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[摘 要]抽油机井杆柱配置主要有单级杆和组合杆两种方式，通常情况下，单级杆较组合杆杆柱强度高，防偏磨效果好，检泵周期更长，但复合杆在同样满足机采井运行条件下耗材少、耗能低。从理论上初步确定组合杆的组合方式，并对应用前后的检泵周期等机采指标进行对比评价，初步探索组合杆适应性，抽油机井降本增效空间的挖潜手段。
[关键词]组合杆，载荷，检泵周期，降本增效
中图分类号：TE933.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0287-01
1 引言
随着机采井井数的不断增加，尤其三次采油规模的不断扩大，机采井采出难度逐渐加大，生产成本逐年升高。目前，抽油机井的抽油杆基本上采用单级杆模式生产，二级甚至更多级组合杆柱应用较少。单级杆模式固然可以保证机采井检泵周期，但所有井都采用单级杆难免存在耗材及耗能高的浪费现象，组合杆虽然整体检泵周期较短，但仍然存在长周期井，而这部分井相对于单级杆模式便具有明显的优势，在同样满足生产需要的情况下，可以考虑在这样的井上应用组合杆，降低生产成本。常用的杆径有Ф19mm、Ф22mm及Ф25mm等三种规格，组合杆多为这三种杆径的二级组合杆，因此，下面将从理论和实际两方面，重点分析二级组合杆的适应性。
2 组合杆设计方法
2.1 悬点载荷计算
抽油机运行负荷主要包括杆柱及液柱静载荷及动载荷，驴头处于下死点开始往上启动时最大，驴头处于上死点开始向下运动时最小，具体见如下公式。
（1）
（2）
式中i为杆柱级数（i=1，2，3……），当i=1时，杆柱为单级杆即杆径统一模式，当当i>1时，杆柱为组合杆模式；qr为杆每米质量，kg/m，Ф19mm、Ф22mm及Ф25mm抽油杆的qr分别为2.35kg/m，3.14kg/m和4.09kg/m；Li为各级杆长度，m；fp，fri分别为泵及杆的横截面积，mm2；s，n分别为冲程和冲次；r/l为曲柄工作半径与连杆长度比，取0.25。
2.2 各级杆柱载荷计算
在组合杆设计过程，由于载荷越往光杆靠近越大，往往采取上粗下细组合方式。组合杆各级抽油杆的受力为该级杆下端所承受的载荷与其上端杆柱段的液柱载荷之和。
当i=2时，公式1及公式2为二级杆抽油机井最大及最小载荷的计算公式，其中第二级杆顶端的受力最大，与抽油机井所悬点载荷相同，而第一级杆顶端的受力为该级杆的所承受的载荷与第一级杆柱段长度的液柱载荷。具体见公式3-6。
第二级：（3）
（4）
第一级：（5）
（6）
以上4个公式中的载荷都是关于L1及L2的二元一次方程，可用公式7来表示，式中a、b、c、d、e、f、j、h为常数，与杆径、泵径、冲程及冲次等参数有关。
（7）
2.3 各级杆长度计算
二级组合杆的两级杆的长度之和为泵深，两者之间肯定存在一定比例系数关系，系数值为m。（8）
根据组合杆各级抽油杆顶端强度即折算应力相等的设计原则（公式9），系数m必须满足一个关于m一元二次方程。
为循环应力幅值，N/mm2；σc为折算应力，N/mm2；[σ-1]为许用应力，N/mm2；k为杆使用系数；x、y和z为关于a、b、c、d、e、f、j、h的函数，只要确定a、b、c、d、e、f、j、h，便可以確定m，在泵深确定情况下便可以求出各级杆长度，在给定泵径及运行参数条件下，得出了Ф22mm/Ф19mm及Ф25mm/Ф22mm二级组合杆各级杆柱载荷及长度计算公式的常数a、b、c、d、e、f、j、h及m，统计2012年检泵前有载荷资料的问题井杆柱承载情况，发现杆使用系数在0.4～0.8之间，检泵周期较长，达到800d以上，因此设计过程杆使用系数应低于0.8。
因此，根据上述分析，结合平均泵深情况，计算了泵深为1000m时二级杆组合的方式、各级杆承载及长度情况，总结出Ф22/Ф19组合杆适应Ф70及以下泵径，Ф25/Ф22组合杆适应Ф70及以上泵径，且随着泵径的增大，符合越大，第二级杆长度更长，HY级杆较D级杆可满足的组合更多。
相同产液、泵径及参数条件下，相对Ф22单级杆柱，Ф22/Ф19组合杆负荷更小，且泵径越小，负荷相差越大，杆使用系数略小，Ф25/Ф22组合杆对比Ф25单级杆规律相同。因此，可以通过对单级杆实施二级杆组合来减少杆消耗和降低运行负荷，达到降低生产运行成本的目的，且泵径越小，成本降幅越大。
