引言

勘探开发技术的不断进步，使得深部油气藏的开发成为了可能。深部油藏的不断发现，使得钻井深度纪录也不断刷新。特别是中国西部，以库车拗陷、塔西南拗陷为代表的塔里木盆地大量深部油藏投入勘探开发，大批超过5 000 m井深的油气井钻探成功。随着中国西部油田的不断开发，中国西部某油田的有杆泵平均下深在2 000~3 500 m，现在有些井下深已经超过4 000 m，未来可能会出现5 000 m的井。随着有杆泵下泵深度增加，抽油机悬点载荷也越来越大，这造成抽油杆断脱几率也增加^[1]。针对深井采油中悬点载荷偏大的问题，研究玻璃钢混合杆和深抽减载装置两种减载技术的减载效果，对选择减载方法有一定指导意义^[2-4]。

1 玻璃钢混合杆减载技术 1.1 玻璃钢深抽减载原理

玻璃钢杆抽油杆密度很小，Fiberflex公司生产的玻璃钢杆密度为2.04 g/cm³，沙市钢管厂生产的密度为2.90 g/cm³，国产25生产的玻璃钢密度为1.92 g/cm³。而普通的抽油杆密度7.82 g/cm³。玻璃钢混合抽油杆减载技术就是利用玻璃钢密度低的特性大大降低作用在悬点上的抽油杆柱载荷^[3]。

1.2 玻璃钢混合杆柱设计

考虑井身结构、深井井筒高温对玻璃钢杆的限制，能确保玻璃钢杆不会在弯曲井段工作，玻璃钢杆工作温度不超过其额定工作温度。深井混合杆杆柱设计是以确保玻璃钢杆不受压、防止杆柱失稳为基础前提，以整体杆柱质量最轻为第一目标^[3]。

2 深抽减载装置减载技术 2.1 减载装置结构

深抽减载装置，是利用液压反馈力降低抽油杆柱的负荷达到减小悬点最大载荷目的的一种装置。主要零部件为两个柱塞（截面积分别为Φ₁、Φ₂）、泵筒摩擦副、定位装置、外管等。深抽减载装置安装在深井抽油泵的上端某一位置（如图 1所示），Φ₁、Φ₂柱塞与抽油杆柱连接。

2.2 减载装置减载原理^[5-7]

上冲程时，Φ₁、Φ₂柱塞及深井抽油泵柱塞随抽油杆柱一起向上运动（如图 2所示）。此时，油管内产出液的压强p₁，作用在Φ₂的下端面上，产生一个向上的力F₁

$ \begin{align} & {{F}_{1}}={{p}_{1}}\left( {\mathit{\Phi }_{2}}-{\mathit{\Phi }_{\text{r}}} \right)-{{p}_{1}}\left( {\mathit{\Phi }_{2}}-{\mathit{\Phi }_{\text{r}}} \right)= \\ & {{p}_{1}}\left( {\mathit{\Phi }_{2}}-{\mathit{\Phi }_{1}} \right) \\ \end{align} $

(1)

式中：Φ₁，Φ₂ —两个柱塞的截面积，m²；

Φ_r —抽油杆截面积，m²；

F₁ —上冲程时作用在截面积为Φ₂柱塞下端面的力，N；

p₁ —上冲程时油管内产出液的压强，Pa。

而油套管环空内井液的压强p₂，则作用在Φ₂的上端面上，产生一个向下的力F₂

$ {{F}_{2}}=\text{ }{{p}_{2}}\left( \text{ }{\mathit{\Phi }_{2}}-\text{ }{\mathit{\Phi }_{1}} \right) $

(2)

