油管丝扣漏失认识.doc

油管丝扣漏失原因分析
1、前言
油田属采油九厂外围油田，地质特征具有低渗透、非均质严重、天然裂缝发育、油藏异常高压等特点。目前，有抽油机井356口，占采油井总数的81.1% ，2003年-2006年抽油机井共检泵作业274井次，其中因油管丝扣漏失而检泵作业69井次，占总作业井的25.2%，仅次于偏磨井比例，是油田油井检泵的第二大影响因素。虽然油管在下井的施工过程中使用了丝扣胶进行密封，但是由于在用油管丝扣磨损严重、现场仪器检测使用的局限性、井底段塞流的存在等原因，至使近几年因油管丝扣漏失而检泵的井数居高不下，给油井泵况管理和延长检泵周期造成很大的影响。
通过分析几年来检泵作业井可以看出，造成油管丝扣漏失有以下两方面因素：一是质量因素。包括作业施工质量和材质质量；二是疲劳损坏因素。因为质量因素是可以通过加大对人的管理来克服的，而对于疲劳损坏因素的影响，是很难预见，而又往往被人们所忽视的。因此，应从油管丝扣结构原理及产生漏失的原因，分析疲劳损坏因素对丝扣漏失的影响。
2、油管丝扣漏失原因分析
2.1油管螺纹牙塑性变形与丝扣漏失的关系
紧密的油管公扣和接箍母扣之间，主要承受轴向拉伸应力ι、径向挤压应力κ和环向应力ν的作用，如图1所示。运用有限元理论对油管丝扣内部的应力和应变进行分析，发现在正常的工作状态下，油管螺纹处于弹塑性工作状态。
通过借鉴油管螺纹上扣后，受拉力载荷作用的有限元图示分析看出，受力变形区的螺纹牙在拉力载荷的作用下产生塑性变形，这种变形状态对新油管或磨损量小的油管不会产生漏失和脱扣现象。由于目前部分井下在用的油管丝扣磨损严重，造成油管公扣和接箍母扣之间存在缝隙，虽然施工时使用了丝扣胶密封胶，但是在每天上万次的交变载荷，或高速动载荷的冲击作用下油管发生疲劳破坏，使油管结构丧失正常工作能力。油管丝扣的牙塑变形会使丝扣的咬合出ν
ι
κ
现缝隙，使油管丝扣渗水，最终导致油管漏失和脱扣。油田有7口出现过油管脱扣，且检泵周期较长为801天。
在实际生产中，影响载荷主要原因有两类：生产参数和沉没压力。下面从理论说明生产参数和沉没压力与载荷的关系。
Pmax=Wr+Wl+Iu+Pbu+Fu+Pv-Pi ……(1)
Pmin=Wr-Id-Fd-Pv ……(2)
图1 油管受力
示意图
从公式（1）、（2）中可以看出，悬点最大最小载荷的构成中， Wr、Wl、Pbu可以近似为恒定值。惯性载荷理论计算如公式如下：
Iu= Sn2/1790 (1+r/l)(Wr+Wl∑) ……(3)
Id=-WrSn2/1790(1-r/l) ……(4)
式中，Pmax、Pmin—悬点最大最小载荷，N
Wr—抽油杆在空气中的重力，N
Wl—液柱在柱塞环形面积上的重力，N
Pbu—井口回压造成的载荷，N
Iu、Id—上、下冲程惯性载荷，N
Fu、Fd—上、下冲程摩擦载荷，N
Pv—振动载荷，N
Pi—沉没压力，Mpa
r—曲柄旋转半径，m
l—连杆长度，m
从公式（3）（4）中可以看出， Iu 、Id与抽油机参数成正比，与冲次成正比。Fu、Fd、Pv随着冲次的增大而增大，Pi随着沉没度的降低而减小，悬点载荷则随着沉没压力的减小而增大。
2.2特定段塞气流与油管丝扣刺漏的关系
油管刺漏一直是造成丝扣漏失的主要影响因素，在抽油井中，原油在地层压力及外力的作用下，从井底沿井筒向上流动。在井筒内某一高度，当压力低于原油饱和压力时，溶解在原油中的天然气，以小气泡的形式逸出并存在于油流中。泵下原油在泵抽汲过程中，固定凡尔在上下压力交替变化作用下，使小部分气体进入环形空间并从套管直接逸出。流体进泵后，油管内的压力进一步低于饱和压力，气体继续分离并且膨胀，从而使管内出现了一段液体，一段气体的段塞流。分布于段塞下部的一段或几段气柱被称为特定段塞气流，它是造成油管丝扣刺漏的基本条件，而弹性伸缩效应，对油管的刺漏起到了推动作用。
2.3弹性伸缩效应与丝扣刺漏的关系
抽油杆柱和油管柱都存在弹性伸缩，它将减小活塞冲程，与泵效成反比。油杆、管柱所受的载荷性质不同，则伸缩变形的性质与程度也不同。目前油田已处于中含水阶段，油管内壁与管内液体之间的流动，由塑性或拟塑性的非牛顿流体转为牛顿流体，油管内壁之间的粘滞力明显下降，段塞流段的气柱弹性伸缩效应明显增加，因此加剧了丝扣刺漏的形成。
