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[摘 要]本文针对油井抽油杆弯曲这一造成油井偏磨的主要原因，在进行了充分的理论计算、可行性研究及相应井下工艺研究基础上，通过抽油杆柱组合优化设计，在偏磨井段应用空心结构抽油杆，不增加悬点载荷、不增加能耗、不降低系统效率的条件下保证抽油杆柱在井下各种载荷作用下不发生弯曲，进而在油田泵筒管理中找到一条更为经济有效的油井防偏磨手段。
[关键词]下行阻力 临界弯曲载荷 抽油杆组合
中图分类号：P991 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0357-01
1、概况
X油田某油矿2011年油井检泵95口，其中检泵过程中发现有管杆偏磨现象油井42口，占总检泵井数的44.2%，。近年来该油田在偏磨油井治理上采取了防偏磨接箍、加重杆、下调冲次等措施，这些措施的采用一定程度上延长了油井偏磨周期，使我厂偏磨油井检泵周期由265天延长到584天，但在应用过程中存在如下问题：
1.1、适用条件和范围有限：防偏磨接箍不适用于结垢和稠油井；下调冲次方法不适用于产液量较高的油井；加重杆不利于节能降耗。
1.2、在延长油井偏磨周期上效果有限，平均单井延长300天左右。
1.3、在现有技术条件下，我矿偏磨上检率仍较高：2003年底为44.2%。
因此，油田生产中，需要一种新的、具有普遍推广价值的、经济有效的油井防偏磨手段。
2、新型油井防偏磨理论研究
2.1、油井偏磨机理
抽油杆即下行阻力（衬套与柱塞之间的摩擦力P摩、液流流经游动凡尔产生的阻力P阀，浮力F浮，非常规局部阻力f）是产生偏磨的主要原因。抽油杆的弯曲会产生如下影响：下冲程时抽油杆弯曲与油管内壁摩擦，会造成杆断、管漏等泵况问题；抽油杆长时间频繁交替拉伸与弯曲，会加速抽油杆材质老化，造成抽油杆疲劳断裂。
2.2、抽油杆井下受力分析
油井正常生产时，下冲程过程中，所受阻力主要来自于衬套与柱塞之间的摩擦力P摩、液流流经游动凡尔产生的阻力P阀，浮力F浮，非常规局部阻力f等。即F阻= P阀+P摩+ F浮+ f。
而下行时油井抽油杆悬点处载荷为抽油杆重量与浮力及其它各项阻力之差，即F悬=G杆-F阻，因此，抽油杆在井下各项阻力之和（F阻=G杆-F悬）在油井示功图上表现为最小理论载荷与实测最小载荷之差。
2.3 抽油杆临界弯曲载荷值确定
油井抽油杆弯曲临界载荷计算公式如下：
P临=4π2EJ/L2
其中：L—弯曲段抽油杆长度，m；
E—抽油杆弹性系数（与抽油杆材质有关），Kg/cm2；
J—对中性轴的惯性矩，Kg/cm2，其中，圆形实心杆计算公式为：πD4/64 、空心杆计算公式为：π（D4-d2）/64。
参数确定：
弯曲段长度L：抽油杆弯曲偏磨段为受力中和点以下位置，通过测算偏磨长度为自泵以上全井杆长度的20.43%。
抽油杆弹性系数E：与抽油杆材质有关，常温下普通材质抽油杆弹性系数为：2.0-2.1×106Kg/cm2。
中性轴惯性矩J：不同杆径、不同形状抽油杆对惯性矩有较大影响。
我厂使用的几种抽油杆惯性矩计算结果如下（表-2）：
不同杆径、不同类型抽油杆惯性矩J的计算结果
不同抽油杆临界弯曲载荷计算：
由上述确定参数计算不同类型、不同杆径抽油杆在1000米、1500米泵深条件下临界弯曲载荷值如下（表-3）：
不同抽油杆不同深度条件下临界弯曲载荷
