真空, 在液柱沉沒壓力下, 油流經固定凡爾流向泵筒, 筒內壓力低于管外壓力。而在柱塞上部, 密封嚴密的柱塞以強力抽汲液體, 使管內壓力又遠遠高于管外壓力。柱塞上下這種周而復始的壓差

3、作用,不斷地使油管壁產生微弱的鼓脹和回縮。雖然油管處于自重下的拉伸狀態(tài), 但泵到中和點之間的油管由于管內外壓差、溫升等綜合因素導致的彎曲效應, 仍避免不了油管扭曲現象的發(fā)生。直到柱塞的下行程, 游動凡爾打開, 使管內壓力得到平衡, 扭曲的油管才在自重和液柱載荷下，拉直。在油管扭曲的油井中, 抽油桿柱就象從麻花狀的油管中反復抽拉一樣, 加劇抽油桿在油管中的磨損和油管在套管中的磨損；同時，加大了抽油桿的拉伸應力，增大了光桿的負荷；加大了變速箱的輸出扭矩；增加了動力消耗。油管扭曲是一種不易被覺察和引起重視的微觀現象, 但由于載荷交變頻繁, 長時間大量微觀危害的積累卻會縮短管材的使用壽命, 直至發(fā)生斷

4、、脫、漏失現象, 直接危及有桿泵抽油。 通過統(tǒng)計近兩年來胡狀油田高沖次抽油井油管外偏磨情況（見表1），發(fā)現出現的3口因沖次過大，油管接箍磨套管內壁，導致套管破損的油井情況。h105-17：2010年2月、2011年4月兩次作業(yè)均未發(fā)現油管外偏磨的情況；沖次較低4.5次/min，2013年8月作業(yè)發(fā)現泵上第28根接箍磨去3mm厚度;第27根管公扣以上磨出10cm長的槽；比較3次作業(yè)前工作制度，泵徑、沖程泵深未變的情況下，沖次調大后，生產了833天，導致套管破損。h40-1井：2010年11月、2012年12月前后兩次作業(yè)，前一次作業(yè)未發(fā)現油管外偏磨的情況，主要原因是免修期短，沖次并不低，但潛在的

5、隱患并未發(fā)現。后一次作業(yè)發(fā)現起出油管泵上第30根管接箍偏磨，是因為沖次再次加大，導致油管磨穿套管。油管自由懸掛危害甚大, 要減少和消除由此帶來的危害,。治理套管與油管之間偏磨，防偏磨配套原則最簡便易行的是降低沖次，降低油管蠕動幅度，從而達到減少套管磨損機率。 通常選用尼龍接箍式油管扶正，來避免套管磨損。本著“確保井下安全和強度、最大限度地減少套管磨損”的設計原則。其次，可以對油管進行錨定。另處還可以加長尾管，降低泵上油管中和點，降低油管蠕動。通過計算油管中和點位置，適當加長尾管長度。油管中和點位置（彎曲長度）與尾管長度、活塞兩端壓差（動液面）大小、泵徑大小關系為h=hl*f*混/（10wa）.

6、下面分析尾管偏輕導致的油管蠕動磨套管井例：h5-c39.該井2011年11月酸化酸化38mm泵升級至44的防砂泵，泵深由1798上提至1580，尾管采用60.3mm管100m，尾管外偏磨發(fā)現于2013年1月檢泵（免修期444天）。泵上22mm桿20根接箍偏磨，尾管有不同程度的外偏磨（井段1583-1688），原工作制度：產狀：。不同狀態(tài)下管柱加重及蠕動量計算：一、泵深一定時，允許尾管重計算：已知：p一筒內壓力,mp;一井液密度, kg/m 3 , 可取l0 8; h 一下泵深度, m ; pc 井口背壓, m p a , 一般可取pc=2 m pa;則筒內p = 9 . 8 x 10 -8h

7、+ 2 ( 1 . 1 )再由式(20 )求得o。 最后由式(11)、(4. 1) 求得此下泵深度相應允許加尾管重量。二、泵筒疲勞壽命美國有關資料介紹利用古德曼圖( 極限應力圖) 進行疲勞強度驗算的方法, 本文不作詳細介紹, 僅根據泵筒實際情況確定在古德曼圖上使用的區(qū)域(一般為i 、l 區(qū)), 見圖2 , 并用解析法求解。列出計算式, 供讀者參考。1. 實際疲勞強度極限受力情況為軸向載荷, 泵筒表1、加重計算通過尾管合理加重可以改善油管受力狀況，以平衡上行程時油管卸載時的彎曲力,減少油管在加卸載過程中受力彎曲。（1）不考慮慣載、摩擦及其它情況，主要是活塞截面上液柱力作用。其計算方法參與以下公式

