抽油机井偏磨腐蚀机理及防治对策.doc

抽油机井偏磨腐蚀机理及防治对策
靳从起　吕树章　韩应胜
　　摘要：根据对中原第三采油厂抽油机井井况和工况的统计结果，对形成偏磨腐蚀的多种因素进行了较为系统的分析，提出了有针对性的措施，并在现场予以实施，有效地延长了抽油机井的检泵周期。
　　关键词：油井；抽油杆；油管；磨损；腐蚀；对策；应用
　　中图分类号：TE983
　　文献标识码：B
　　文章编号：1001-3482（1999）05-0015-05

　　中原第三采油厂共有生产井415口，其中抽油机井367口，占生产井的88.4％。由于井斜、综合含水的上升和产出水的强腐蚀性，抽油机井中油管与抽油杆的偏磨腐蚀现象日趋严重。1997年偏磨腐蚀井164口，偏磨腐蚀井占频繁作业井的74％，占抽油机生产井数的44.7％，因偏磨腐蚀而造成油井检泵作业的工作量占全年检泵作业工作量总和的39.6％，管、杆的使用寿命也因偏磨腐蚀而缩短了40%～60％。例如，NW257井，新油管下井176 d，由于偏磨腐蚀使油管产生20 cm长的裂缝。NW16井，新油管下井89 d，因偏磨腐蚀而穿孔。每年由于油管和抽油杆偏磨腐蚀造成的直接经济损失近千万元，间接经济损失3 000万元以上，偏磨腐蚀已成为影响油田正常生产的重要因素之一。因此，应用新技术、新工艺减少偏磨腐蚀，是降低采油成本的有效措施之一。
1　引起偏磨腐蚀的因素
　　偏磨起源于钻井，表现在抽油机井的生产过程中；产出介质的强腐蚀性是偏磨腐蚀的催化剂。
1．1　井斜及偏磨的原因
1.1.1　引起井斜的原因
　　a)　自然井斜　 在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差。不同井深的井中心与井口中心的相对位置，从平面上看，是在井口中心周围的点的集合群；从垂直来看，井筒是一条弯曲旋扭的线条，一般油井井深超过600～800 m，会出现扭曲现象。中原石油勘探局第三采油厂油井的平均倾斜度为3.75°，最大27°。偏磨均发生在600～800 m以下。
　　b)　斜井　随着钻井技术的发展和油田开发需要，定向斜井不断增多［1］。例如，NW142井、W143井，井斜达到20°以上,水平位移500 m以上。
　　c)　地层蠕变　地层蠕变造成套管变形，使井段出现弯曲变形，产生“狗腿子”；地层蠕变严重时会导致油井报废。例如，M1—23井在1 420 m处，因断层引起套管错断。
1.1.2　引起偏磨的原因
　　由于套管变形和井斜，使油管产生弯曲。在抽油机井生产时，抽油杆的综合拉力F或综合重力W产生了一个水平分力FX。在水平分力FX（正压力）的作用下，油管和抽油杆接触，产生摩擦（如图1和图2所示）。

图1　井下管杆上冲程偏磨示意

　图2　井下管杆下冲程偏磨示意
FX＝Fsinθ
或　　　　　　　　　　　　　　　　　　FX ＝Wsinθ
(1)
式中，FX为由F或W引起的抽油杆对油管内壁的正压力；θ为油管的倾斜角度；F为抽油杆的拉力；W为抽油杆的重力和各种阻力的合力。
　　在正压力FX的作用下，上冲程时抽油杆与油管的上侧内壁产生摩擦；下冲程时抽油杆与油管的下侧内壁产生摩擦。由于离井口越近，F或W越大，根据式（1），FX也越大，磨损越严重；油管的倾斜角度θ越大，正压力FX越大，磨损就越严重。
　　在弯曲度（“狗腿子”度）较小的地方，油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦，油管偏磨面积较大，磨损较轻。而弯曲度越大的地方，不仅油管内壁与抽油杆接箍产生摩擦，油管内壁与抽油杆杆体也产生摩擦，油管偏磨面积较小，磨损较严重。在抽油杆柱的上部，表现为单面偏磨，如图3和图3a，偏磨正压力较大，上冲程和下冲程均产生摩擦，偏磨较严重。这种偏磨往往把油管磨穿，是偏磨现象中最常见也是破坏性最大的一种。现场统计结果表明，这种偏磨约占偏磨井总数的60％。
　　在抽油杆柱的中性点以下，为双面偏磨。上冲程时，由于井斜使抽油杆与油管内壁的一侧面产生偏磨；下冲程时，由于管内各种阻力与重力的综合作用，使抽油杆弯曲，并与油管内壁的另一侧面产生偏磨。这样就使被偏磨的接箍断面呈图4b和图4c所示的形状，同时使油管相对应的两侧面磨成深槽，甚至被磨穿。