通过比较，随着杆径逐渐增加，抽油杆临界弯曲载荷上升。其中，φ26mm空心杆与Φ22mm实心杆相比，截面积少0.76cm2，单位长度重量减轻20%，而抗弯性能提高85.5%，并且由于在1000m泵深条件下，临界弯曲载荷只大于井下最大反向阻力值，使井下抽油杆在上下运动过程中始终处于拉伸状态，因此能够在根本上防止井下抽油杆发生弯曲偏磨。
4、现场应用试验
4.1、防偏磨杆柱设计
我们在2个稠油井区偏磨油井，优选Φ26mm空心抽油杆作为防偏磨抽油杆，采用φ22、φ19、φ26三级抽油杆组合设计，三级长度比为6：9：5。
设定抽油杆柱长度1000米，在考虑杆柱在井筒中所受浮力情况下，与普通抽油杆柱设计相比，防偏磨杆柱在井筒产出液中相对重量减轻0.093吨，因此应用防偏磨杆柱不会影响抽油机运行负荷。
4.2、选井：我们选取9口井下偏磨问题突出油井作为防偏磨杆柱应用试验井，9口井生产数据见表-7：
9口井均为偏磨问题突出油井，不采用其它防偏磨措施条件下，平均检泵周期仅为270天，采用防偏磨接箍、扶正器措施后平均检泵周期为378天。
4.3、现场应用
2012年以来先后在9口井偏磨检泵井，在检泵过程中按照6：9：5的抽油杆合下入了防偏磨杆柱，计算防偏磨抽油杆柱与原桿柱组合对比，平均重量减轻0.85KN，油井平均最大载荷下降0.62KN、平均电流下降0.2A，2012年以来至目前9口井正常生产平均达到410天，超过措施前平均偏磨检泵周期，初步见到显著防偏磨效果。
5、几点认识
5.1、抽油杆临界弯曲载荷与抽油杆外径、形状、材质、受力长度等因素有关，通过采用空心抽油杆，在不增加杆柱重量条件下，可大大增加抽油杆抗弯性能。
5.2、X油田不同井区、不同深度油井，通过选用不同外径空心抽油杆，可以达到防止抽油杆井下受力弯曲的效果，进而解决油井管杆偏磨问题。
5.3、通过试验室内检测，空心防偏磨抽油杆抗拉伸性能能够满足井下生产需要，在不发生弯曲情况下，其抗疲劳正常生产期限在7年以上。
5.4、对结垢、偏磨并存，且检泵周期较短的油井，应用该项技术会好于现有技术。
[关键词]下行阻力 临界弯曲载荷 抽油杆组合
中图分类号：P991 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0357-01
1、概况
X油田某油矿2011年油井检泵95口，其中检泵过程中发现有管杆偏磨现象油井42口，占总检泵井数的44.2%，。近年来该油田在偏磨油井治理上采取了防偏磨接箍、加重杆、下调冲次等措施，这些措施的采用一定程度上延长了油井偏磨周期，使我厂偏磨油井检泵周期由265天延长到584天，但在应用过程中存在如下问题：
1.1、适用条件和范围有限：防偏磨接箍不适用于结垢和稠油井；下调冲次方法不适用于产液量较高的油井；加重杆不利于节能降耗。
1.2、在延长油井偏磨周期上效果有限，平均单井延长300天左右。
1.3、在现有技术条件下，我矿偏磨上检率仍较高：2003年底为44.2%。
因此，油田生产中，需要一种新的、具有普遍推广价值的、经济有效的油井防偏磨手段。
2、新型油井防偏磨理论研究
2.1、油井偏磨机理
抽油杆即下行阻力（衬套与柱塞之间的摩擦力P摩、液流流经游动凡尔产生的阻力P阀，浮力F浮，非常规局部阻力f）是产生偏磨的主要原因。抽油杆的弯曲会产生如下影响：下冲程时抽油杆弯曲与油管内壁摩擦，会造成杆断、管漏等泵况问题；抽油杆长时间频繁交替拉伸与弯曲，会加速抽油杆材质老化，造成抽油杆疲劳断裂。
2.2、抽油杆井下受力分析
