结蜡油井示功图跟踪测试与分析

王海文 赵雷 赵辉 杨峰

1中国石油大学（华东） 2胜利油田东辛采油厂

结蜡油井示功图跟踪测试与分析

王海文1赵雷2赵辉2杨峰2

1中国石油大学（华东） 2胜利油田东辛采油厂

根据抽油机井基本工作原理、运动学和动力学原理，对油井示功图所反映出的悬点受力进行分析，从而得到油井工况的详细信息。结蜡造成油流空间减小，增加了油流阻力和压力梯度，造成泵上压力增大，作用在泵上的液柱载荷增加是上冲程载荷增大的主要原因，增大的泵上压力对抽油杆的浮力增加是下冲程载荷减小的主要原因。摩擦力变化不是结蜡井载荷变化的主要原因。结蜡越严重，最大载荷就越大，最小载荷就越小，应根据示功图上分析出的结蜡信息，对结蜡油井及时采取措施，减轻对生产的影响，避免事故发生。

油井；抽油机；示功图；结蜡；测试

产液沿井筒上升过程中，随着温度、压力的降低和气体的析出，当温度低于结晶温度后，溶解的石蜡结晶、长大聚集并沉积在管壁等固相表面上，即出现所谓的结蜡现象。油井结蜡影响流体举升的过流断面及抽油设备的正常工作，严重时井下或地面油管也蜡堵，造成生产中断。含蜡油井的结蜡监控、防蜡和清蜡是生产中需要解决的重要问题。以往对结蜡油井示功图仅定性地描述成示功图变“胖”，没有提供定量计算载荷的模型和评价结蜡程度的方法。有些文献认为，结蜡造成油管内径减小，抽油杆与蜡接触增加了抽油杆的运动阻力，这种观点误导了对结蜡井抽油杆受力分析和示功图的诊断。

在生产中，示功图是油井常测的数据，随着油井自动监控技术的发展，远程在线测试示功图已经成为现实，给利用示功图进行工况分析提供了方便[1]。本文建立抽油杆受力分析模型，分析结蜡井载荷变化的主要原因，提出定量计算结蜡示功图载荷的方法，根据实测示功图验证了所建的分析模型。

1 抽油机井上、下冲程的载荷

上冲程悬点载荷表示为

式中Pu为上冲程载荷（N）；Wr为抽油杆柱重量（N）；Wl为作用在泵柱塞上的液柱载荷（N）；Iu为上冲程杆柱和液柱惯性载荷（N）；FXi为第i级抽油杆柱所受的浮力（N）；Fu为上冲程中的摩擦载荷（N）；Pv为振动载荷（N）；Pi为上冲程中泵内压力作用在柱塞底面向上的载荷（N）。

下冲程游动阀打开后悬点载荷表示为

式中Pd为下冲程悬点载荷（N）；Id为下冲程杆柱惯性载荷（N）；FXn为底部杆受到的浮力（N）；Fd为下冲程摩擦载荷（N）。

抽油机悬点可以分为动载荷和静载荷，静载荷是指抽油机停机时测试的悬点载荷，悬点静载荷与抽油机停机时悬点的位置和停机上下冲程过程有关[2]。对于直井，悬点静载荷包括抽油杆柱自重和液压力，液压力作用在柱塞上、下两面以及抽油杆柱各截面发生变化的位置。

抽油机上冲程停机测取的载荷称为上静载荷，去掉式（1）中与运动有关的动载荷，就得到上静载荷的计算公式

相似地，抽油机下冲程停机测取的载荷称为下静载荷，去掉式（2）中与运动有关的动载荷，得到下静载荷的计算公式

实测的油井示功图载荷是式（1）和式（2）中各种载荷的综合反映，悬点静载荷反映了油井基本情况。对式（3）和式（4）中的液压力计算时，液体密度按油、水加权平均密度估算，进而计算柱塞上、下两面以及抽油杆柱各截面变化位置的液压力。悬点静载荷标在实测示功图上，提供示功图变化趋势的基准，对示功图分析具有重要参考价值。根据抽油机井基本工作原理、运动学和动力学原理，对示功图所反映出的悬点受力进行分析，从而得到油井工况的详细信息。

