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1、高冲次导致套管破损分析在有杆泵抽油井，活塞上行程时自由悬挂油管下部弯曲，并存在应力中和点。油管蠕动原因是接泵管子内部压力对管产生弯曲效应，油管内压力值是柱塞两端压差乘以柱塞面积。上冲程时，作用在油管上的液柱载荷逐渐加在柱塞上，油管卸载。在冲次大的时候，与泵筒联接的油管柱下部受到一个向上的虚拟力（柱状载荷）作用而发生螺旋弯曲变形，此时抽油杆柱因受到较大的张力而基本保持直线状态，这样就使杆与螺旋弯曲的管每隔一定距离就相互接触而磨损，并使油管在横向上有个摆动。造成与套管碰触摩擦。冲次越大，摆幅越大。油管与套管间的摩擦越严重。 油管自由悬挂产生油管、套管、抽油杆之间的多重磨损, 缩短其使用寿命在油管自
2、由悬挂的抽油井中, 随着作用在油管上的液柱载荷和振动载荷的交替变化, 油管除产生纵向伸缩外, 整个管串还会发生横向摆动, 受井眼轨迹的限制, 伸缩和摆动的结果直接导致油管和套管之间的磨。最易受磨损的部位是油管接箍, 油管和套管内壁受到同样的磨损。同时, 在油管内部, 抽油杆与油管内壁也产生磨损。更为严重的是, 在油管自由悬挂的油井中, 常常发生油管扭曲现象。对有杆泵抽油系统, 在柱塞的上行程, 柱塞下部的泵筒形成相对真空, 在液柱沉没压力下, 油流经固定凡尔流向泵筒, 筒内压力低于管外压力。而在柱塞上部, 密封严密的柱塞以强力抽汲液体, 使管内压力又远远高于管外压力。柱塞上下这种周而复始的压差
3、作用,不断地使油管壁产生微弱的鼓胀和回缩。虽然油管处于自重下的拉伸状态, 但泵到中和点之间的油管由于管内外压差、温升等综合因素导致的弯曲效应, 仍避免不了油管扭曲现象的发生。直到柱塞的下行程, 游动凡尔打开, 使管内压力得到平衡, 扭曲的油管才在自重和液柱载荷下，拉直。在油管扭曲的油井中, 抽油杆柱就象从麻花状的油管中反复抽拉一样, 加剧抽油杆在油管中的磨损和油管在套管中的磨损；同时，加大了抽油杆的拉伸应力，增大了光杆的负荷；加大了变速箱的输出扭矩；增加了动力消耗。油管扭曲是一种不易被觉察和引起重视的微观现象, 但由于载荷交变频繁, 长时间大量微观危害的积累却会缩短管材的使用寿命, 直至发生断
4、、脱、漏失现象, 直接危及有杆泵抽油。 通过统计近两年来胡状油田高冲次抽油井油管外偏磨情况（见表1），发现出现的3口因冲次过大，油管接箍磨套管内壁，导致套管破损的油井情况。H105-17：2010年2月、2011年4月两次作业均未发现油管外偏磨的情况；冲次较低4.5次/min，2013年8月作业发现泵上第28根接箍磨去3mm厚度;第27根管公扣以上磨出10cm长的槽；比较3次作业前工作制度，泵径、冲程泵深未变的情况下，冲次调大后，生产了833天，导致套管破损。H40-1井：2010年11月、2012年12月前后两次作业，前一次作业未发现油管外偏磨的情况，主要原因是免修期短，冲次并不低，但潜在的
5、隐患并未发现。后一次作业发现起出油管泵上第30根管接箍偏磨，是因为冲次再次加大，导致油管磨穿套管。油管自由悬挂危害甚大, 要减少和消除由此带来的危害,。治理套管与油管之间偏磨，防偏磨配套原则最简便易行的是降低冲次，降低油管蠕动幅度，从而达到减少套管磨损机率。 通常选用尼龙接箍式油管扶正，来避免套管磨损。本着“确保井下安全和强度、最大限度地减少套管磨损”的设计原则。其次，可以对油管进行锚定。另处还可以加长尾管，降低泵上油管中和点，降低油管蠕动。通过计算油管中和点位置，适当加长尾管长度。油管中和点位置（弯曲长度）与尾管长度、活塞两端压差（动液面）大小、泵径大小关系为H=HL*F*混/（10Wa）.
