作者：张嗣伟
出版社：石油工业出版社
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钢丝绳抽油杆抽油技术原理与应用试读：
内容提要
本书是作者在总结十几年从事钢丝绳抽油杆抽油技术研究与实践工作的基础上所完成的一本注重实用的专著。主要内容包括钢丝绳抽油杆抽油技术在国内外的发展概况，钢丝绳抽油杆抽油系统的工作理论，钢丝绳抽油杆抽油系统的优化设计方法，钢丝绳抽油杆抽油装置的图表选择法以及钢丝绳抽油杆抽油装置的关键部件与配套装置，并在绪论中着重探讨了钢丝绳抽油杆抽油技术的发展前景。
本书可作为从事研究与开发和应用钢丝绳抽油杆抽油技术的工程技术人员的参考书，也可供油田采油工程技术人员及石油院校相关专业师生参考。
图书在版编目(CIP)数据
钢丝绳抽油杆抽油技术原理与应用/张嗣伟编著.北京：石油工业出版社，2007.4
ISBN 978-7-5021-5913-9
Ⅰ.钢…
Ⅱ.张…
Ⅲ.钢丝绳-抽油杆
Ⅳ. TE933
中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第164199号
钢丝绳抽油杆抽油技术原理与应用
张嗣伟 王奎升 檀朝东 编著
出版发行：石油工业出版社
(北京安定门外安华里2区1号 100011)
网 址：www.petropub.com.cn
发行部：(010)64210392
经 销：全国新华书店
印 刷：石油工业出版社印刷厂
2007年3月第1版 2007年3月第1次印刷
787×1092毫米 开本：1/16 印张：9
字数：168千字 印数：1—2000册
定价：32.00元
(如出现印装质量问题，我社发行部负责调换)
版权所有，翻印必究前 言
虽然早在20世纪50年代末和60年代初，国内外都曾有人提出过用连续的钢丝绳取代常规钢抽油杆的设想，并付诸实践，特别是在美国和苏联，先后都开展了10来年的矿场试验。尽管在最初阶段他们都肯定了这种新的抽油技术的突出优点，但最终因未能克服某些技术障碍而没有在油田推广应用。
考虑到我国不少油田都有一些低渗透和中小产量的深抽井，采用电潜泵效率低、成本高，而用水力活塞泵抽油的单井操作费用往往也高于普通有杆泵抽油的单井操作费用，因此，很有必要开发出一套新的适合于低渗、中小产量、深抽的有杆泵抽油技术。然而，由于一般抽油井(尤其是深抽井)的工作条件十分恶劣，常规抽油杆往往是有杆泵抽油系统中最薄弱的环节，因而抽油杆的失效就成为制约这种目前广泛采用的采油方法进一步发展的“瓶颈”。为此，在20世纪90年代初，我们在对国内外各种机械采油技术进行广泛调查和深入分析的基础上，决定开发用连续的钢丝绳取代常规的钢抽油杆这种新的采油方式。
1993年，我们成立了钢丝绳连续抽油杆抽油系统研究组，在对国内外(重点是美国和苏联)的有关情况进行深入调查和认真分析的基础上，系统地开展了钢丝绳连续抽油杆抽油系统工作理论、杆柱设计方法和抽汲方式的优化等一些关键性的理论与技术问题的研究，并在此基础上与宁夏石嘴山钢铁厂(现宁夏恒力钢丝绳股份有限公司)合作，以该厂生产的密封钢丝绳作为原型，研制成功专用的钢丝绳连续抽油杆。之后，首先与青海油田合作，及时将研究成果付诸实践。从1997年以来，先后在国内9个油田的百余口抽油井中应用。本书就是这十几年来我们的理论与实验研究以及矿场试验工作实践的总结。