2 结蜡井基本数据

为方便建立分析模型，结合一个典型实例井进行分析。DXY72X5井采用塑料内衬复合油管，由于塑料内衬管的亲油性和亲蜡性，导致该井结蜡较用普通油管时更加严重。复合油管内径67.8 mm，泵径Ø50 mm，下泵深度998.00 m，冲程4.79 m，冲次1.4 min-1，日液7.8 t，含水89.4%，动液面952 m，沉没度46 m，油黏度556 mPa·s，油密度0.932 8。杆柱组合：光杆Ø32 mm×9.00 m+D级Ø25 mm×149.00 m+D级Ø22 mm×780.00 m+加重杆Ø38 mm×60.00 m。

由式（3）和式（4）估算得到DXY72X54井上静载荷为53.42 kN，下静载荷为34.47 kN。

跟踪测试DXY72X54井在结蜡不严重、结蜡严重和蜡堵造成杆断3种情况下的示功图，一并绘制在图1中，图中横线表示上静载荷和下静载荷。

图1 DXY72X54井示功图

3 结蜡过程与示功图变化规律

DXY72X54井属于低液量、高含蜡井，由于液量低、温度低，不容易把蜡质溶解或携带出，虽然含水达到89.4%，但含水对油井结蜡情况没有明显影响[3]。因此采用内衬塑料复合油管不能解决结蜡问题[4]，管壁上结蜡减少了井液的流动空间，这样就增加井液的流动阻力。

3.1 结蜡井的悬点载荷分析

从图1中示功图1可以看出，油井结蜡还不严重的情况下，最大载荷是65.60 kN，最小载荷是18.70 kN，上静载荷线距离最大载荷为12.18 kN，下静载荷线距离最小载荷为15.77 kN。图1中示功图2是结蜡严重时的功图，最大载荷是74.90 kN，最小载荷是15.00 kN，最大载荷明显增大，最小载荷降低，上静载荷线距离最大载荷为21.48 kN，下静载荷线距离最小载荷为19.47 kN。最大载荷增加量为9.30 kN，最小载荷减小量为3.70 kN。3种情况载荷值见表1。

造成示功图1和示功图2两种情况下的载荷差异有两种可能的原因，一是液柱载荷，二是摩擦力。下面通过定量分析找出确切原因。

油井生产过程中，不改变生产参数，由式（1）分析，导致上冲程载荷增大的因素有Wl和Fu。在上冲程中，由于游动凡尔关闭，作用在柱塞上的液柱引起的悬点载荷为

表1 DXY72X54井载荷数据

式中 p泵上为泵出口压力（Pa）； fp为泵柱塞截面积（m2）； fr为与泵连接的抽油杆截面积（m2）。

结蜡蜡质附着在油管内壁或抽油杆上，减少了井液的流动空间，增加了井液的流动阻力，流动阻力导致 p泵上增加，按式（5）计算的液柱载荷Wl增加[5]。

油井井身轨迹并非一条直线，直井的最大全角变化率要小于1°/30 m。由于井身轨迹的变化，油管在油井中也是弯曲的，油管里的抽油杆也受油管的约束，具有相似的轨迹，抽油杆与油管接触是不可避免的。油管内壁结蜡，减小了油管内径，在一定程度上加剧了抽油杆与油管内壁的接触，但比起油管1°/30 m的全角变化率，油管内径变小造成抽油杆全角变化率最大只有0.03°/30 m，不是主要因素。另外，用蜡作为中间介质，抽油杆与油管内壁的摩擦系数减小到0.2以下，结蜡造成抽油杆与油管之间的摩擦力不会增加。