式中：F₂ —上冲程时作用在截面积为Φ₂柱塞上端面的力，N；

p₂ —上冲程时油套管环空内的井液的压强，Pa。

设计时，要将深抽、减载装置安装在一个合适的位置并使F₁>F₂，从而起到减载作用。其中上冲程时井内液体经深抽装置进入上部油管内完成进液过程^[8-9]。

由于通过自身结构在上下冲程期间产生一个向上的液压力，减轻了抽油机驴头的悬点载荷，相对减少了井内管、杆柱变形及冲程损失，因此就相对提高了油井产量^[10]。

3 减载效果对比研究 3.1 玻璃钢混合杆减载效果分析

利用最轻杆柱设计原则，对某油田实际生产井A井进行杆柱设计。A井的基础数据如表 1所示。

3.1.1 玻璃钢混合杆减载效果

从表 2可以看出，全钢杆杆柱设计时悬点最大载荷110.10 kN，其中杆柱重力载荷为63.50 kN占悬点最大载荷的57.7%。通过混合杆柱设计时，悬点最大载荷减小到65.40 kN，悬点最大载荷减小40.6%，而杆柱重力载荷减小到35.18 kN，杆柱重力载荷减小44.6%。

通过使用Φ22玻璃钢杆减少了使用Φ22和Φ25钢杆的长度，大大减小整体杆柱的平均线密度^[11]。减载效果明显。

3.1.2 玻璃钢混合杆减载节能效果

计算最大扭矩的近似公式^[1]

$ {{M}_{\text{max}}}=\frac{s}{4}\left( {{P}_{\text{max}}}-{{P}_{\text{min}}} \right) $

(3)

式中：M_max —最大扭矩，kN·m；

P_max —悬点最大载荷，kN；

P_min —悬点最小载荷，kN；

s—冲程，m。

钢杆设计最大扭矩：M_{max 1}=50.75 kN·m，玻璃钢混合杆最大扭矩：M_{max 2}=45.90 kN·m。可见玻璃钢混合杆有一定的节能效果。在这种杆柱组合和抽汲参数下，玻璃钢混合杆柱还可能实现超冲程^[12]。

3.1.3 玻璃钢混合杆减载技术适用性

由于玻璃钢杆价格贵，不能承受轴向压缩载荷、不能承受弯曲应力，不耐高温，所以稠油、高凝油、斜井、定向井不适合采用。

3.2 减载装置减载效果

表 3是某油田已安装减载装置的3口抽油机井的悬点载荷数据。

3.2.1 深抽减载装置减载效果

3口试验井平均下泵深度在3 000 m左右。从3口试验井数据可以看出：深抽减载装置减载技术平均降低最大载荷22.8%，最高降低负荷达到27.0%。减载效果比较明显。

3.2.2 深抽减载装置减载节能效果

根据式（3）可知，最大扭矩大小跟悬点最大载荷和悬点最小载荷之差成正比。

安装深抽减载装置后，最大载荷和最小载荷之差变大（如图 3所示）。由扭矩计算公式可知，安装深抽减载装置以后，能耗增加。分析原因，该装置如果位置设计不合理，会使得杆柱受压情况恶化，导致偏磨加重不利于正常生产。同时在该装置上有两个柱塞，如果工作状况恶化，会增加柱塞的漏失，增加能耗降低举升效率^[13-14]。同时该装置需要在某一深度定位然后固定，如果固定产生松动也会给生产带来不好的影响。

而在文献[7]中提出，深抽减载装置是一种节能、增产的新工艺，油井应用深抽减载装置后，降低了抽油机井悬点载荷，节能降耗。通过以上分析，该装置的节能性值得疑问，相反有可能增加能耗。

3.2.3 深抽减载装置减载技术适用性

该装置在不动原杆柱的情况下能减小悬点载荷，减载效果明显。适用于中小型抽油机、且油井因供液不足而需加深泵挂的老油井，以达到不更换抽油机就能深抽的目的^[15]。

3.3 两种减载效果对比分析

两种减载技术都有明显减载效果，从例子中看，玻璃钢混合杆减载效果稍好。玻璃钢杆具有节能效果，而深抽减载装置节能效果有待商榷。但玻璃钢混合杆价格贵，而且不能承受轴向压缩载荷不能承受弯曲应力，不耐高温，稠油、高凝油、斜井、定向井不适合采用。而深抽减载装置具有不更换抽油机就能深抽的优点，适用于中小型抽油机、且油井因供液不足而需加深泵挂的老油井。

4 结论

（1） 玻璃钢混合杆和深抽减载两种减载技术减载效果都比较明显，玻璃钢混合杆减载效果更好。

（2） 玻璃钢混合杆具有减载效果的同时还具有一定的节能效果，而以前认为深抽减载装置具有节能性的观点值得商榷。