8、。（不同泵徑液柱載荷加重量計算見表1）ltp=式中：p柱塞上下壓力差mpa；ap柱塞面積(mm2)；qt加重部分每米油管重(kg)；k經驗常數（21/2油管取25108）；產出液相對密度。改善油管受力狀況尾管加重設計（取胡慶油田平均值） 表1泵徑mm泵深m動液面 m油管壁厚mm產出液相對密度加重部分每米油管重(kg)柱塞上下壓力差mpa柱塞面積(mm2)經驗常數k加重量(kg)73油管加重長度 m89管加重長度m32244823705.51.029.5423.69 804.25 251081941.46 203.5 146.9 38201518955.51.029.5418.94 1134.1

9、1 251082226.63 233.4 168.4 44180016285.51.029.5416.27 1520.53 251082609.41 273.5 197.4 50175715625.51.029.5415.61 1963.49 251083303.41 346.3 249.9 57158314135.51.029.5414.12 2551.76 251083935.34 412.5 297.7 70152810855.51.029.5410.85 3848.45 251084603.97 482.6 348.3 表1中70抽油泵設計加重僅考慮平衡交變載荷，未考慮慣性、摩擦及沖擊

10、載荷。表1對于57mm、70mm抽油泵設計加重僅考慮平衡交變載荷，消弱彎曲變形造成的偏磨危害，未考慮加重后對泵筒及上部油管有效期的問題，所以這兩種泵型加重量還要參考表3（api整筒管式泵下入深度和允許加尾管重量），設計尾管300米以內為合理。（2）慣載影響上下沖程變化的力主要是作用在活塞截面上的液柱力，同時工作參數（沖程、沖次）、摩擦力也造成一定影響。工作參數主要是影響液柱的慣性力數值=wlsn2/1790(1+r/l)= wl4.81.33n2/1790不同泵徑泵深在不同沖次條件下慣性附加力見 表2 不同泵徑不同沖次影響下慣性附加載荷 表2泵徑忽略沖次影響加重量不同沖次下附加慣性力23453

11、21941.4629.12 65.52 116.49 182.01 382226.6333.40 75.15 133.60 208.75 442609.4139.14 88.07 156.56 244.63 503303.4149.55 111.49 198.20 309.69 573935.3459.03 132.82 236.12 368.94 704603.9769.06 155.38 276.24 431.62 由上表看當沖次3次以上時附加載荷增加110-430kg不等，對于73mm尾管，加重時應考慮增加10-45米油管。（3）摩擦載荷摩擦載荷計算影響因素較多，很難定量分析，其中活塞與

12、泵筒見半干摩擦力可以定量計算：泵徑mm323844515770半干摩擦力kg7390106125142178所以50mm以上抽油泵應考慮附加10-20米附加尾管。（4）液擊作用嚴重供液不足井會造成活塞撞擊液面，撞擊力與參數大小、充滿程度相關，直接造成桿柱、管柱的彎曲和震動，所以供液不足井更應設計較低沖次。（5）抽油泵加長尾管制約條件尾管加重后對抽油泵有效期造成一定影響，增大泵及上部油管負荷，漏失及斷脫風險增大。根據api標準常用抽油泵在胡慶油田平均泵深條件下最大加重長度（73mm油管）為370米左右，由于我廠大泵設計深度大都在1400米以下，所以57mm以上抽油泵設計尾管以不超過300米為合理

13、。api整筒管式泵不同下入深度允許加尾管重量 表3泵徑mm泵深位置最大尾管加重量加重長度38.120003570374.244.4518003564373.657.1515833651378.969.8514002785291.92、蠕動量計算在不考慮溫度、壓力、螺旋彎曲等效應前提下，僅分析管柱加卸載造成管柱伸縮蠕動，在管材材質、截面積一定，泵深（泵上管柱長度）一定的前提下，泵上管柱的伸縮量僅與交變力有關，決定于液柱載荷大小。（胡慶油田泵徑平均蠕動量計算見表4）胡慶油田不同泵徑、平均泵深條件下泵上管柱蠕動量計算 表2泵徑mm泵深m液柱(kg)沖次5min-1條件下慣載半干摩擦力合計蠕動力(kg)73mm油管蠕動量,m3224481941.46 182.01 73.00 2196.47 0.22 38