6、下面分析尾管偏轻导致的油管蠕动磨套管井例：H5-C39.该井2011年11月酸化酸化38mm泵升级至44的防砂泵，泵深由1798上提至1580，尾管采用60.3mm管100m，尾管外偏磨发现于2013年1月检泵（免修期444天）。泵上22mm杆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：产状：。不同状态下管柱加重及蠕动量计算：一、泵深一定时，允许尾管重计算：已知：P一筒内压力,MP;一井液密度, kg/m 3 , 可取l0 8; H 一下泵深度, m ; Pc 井口背压, M P a , 一般可取Pc=2 M Pa;则筒内P = 9 . 8 x 10 -8H
7、+ 2 ( 1 . 1 )再由式(20 )求得o。 最后由式(11)、(4. 1) 求得此下泵深度相应允许加尾管重量。二、泵筒疲劳寿命美国有关资料介绍利用古德曼图( 极限应力图) 进行疲劳强度验算的方法, 本文不作详细介绍, 仅根据泵筒实际情况确定在古德曼图上使用的区域(一般为I 、l 区), 见图2 , 并用解析法求解。列出计算式, 供读者参考。1. 实际疲劳强度极限受力情况为轴向载荷, 泵筒表1、加重计算通过尾管合理加重可以改善油管受力状况，以平衡上行程时油管卸载时的弯曲力,减少油管在加卸载过程中受力弯曲。（1）不考虑惯载、摩擦及其它情况，主要是活塞截面上液柱力作用。其计算方法参与以下公式
8、。（不同泵径液柱载荷加重量计算见表1）Ltp=式中：P柱塞上下压力差MPa；Ap柱塞面积(mm2)；qt加重部分每米油管重(kg)；K经验常数（21/2油管取25108）；产出液相对密度。改善油管受力状况尾管加重设计（取胡庆油田平均值） 表1泵径mm泵深m动液面 m油管壁厚mm产出液相对密度加重部分每米油管重(kg)柱塞上下压力差MPa柱塞面积(mm2)经验常数K加重量(kg)73油管加重长度 m89管加重长度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抽油泵设计加重仅考虑平衡交变载荷，未考虑惯性、摩擦及冲击
10、载荷。表1对于57mm、70mm抽油泵设计加重仅考虑平衡交变载荷，消弱弯曲变形造成的偏磨危害，未考虑加重后对泵筒及上部油管有效期的问题，所以这两种泵型加重量还要参考表3（API整筒管式泵下入深度和允许加尾管重量），设计尾管300米以内为合理。（2）惯载影响上下冲程变化的力主要是作用在活塞截面上的液柱力，同时工作参数（冲程、冲次）、摩擦力也造成一定影响。工作参数主要是影响液柱的惯性力数值=WLsn2/1790(1+r/l)= WL4.81.33n2/1790不同泵径泵深在不同冲次条件下惯性附加力见 表2 不同泵径不同冲次影响下惯性附加载荷 表2泵径忽略冲次影响加重量不同冲次下附加惯性力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 由上表看当冲次3次以上时附加载荷增加110-430Kg不等，对于73mm尾管，加重时应考虑增加10-45米油管。（3）摩擦载荷摩擦载荷计算影响因素较多，很难定量分析，其中活塞与
12、泵筒见半干摩擦力可以定量计算：泵径mm323844515770半干摩擦力Kg7390106125142178所以50mm以上抽油泵应考虑附加10-20米附加尾管。（4）液击作用严重供液不足井会造成活塞撞击液面，撞击力与参数大小、充满程度相关，直接造成杆柱、管柱的弯曲和震动，所以供液不足井更应设计较低冲次。（5）抽油泵加长尾管制约条件尾管加重后对抽油泵有效期造成一定影响，增大泵及上部油管负荷，漏失及断脱风险增大。根据API标准常用抽油泵在胡庆油田平均泵深条件下最大加重长度（73mm油管）为370米左右，由于我厂大泵设计深度大都在1400米以下，所以57mm以上抽油泵设计尾管以不超过300米为合理
13、。API整筒管式泵不同下入深度允许加尾管重量 表3泵径mm泵深位置最大尾管加重量加重长度38.120003570374.244.4518003564373.657.1515833651378.969.8514002785291.92、蠕动量计算在不考虑温度、压力、螺旋弯曲等效应前提下，仅分析管柱加卸载造成管柱伸缩蠕动，在管材材质、截面积一定，泵深（泵上管柱长度）一定的前提下，泵上管柱的伸缩量仅与交变力有关，决定于液柱载荷大小。（胡庆油田泵径平均蠕动量计算见表4）胡庆油田不同泵径、平均泵深条件下泵上管柱蠕动量计算 表2泵径mm泵深m液柱(kg)冲次5min-1条件下惯载半干摩擦力合计蠕动力(Kg)73mm油管蠕动量,m3224481941.46 182.01 73.00 2196.47 0.22 3820152226.63 208.75 90.00 2525.38 0.21 4418002609.41 244.63 106.00 2960.04 0.22 5017573303.41 309.69 125.00 3738.10 0.27 5715833935.34 368.94 142.00 4446.28 0.29 7015284603.97 431.62 178.00 5213.59 89mm油管/0.21