图3　抽油杆杆体偏磨示意　

ｂ单面偏磨

c两侧面偏磨
图4　抽油杆接箍断面偏磨示意
1.2　参数对偏磨的影响
1.2.1　冲程与冲次的影响
　　在偏磨腐蚀的油井中，冲程短、冲次高时，偏磨的部位相对较小，偏磨次数频繁，磨损较严重，破坏力大。许多抽油机井的冲程为3.3 m，冲次为6～8 min－1，磨损较严重。
1.2.2　底部抽油杆弯曲的影响
　　抽油杆弯曲产生于下冲程。下冲程时，抽油杆主要受2个方向的力，一个是自身在液体中向下的重力；另一个就是活塞下冲程时受到向上的阻力。阻力随着活塞直径、抽油杆在油管内的各种摩擦阻力、抽油泵冲次以及液体运动粘度的增加而增大，也随活塞与泵衬套间隙减小而增大［2］。而2个方向的力的平衡点，即为中性点，在中性点以下的抽油杆受压而弯曲，中性点以上抽油杆呈拉伸状态。由于抽油杆弯曲，使抽油杆与油管发生偏磨。
1.2.3　油管弯曲与抽油杆磨损
　　抽油杆在上冲程时，游动阀关闭，活塞带动油管内介质上移。由于管内介质的重力、油管与管内介质和抽油杆的阻力作用，使抽油杆拉直，而油管在中性点以下产生弯曲，使管、杆接触而产生磨损。油管弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。中性点位置又与泵以下尾管的长度有关。若尾管加长，则泵以下油管的质量增大，就可以把弯曲应力抵消。
1.3　介质对偏磨腐蚀的影响
1.3.1　综合含水的影响
　　中原石油勘探局第三采油厂随着开发时间的延长，产出液综合含水率不断上升，偏磨腐蚀的油井逐渐增多（如图5）。1993年，发现偏磨腐蚀油井48口，而1997年达164口。其原因是，当油井产出液含水大于74.02％时产出液换相［3］，由油包水型转换为水包油型。也就是说，管、杆表面失去了原油的保护作用，产出水直接接触金属，腐蚀速度增加。摩擦的润滑剂由原油变为产出水，由于失去原油的润滑作用，油管内壁和抽油杆磨损速度加快，磨损严重。