3 现场应用情况
聚驱井投产初期开始采用H级Ф22/Ф19组合杆，其中Ф22杆长459m，Ф19杆511m，泵径Ф70mm，日产液78.3t/d。检泵周期900天，该阶段主要处于空白水驱阶段和注聚初期。进入聚驱见效阶段后断脱检泵，检泵周期仅455天，检泵后换成单级杆生产。
对比同泵径及运行参数条件下的Ф22/Ф19组合杆与Ф22单级杆、Ф25/Ф22组合杆与Ф25单级杆的检泵周期发现，水驱组合杆检泵周期较单级杆检泵周期略短，而聚驱检泵周期相差较多，因此，组合杆在水驱适应性较好。
4、经济评价
由于聚驱组合杆井检泵周期较短，仅对水驱组合杆井与单级杆经济效益进行对比，检泵周期按800天计算，单井次检泵3.2万元，日节电量30kWh，电费0.6元/kWh，单井降级杆长度500m，每米节省6.5元，杆使用年限10年。
单井年经济效益=年节电费+年节省杆费-年增加检泵费
年增加检泵费=（365/组合杆检泵周期-365/单级杆检泵周期）*单井次检泵费
相同检泵周期下年增加检泵费为零，单井年效益=30*0.6*365+500*6.5/10=6895元
但实际组合杆检泵周期较单级杆要短，降幅约为10%。通过计算分析，绘制了组合杆相对单级杆运行的单井年经济效益曲线，曲线表明，检泵周期降幅达到30%时，组合杆的耗费与单级杆相同，超过30%，组合杆就不适宜了。
5 几点认识及建议
5.1 理论和现场应用都表明组合杆的可行性，减少了抽油杆用量，降低了机采井运行的负荷，是降本增效的有效措施之一。
5.2 组合杆更适应水驱、空白水驱或聚驱后水驱抽油机井，泵径越小检泵周期越小，适应性更强，建议低排量小泵水驱井适当采用组合杆生产。
5.3 合理分配各级杆长度是保证组合杆高效运行的重要措施，但由于各级杆顶端强度无法检测，只能凭借计算法来确定，对组合杆应用造成一定阻碍，需研究一套井下杆强度检测或精确预测技术，并研究组合杆偏磨机理和高效管理方法，努力提高组合杆检泵周期，最大限度降低生产成本。
参考文献
[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1992.
[2] 陈涛平，胡靖邦.石油工程[M].北京：石油工业出版社.2000.2.
[关键词]组合杆，载荷，检泵周期，降本增效
中图分类号：TE933.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0287-01
1 引言
随着机采井井数的不断增加，尤其三次采油规模的不断扩大，机采井采出难度逐渐加大，生产成本逐年升高。目前，抽油机井的抽油杆基本上采用单级杆模式生产，二级甚至更多级组合杆柱应用较少。单级杆模式固然可以保证机采井检泵周期，但所有井都采用单级杆难免存在耗材及耗能高的浪费现象，组合杆虽然整体检泵周期较短，但仍然存在长周期井，而这部分井相对于单级杆模式便具有明显的优势，在同样满足生产需要的情况下，可以考虑在这样的井上应用组合杆，降低生产成本。常用的杆径有Ф19mm、Ф22mm及Ф25mm等三种规格，组合杆多为这三种杆径的二级组合杆，因此，下面将从理论和实际两方面，重点分析二级组合杆的适应性。
2 组合杆设计方法
2.1 悬点载荷计算
抽油机运行负荷主要包括杆柱及液柱静载荷及动载荷，驴头处于下死点开始往上启动时最大，驴头处于上死点开始向下运动时最小，具体见如下公式。
（1）
（2）
式中i为杆柱级数（i=1，2，3……），当i=1时，杆柱为单级杆即杆径统一模式，当当i>1时，杆柱为组合杆模式；qr为杆每米质量，kg/m，Ф19mm、Ф22mm及Ф25mm抽油杆的qr分别为2.35kg/m，3.14kg/m和4.09kg/m；Li为各级杆长度，m；fp，fri分别为泵及杆的横截面积，mm2；s，n分别为冲程和冲次；r/l为曲柄工作半径与连杆长度比，取0.25。
2.2 各级杆柱载荷计算
在组合杆设计过程，由于载荷越往光杆靠近越大，往往采取上粗下细组合方式。组合杆各级抽油杆的受力为该级杆下端所承受的载荷与其上端杆柱段的液柱载荷之和。