油井正常生产时，下冲程过程中，所受阻力主要来自于衬套与柱塞之间的摩擦力P摩、液流流经游动凡尔产生的阻力P阀，浮力F浮，非常规局部阻力f等。即F阻= P阀+P摩+ F浮+ f。
而下行时油井抽油杆悬点处载荷为抽油杆重量与浮力及其它各项阻力之差，即F悬=G杆-F阻，因此，抽油杆在井下各项阻力之和（F阻=G杆-F悬）在油井示功图上表现为最小理论载荷与实测最小载荷之差。
2.3 抽油杆临界弯曲载荷值确定
油井抽油杆弯曲临界载荷计算公式如下：
P临=4π2EJ/L2
其中：L—弯曲段抽油杆长度，m；
E—抽油杆弹性系数（与抽油杆材质有关），Kg/cm2；
J—对中性轴的惯性矩，Kg/cm2，其中，圆形实心杆计算公式为：πD4/64 、空心杆计算公式为：π（D4-d2）/64。
参数确定：
弯曲段长度L：抽油杆弯曲偏磨段为受力中和点以下位置，通过测算偏磨长度为自泵以上全井杆长度的20.43%。
抽油杆弹性系数E：与抽油杆材质有关，常温下普通材质抽油杆弹性系数为：2.0-2.1×106Kg/cm2。
中性轴惯性矩J：不同杆径、不同形状抽油杆对惯性矩有较大影响。
我厂使用的几种抽油杆惯性矩计算结果如下（表-2）：
不同杆径、不同类型抽油杆惯性矩J的计算结果
不同抽油杆临界弯曲载荷计算：
由上述确定参数计算不同类型、不同杆径抽油杆在1000米、1500米泵深条件下临界弯曲载荷值如下（表-3）：
不同抽油杆不同深度条件下临界弯曲载荷
通过比较，随着杆径逐渐增加，抽油杆临界弯曲载荷上升。其中，φ26mm空心杆与Φ22mm实心杆相比，截面积少0.76cm2，单位长度重量减轻20%，而抗弯性能提高85.5%，并且由于在1000m泵深条件下，临界弯曲载荷只大于井下最大反向阻力值，使井下抽油杆在上下运动过程中始终处于拉伸状态，因此能够在根本上防止井下抽油杆发生弯曲偏磨。
4、现场应用试验
4.1、防偏磨杆柱设计
我们在2个稠油井区偏磨油井，优选Φ26mm空心抽油杆作为防偏磨抽油杆，采用φ22、φ19、φ26三级抽油杆组合设计，三级长度比为6：9：5。
设定抽油杆柱长度1000米，在考虑杆柱在井筒中所受浮力情况下，与普通抽油杆柱设计相比，防偏磨杆柱在井筒产出液中相对重量减轻0.093吨，因此应用防偏磨杆柱不会影响抽油机运行负荷。
4.2、选井：我们选取9口井下偏磨问题突出油井作为防偏磨杆柱应用试验井，9口井生产数据见表-7：
9口井均为偏磨问题突出油井，不采用其它防偏磨措施条件下，平均检泵周期仅为270天，采用防偏磨接箍、扶正器措施后平均检泵周期为378天。
4.3、现场应用
2012年以来先后在9口井偏磨检泵井，在检泵过程中按照6：9：5的抽油杆合下入了防偏磨杆柱，计算防偏磨抽油杆柱与原桿柱组合对比，平均重量减轻0.85KN，油井平均最大载荷下降0.62KN、平均电流下降0.2A，2012年以来至目前9口井正常生产平均达到410天，超过措施前平均偏磨检泵周期，初步见到显著防偏磨效果。
5、几点认识
5.1、抽油杆临界弯曲载荷与抽油杆外径、形状、材质、受力长度等因素有关，通过采用空心抽油杆，在不增加杆柱重量条件下，可大大增加抽油杆抗弯性能。
5.2、X油田不同井区、不同深度油井，通过选用不同外径空心抽油杆，可以达到防止抽油杆井下受力弯曲的效果，进而解决油井管杆偏磨问题。
5.3、通过试验室内检测，空心防偏磨抽油杆抗拉伸性能能够满足井下生产需要，在不发生弯曲情况下，其抗疲劳正常生产期限在7年以上。
5.4、对结垢、偏磨并存，且检泵周期较短的油井，应用该项技术会好于现有技术。