在非偏磨的直井中，无论稠油还是稀油，抽油杆柱与油管、柱塞与衬套之间的摩擦力数值都不大。在稠油井内，液体与抽油杆之间的摩擦所引起的摩擦载荷比较大，这是造成最大载荷增大，最小载荷减小的主要原因，稠油井与结蜡井在载荷变化趋势上有相似性，但其内在原因是不一样的，分析图1中的示功图可以论证这一观点。

图1中A点载荷是63.5 kN，B点载荷是48 kN，两点间的载荷差值是15.5 kN；A′点载荷是75 kN，B′点载荷是57 kN，两点间的载荷差值是18 kN。注意，B点游动阀尚未打开，A、B点载荷差值约等于上、下冲程摩擦力之和，下冲程游动阀打开前，作用在悬点上的摩擦载荷方向都向上，稠油井B点悬点载荷应该减小，而DXY72X54井结蜡示功图B点的载荷反而增加了9 kN；另外，示功图1和示功图2的A、B点和A′、B′点的差值变化只有2.5 kN。这两因素说明，摩擦力不是造成结蜡井最大载荷增大，最小载荷减小的主要因素。

在分析摩擦载荷时，没有考虑液柱与油管之间的摩擦力，这个力并不直接作用在抽油杆上，而是通过液压力作用在泵柱塞上；结蜡造成油流空间变小，管壁形状复杂，增加了液柱垂直管流流动阻力，造成液柱压力梯度增加，使泵柱塞承受更大的液柱压力。

如果假设DXY72X54井结蜡严重造成的上冲程载荷增加9.30 kN主要是由于泵上液柱压力增加造成的，就可以解释B点载荷增加9 kN的原因，同时也可以解释最小载荷的减小量。

根据式（5）和加重杆上端面受到的液压力，计算出示功图2比示功图1泵出口压力增加了5.89 MPa，相应地由式（2） 计算下冲程浮力，浮力造成的载荷减小值为4.11 kN，与实测最小载荷减小量3.70 kN只差0.41 kN。

3.2 发生蜡堵杆断示功图

由于结蜡对悬点载荷有影响，结蜡严重时就应该及时采取清蜡措施；否则，结蜡越严重，最大载荷就越大，最小载荷就越小，此时应力幅加大，杆柱更容易发生疲劳破坏。图1中示功图3是DXY72X54井杆断的实测示功图，这时候油井已经不产液了。示功图显示，上、下载荷都大幅度减小，结合油井不产液，判断抽油杆断脱。提杆发现第63根杆本体断，按照抽油杆柱组合，断点以上抽油杆重20.96 kN，考虑浮力后与实测示功图相符。

4 结论

（1）结蜡造成油流空间减小，增加了油流阻力和压力梯度，造成泵上压力增大，作用在泵上的液柱载荷增加是上冲程载荷增大的主要原因，增大的泵上压力对抽油杆的浮力增加是下冲程载荷减小的主要原因。

（2）摩擦力变化不是结蜡井载荷变化的主要原因。

（3）结蜡越严重，最大载荷就越大，最小载荷就越小，应根据示功图上分析出的结蜡信息，对结蜡油井及时采取措施，减轻对生产的影响，避免事故发生。

[1]赵新智，李永明，余小兵，等．利用示功图叠加分析预警法预防油井蜡卡[J]．油气田地面工程，2009，28（7）：36-37．

[2]王一平，王海文，张超．利用漏失曲线计算抽油机井悬点静载荷[J]．西安石油大学学报，2005，20（3）：58-60．

[3]张琪．采油工程原理与设计[M]．东营：石油大学出版社，2000．[4]王海文，赵雷，杨峰，等．HDPE内衬油管防治抽油机井杆管偏磨研究[J]．石油矿场机械，2008，37（2）：74-77．

[5]熊伟，宋必轩，孙霞，等．超稠油生产井示功图判别及工矿诊断[J]．重庆科技学院学报，2008，10（4）：30-32．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.011

（栏目主持 杨 军）