当i=2时，公式1及公式2为二级杆抽油机井最大及最小载荷的计算公式，其中第二级杆顶端的受力最大，与抽油机井所悬点载荷相同，而第一级杆顶端的受力为该级杆的所承受的载荷与第一级杆柱段长度的液柱载荷。具体见公式3-6。
第二级：（3）
（4）
第一级：（5）
（6）
以上4个公式中的载荷都是关于L1及L2的二元一次方程，可用公式7来表示，式中a、b、c、d、e、f、j、h为常数，与杆径、泵径、冲程及冲次等参数有关。
（7）
2.3 各级杆长度计算
二级组合杆的两级杆的长度之和为泵深，两者之间肯定存在一定比例系数关系，系数值为m。（8）
根据组合杆各级抽油杆顶端强度即折算应力相等的设计原则（公式9），系数m必须满足一个关于m一元二次方程。
为循环应力幅值，N/mm2；σc为折算应力，N/mm2；[σ-1]为许用应力，N/mm2；k为杆使用系数；x、y和z为关于a、b、c、d、e、f、j、h的函数，只要确定a、b、c、d、e、f、j、h，便可以確定m，在泵深确定情况下便可以求出各级杆长度，在给定泵径及运行参数条件下，得出了Ф22mm/Ф19mm及Ф25mm/Ф22mm二级组合杆各级杆柱载荷及长度计算公式的常数a、b、c、d、e、f、j、h及m，统计2012年检泵前有载荷资料的问题井杆柱承载情况，发现杆使用系数在0.4～0.8之间，检泵周期较长，达到800d以上，因此设计过程杆使用系数应低于0.8。
因此，根据上述分析，结合平均泵深情况，计算了泵深为1000m时二级杆组合的方式、各级杆承载及长度情况，总结出Ф22/Ф19组合杆适应Ф70及以下泵径，Ф25/Ф22组合杆适应Ф70及以上泵径，且随着泵径的增大，符合越大，第二级杆长度更长，HY级杆较D级杆可满足的组合更多。
相同产液、泵径及参数条件下，相对Ф22单级杆柱，Ф22/Ф19组合杆负荷更小，且泵径越小，负荷相差越大，杆使用系数略小，Ф25/Ф22组合杆对比Ф25单级杆规律相同。因此，可以通过对单级杆实施二级杆组合来减少杆消耗和降低运行负荷，达到降低生产运行成本的目的，且泵径越小，成本降幅越大。
3 现场应用情况
聚驱井投产初期开始采用H级Ф22/Ф19组合杆，其中Ф22杆长459m，Ф19杆511m，泵径Ф70mm，日产液78.3t/d。检泵周期900天，该阶段主要处于空白水驱阶段和注聚初期。进入聚驱见效阶段后断脱检泵，检泵周期仅455天，检泵后换成单级杆生产。
对比同泵径及运行参数条件下的Ф22/Ф19组合杆与Ф22单级杆、Ф25/Ф22组合杆与Ф25单级杆的检泵周期发现，水驱组合杆检泵周期较单级杆检泵周期略短，而聚驱检泵周期相差较多，因此，组合杆在水驱适应性较好。
4、经济评价
由于聚驱组合杆井检泵周期较短，仅对水驱组合杆井与单级杆经济效益进行对比，检泵周期按800天计算，单井次检泵3.2万元，日节电量30kWh，电费0.6元/kWh，单井降级杆长度500m，每米节省6.5元，杆使用年限10年。
单井年经济效益=年节电费+年节省杆费-年增加检泵费
年增加检泵费=（365/组合杆检泵周期-365/单级杆检泵周期）*单井次检泵费
相同检泵周期下年增加检泵费为零，单井年效益=30*0.6*365+500*6.5/10=6895元
但实际组合杆检泵周期较单级杆要短，降幅约为10%。通过计算分析，绘制了组合杆相对单级杆运行的单井年经济效益曲线，曲线表明，检泵周期降幅达到30%时，组合杆的耗费与单级杆相同，超过30%，组合杆就不适宜了。
5 几点认识及建议
5.1 理论和现场应用都表明组合杆的可行性，减少了抽油杆用量，降低了机采井运行的负荷，是降本增效的有效措施之一。
5.2 组合杆更适应水驱、空白水驱或聚驱后水驱抽油机井，泵径越小检泵周期越小，适应性更强，建议低排量小泵水驱井适当采用组合杆生产。
5.3 合理分配各级杆长度是保证组合杆高效运行的重要措施，但由于各级杆顶端强度无法检测，只能凭借计算法来确定，对组合杆应用造成一定阻碍，需研究一套井下杆强度检测或精确预测技术，并研究组合杆偏磨机理和高效管理方法，努力提高组合杆检泵周期，最大限度降低生产成本。
参考文献
[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1992.
[2] 陈涛平，胡靖邦.石油工程[M].北京：石油工业出版社.2000.2.