图5　第三采油厂历年综合含水和偏磨腐蚀井数的变化趋势

1.3.2　腐蚀介质的影响
　　中原石油勘探局第三采油厂的油井产出液具有“六高一低”的特点，即矿化度高，在2×104～17×104　mg/L; Cl-含量高，在2×104～11×104　mg/L;CO2含量高，在20～400　mg/L;H2S含量高，在0～30　mg/L;细菌含量高，在10～104个/mL; 温度高，在65～95℃；pH值低，在5.0～6.5 (显弱酸性)。
　　产出水中存在下列反应：
CO2 + H2O → H+ + HCO3-
　　Fe + H2S → FeS↓ + H2↑
　　CO2含量越高，产出液中产生的H+越多，pH值越低，产出液酸性越明显，腐蚀性越强。据资料介绍［4］，在CO2气体存在时，油井最大腐蚀发生在60～90℃。而中原第三采油厂油井的井温正在此范围内。产出液中H2S与Fe反应生成FeS，而H＋对油管和抽油杆产生氢脆腐蚀。
　　由于pH值低，H+多，而产出液含Cl-高，化学平衡为H+ + Cl- → HCl，从而形成了具有盐酸强腐蚀性的体系。
1.3.3　偏磨和腐蚀
　　a)　管、杆偏磨，使管、杆偏磨表面产生热能，从而使管、杆表面铁分子活化，而产出液具有强腐蚀性，使偏磨处优先被腐蚀。
　　b)　由于偏磨处表面被活化，成为电化学腐蚀的阳极，从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，而产出液是强电解质，具有强腐蚀性，对电化学腐蚀起到一个催化作用，更加剧了腐蚀。
　　c)　由于腐蚀，使管、杆偏磨表面更粗糙，从而磨损更严重。
　　偏磨和腐蚀并非简单的叠加，而是相互作用，相互促进，二者结合具有更大的破坏性。
1.3.4　缝隙腐蚀和冲蚀明显
　　由于产出液含水较高及产出液的强腐蚀性，使油管、抽油杆螺纹联接处产生缝隙腐蚀；另外，由于产出液对油管公螺纹外缘的冲刷作用，再加上产出液的强腐蚀性，发生冲蚀，易使油管公螺纹老化。油管螺纹联接处在偏磨腐蚀、缝隙腐蚀和冲蚀的综合作用下，易使该处产生油管断脱、刺漏。
1.4　管、杆等的材质耐腐蚀性差，也是偏磨腐蚀的重要因素之一
　　由于油井的产出液具有强腐蚀性，而所用的油管耐腐蚀性能达不到要求，油管表层涂料的强度和耐蚀性较差，再加上许多油井存在偏磨，因此，油管腐蚀、磨损严重，甚至穿孔和磨蚀成裂缝。如，1998-05购进的一批油管，由于质量较差和表层涂料脱落，在使用过程中发现油管穿孔的较多；由于抽油杆和抽油杆接箍的材质不同，抽油杆接箍的材质耐蚀性较差，在油井中先期被腐蚀。许多油井在作业时发现，抽油杆接箍腐蚀严重，例如，W21、49—3、2—57、152井等。
2　偏磨腐蚀防治对策
　　针对中原第三采油厂油井偏磨腐蚀的特点，根据“防、治相结合”的原则，对偏磨腐蚀的油井应采取一系列的新工艺、新技术。
2.1　加缓蚀剂
2.1.1　油井“少量多次”加缓蚀剂
　　加缓蚀剂是解决油井井筒和地面集输系统腐蚀的一种常用、有效方法。其原理是通过缓蚀剂加入到产出介质中，在金属表面形成一种致密薄膜，使金属本体与腐蚀介质隔离开来，以达到保护金属、防止腐蚀的目的。另外，通过油井缓蚀剂在油管内壁形成的保护油膜，起到润滑作用，达到减少磨损的目的。
　　1997年，在W22块应用“少量多次”加药新工艺，确定每月合理加药量，缩短加药周期（7 d/次），防腐效果明显。对偏磨腐蚀严重的油井，由于偏磨易使油管内壁形成的保护油膜破坏，失去润滑和保护作用，加药周期应进一步缩短，由一般7 d/次，改为2 d/次或1 d/次。
2.1.2　缓蚀剂在油管内预膜防腐防偏磨措施
　　偏磨腐蚀严重的油井在作业时，下泵后在油管内加入一定量（25 kg）的缓蚀剂，使之在油管内表面和抽油杆表面形成较厚的保护膜以达到预防腐蚀的目的，同时利用具有高润滑能力的保护膜，以达到减缓磨损的目的。
2．2　尼龙扶正器
　　在治理油井偏磨方面，滚轮式和滚珠式扶正器由于易卡轮和不耐腐蚀的原因，目前已很少使用，两瓣对卡式KBV30H型尼龙扶正器在抽油杆上滑动，扶正效果差，脱落的碎片易卡泵，使用受到限制。目前使用的扶正器有KZX型防偏磨扶正器、KBV型固定式扶正器、扶正接箍等，它们各具特点。
2.2.1　KZX型防偏磨扶正器
　　该扶正器用螺纹联接在抽油杆上，拆装方便，扶正体是高强度耐磨塑料，减少油管的磨损；另外，利用直锯齿和螺旋槽使扶正体旋转而均匀磨损，以达到使用寿命长久的目的。
　　它是扶正器的更新换代产品，适用于斜井和偏磨严重的井。具有结构简单(如图6)、使用方便、寿命长、成本低的特点。