（1）压力变化。抽油机从上死点到下冲程的半个冲程时（游梁处于水平位置），泵内的活塞做向下加速运动，且速度达到最大值。管内流体一般处于失重状态，气柱上、下所受的压力会明显减小，气柱的长度会进一步增大，由于泵效的存在，此时气柱的压力P1降到最小值。而在上冲程的上半冲程中，泵内活塞做由大到小的加速运动，此时，气柱压力P2需要增加到足以克服油管柱内部液体的重量、超失重所引起的额外重量、液体和油管内壁粘滞力，才能完成向上举升过程。2个压力的极限差为△P,即△P＝P2－P1。由于△P是在高压条件下半个冲程内完成的，其变化速度较高，因此导致段塞效应的产生。
（2）段塞效应。段塞效应是多种效应的组合，但对于油管丝扣刺漏的发生，其主要影响因素有四方面。一是旋流效应。由于气柱内压力变化，导致油管公扣和母扣之间，起阻挡和密封作用的大分子长链烃和具有多支链的原油分子，在惯性离心力的作用下，沿着丝扣的扣槽旋流到油管中去。二是空蚀作用。导致油管接箍内密封胶带或密封脂逐渐剥落。三是热效应。由于压力和体积的急剧变化，致使其将自身的内能以热能的形式传递出去，导致段塞气柱所在位置的油管温度上升，从而加速密封带的老化速度。四是呼吸作用。无论油管与油管之间的密封程度有多高，总会有部分短碳链气态烃（如甲烷等）从接箍处进行浸透，在压力急剧变化的情况下，会使气柱和环形空间浸透作用明显加强，从而加快丝扣渗漏速度。
对于油气比较高的油井，在其段塞流阶段，管内气柱个数较多，虽然段塞现象比较明显，然而随着油管液柱的超失重现象，形成特定的段塞气流的伸缩效应不明显。即气柱内压力的变化速度小，段塞气柱的伸缩效应下降，管丝扣刺漏的机会减少。对于油气比较低、而原油的泡点压力较小、产液温度较高的油井，在管流的段塞阶段形成的气柱个数较少，相应的段塞效应就比较明显，油管丝扣刺漏的机会增大。
虽然这段气柱在完成一个冲程后会改变位置向上运动，但在下一个或相隔几个冲程后，在油管同一位置又会出现同样性质的气柱。同一时期内，这样的气柱在油管内的同一位置上交替出现，弹性伸缩作用长期地交替进行，最终导致该段油管丝扣连接处轻微渗气现象加剧，渗气速度由小到大，由弱变强，由渗气转为渗液，在巨大的液柱压力作用下加剧了渗漏现象，最终形成刺漏。另外，在杆管偏磨作用下，也会造成油管公扣和母扣的刺槽和油管本体变薄，也同样会形成刺漏现象。这个过程可以是急速的，也可以是漫长的，统计油管刺漏井中有5口井检泵周期小于300d，而有2口井检泵周期超过了1000d。
3、油管丝扣刺漏井的判断方法
从以上理论分析中可以看出，对于油管丝扣刺漏井，只要找到该井的弹性伸缩的段塞气流井段，就可以找到发生刺漏井段的位置。但每口井形成段塞气柱的因素不同，所以形成段塞气柱的位置也不同。因此，通过理论推理方法查找这个特定位置比较困难，但是通过分析，可以看出具有某些特性的井易发生油管刺漏现象。现场最简单的方法，是通过每口井的作业现场鉴定来判断。
从油田几年来丝扣刺漏井的数据上看，油管丝扣刺漏井具有井段跨度大，沉没度低，动载荷影响大，中含水的特点。
通过理论与实际分析，具有以下特点的井易发生油管刺漏现象。
（1）气油比较低、原油的泡点压力较小、产液温度较高的油井。
（2）冲次≥6次，沉没度＜500m，含水为中高含水的油井。
（3）易发生偏磨的油井。
（4）超过600d的在用油管。
4、几点认识
（一）油田油管丝扣漏失井的发生，主要是质量因素和疲劳损坏因素。质量因素是可以通过加大对人的管理来克服的。一方面必须监督施工单位按严格标准进行施工、检查。一方面油田自身要增加对油井的保护意识，油井反复多次作业不仅增加了油田管理工作的难度，还增加了油层受到伤害的机率，要确保做到少作业，作好业的要求。
（二）对于疲劳损坏因素造成的油管丝扣漏，很难从理论分析上预见它的发生，但是可以通过它的成因及已发生过漏失井的特点来预防其发生。
（1）采用油管锚定装置，消除油管因上下冲程所产生的交变载荷，改善油管的受力，减小油管螺纹牙塑性变形。
（2）合理调整抽油机井的生产参数，恢复油井的液面，减小油管内、外的压差。
（3）对于油管丝扣刺漏的油井，应采用下大泵、小冲次（按油井的供液能力，结合泵径，冲次尽量小）的方法，以减小特定气柱压力变化的速度，削弱气柱的弹性伸缩效应。
（4）根据油井作业，查找油井刺漏的特定井段，加强该井段的监督力度。对所下油管丝扣详细检查（刺洗干净程度、丝扣磨损情况等），更换段塞井段的油管，增加密封胶带的厚度，减少油管内外的渗流效应，增加公扣和母扣之间的丝扣数量，增大渗流阻力。

参考方献
1、陈家琅：水力学，石油工业出版社（北京），1980。
2、王鸿勋：采油工艺原理，石油工业出版社（北京），1989。
3、朱杰：特定段塞气柱的弹性伸缩，钻采工艺，1998。
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