图6　KZX型抽油杆偏磨
扶正器结构示意
　　该扶正器适用于偏磨点在抽油杆柱中性点以上的单面偏磨扶正。
2.2.2　KBV型固定式扶正器
　　KBV型固定式尼龙扶正器直接注塑在抽油杆杆体上。它主要是对抽油杆杆体扶正、防偏磨。在弯曲度大的井段，对产生抽油杆杆体偏磨的扶正有明显效果。但是在抽油杆柱的上部或偏磨严重的井段，使用寿命较短而且有效期短。
2.2.3　扶正接箍
　　扶正接箍是在抽油杆的接箍上，增加了扶正防偏磨尼龙体。它的主要特点是拆装方便、扶正效果好，适用于抽油杆柱下部因压缩弯曲的防偏磨，而在中性点上部，使用寿命较短。
　　对偏磨腐蚀严重的油井应根据井况不同，对以上扶正器配套使用。例如，W10—21井，在抽油杆柱中性点的上部用KZX型防偏磨扶正器和固定式扶正器，下部用KBV型固定式扶正器和扶正接箍。这样利用了各自的优点，克服了各自的缺点，达到既经济又防偏磨、延长检泵周期、延长管、杆使用寿命的目的。
2.3　旋转井口装置
　　旋转井口装置是中原石油勘探局第三采油厂针对改变油管偏磨位置，延长油管寿命而开发的新型井口装置，它具有结构简单、操作容易的特点。该装置可以通过地面人力转动来改变油管与抽油杆的偏磨面，使磨损面均匀分布，从而达到延长油管使用寿命的目的；另外，已安装偏心井口的油井，转动井口也可达到以上目的。
　　1997-07-11～14在W22－27、W22－52井各安装了1套旋转井口装置，并且每个月旋转90°。对21口装有偏心井口的抽油机井，每月也旋转90°，到目前为止，共转动287次。通过转动井口来改变管、杆的偏磨位置，达到良好的效果，检泵周期平均延长了88 d。
2.4　合理调整生产参数
　　a)　在保持产液量不变的情况下，由短冲程、高冲次、小泵，改成长冲程、低冲次、大泵，增加偏磨面积，减少偏磨次数，以达到延长油管和抽油杆使用寿命的目的。
　　1998年以来，中原石油勘探局第三采油厂共实施“长冲程，低冲次”的措施180井次，延长了检泵周期，取得了明显的效果。
　　b)　增加泵下尾管长度，减少油管弯曲。一般尾管长度不少于200 m。
　　c) 　在抽油杆柱底部加加重杆，使抽油杆柱的中性点下移，减少抽油杆柱的弯曲。
　　d)　以改变抽油杆柱上接箍的位置，来改变偏磨位置。
　　抽油机井作业时，在活塞上面增加或去掉1个4 m的短节，来改变油管和抽油杆的偏磨位置，以延长油管和抽油杆的使用寿命。目前已实施了62口井，效果明显，目前还没有1口因偏磨腐蚀而躺井。
3　结论
　　a)　抽油杆与油管偏磨腐蚀的主要原因是井斜、抽油杆柱弯曲、高含水和产出液的强腐蚀性。综合含水上升使偏磨腐蚀更加明显，而介质的强腐蚀性加速了偏磨腐蚀。
　　b)　加药防腐、尼龙扶正、管杆旋转、调整生产参数是防治偏磨腐蚀的有效措施，具有显著的经济效益。
　　c)　根据具体井况，将KZX型、KBV型扶正器和扶正接箍配套组合使用，防偏磨效果好。
　　d)　针对油井的不同情况，制定综合的防治措施才能达到防治偏磨腐蚀的最佳效果，以便取得良好的经济效益。
作者简介：靳从起（1964-），男，山东乐陵人，工程师，现从事油田化学研究
作者单位:(中原石油勘探局 第三采油厂， 山东 莘县 252434)
参考文献：

［1］　董世民，李宝生.水平井有杆抽油系统设计［M］.北京：石油工业出版社，1996.1-12．
［2］　张　琪，采油工艺原理［M］．北京： 石油工业出版社，1981．56-63．
［3］　佟曼丽．油田化学［M］．东营：石油大学出版社，1996．242．
［4］　郑家(焱)/(木).中国腐蚀与防护学会94年学术年会文集［C］．1994．409．
收稿日期：1999-04-12