本书是以我们的研究成果为主的一本注重实用的专著，没有涉及基础性的室内试验研究成果。全书除绪论以外共分五章。绪论主要是通过对国内外钢丝绳抽油杆抽油技术近半个世纪的发展历程的回顾与反思，试图消除对我国钢丝绳抽油杆抽油技术发展前景的疑虑。第一章介绍了钢丝绳抽油杆抽油技术在国内外的发展概况，特别是对美国和苏联的情况作了较全面的介绍。第二章阐述了钢丝绳抽油杆抽油技术的理论基础。而其余三章则侧重于介绍指导实践的技术原理与方法及配套机具。本书绪论及第一章由张嗣伟编写，第二和第三章由檀朝东编写，第四及第五章由王奎升编写，张嗣伟负责制定全书的编写大纲和最后的统稿与审定。此外，为了便于读者更详细地了解和进一步研究此项抽油新技术，在本书的附录中汇编了本书作者公开发表的有关论文目录。
1996年，我们和青海石油管理局的合作项目“柔性连续抽油杆及其配套装置和工艺技术的研制与开发”为我们成功地开发这套抽油新技术并在油田实践中产生很大影响起了关键性作用，从而也为本书的问世奠定了基础。为此，谨向参加此项目的其他主要成员，包括青海石油管理局的周铭涛、宋克显、李永、邵文斌、郭玉众等和中国石油大学(北京)的张来斌、罗维东、莫易敏、翁永基等表示衷心感谢。在开发这项新技术的过程中，还得到中国石油大学(北京)著名采油专家王鸿勋教授的关心和支持，对此，作者深表谢意。
在本书编著的过程中，中国石油大学(华东)的万邦烈教授和姜义忠教授提供了俄罗斯的有关资料和译文，杭州舒博特新材料科技有限公司张继锋高工提供了有关配套机具的资料，北京雅丹石油技术开发公司关成尧、李玉顺、檀竹南工程师对本书软件程序编写提供了帮助，特此致谢。同时，也向所有被引用的参考文献和图表的作者以及所有为本书提供过帮助的同志，一并表示感谢。
本书在石油工业出版社领导及编辑的关心、支持和理解下得以问世，特此致谢。
本书是迄今为止在国内出版的第一本关于钢丝绳抽油杆抽油技术的专著，希望它的出版能对钢丝绳抽油杆抽油技术的发展起到推动作用。但限于作者的学识和水平，疏漏和谬误之处在所难免，诚恳地希望广大读者批评指正。张嗣伟2006年12月目 录
前 言
绪 论一、钢丝绳抽油杆抽油技术发展历程的启示二、钢丝绳抽油杆抽油技术的实质和内涵三、钢丝绳抽油杆的基本特征及其抽油技术的适用范围四、钢丝绳抽油杆抽油技术的成套性五、正确认识新技术、新工艺、新产品发展的一般规律参考文献
第一章 钢丝绳抽油杆抽油技术的发展概况 第一节 钢丝绳抽油杆抽油技术产生的背景一、常规钢抽油杆存在的主要问题二、发展柔性连续抽油杆的必要性[4]1.半刚性金属杆2.复合材料带(带式抽油杆)[6，7]3.钢带[9]三、钢丝绳抽油杆的优点第二节 钢丝绳抽油杆抽油技术在美国的发展概况一、钢丝绳抽油杆的研制二、钢丝绳抽油杆抽油成套装置的开发三、钢丝绳抽油杆抽油装置的设计与室内试验四、矿场试验第三节 钢丝绳抽油杆抽油技术在苏联和俄罗斯的发展概况一、莫斯科古勃金石油化学与天然气工业学院开发钢丝绳抽油杆抽油技术的概况[13]二、阿塞拜疆石油管理局与阿塞拜疆石油生产工艺研究院联合进行的试验研究概况[14]三、超长冲程钢丝绳抽油杆抽油装置[15]第四节 钢丝绳抽油杆抽油技术在我国的发展概况参考文献
第二章 钢丝绳抽油杆抽油系统的工作理论 第一节 钢丝绳混合抽油杆柱的振动数学模型及其数值解法一、钢丝绳混合抽油杆柱的振动数学模型[2]二、振动方程的有限差分解法[2,3]1.差分格式2.边界条件与连续条件第二节 钢丝绳抽油杆的振动阻尼[5] 一、钢丝绳抽油杆的结构阻尼1.结构阻尼的概念2.钢丝绳抽油杆振动等效结构阻尼的分析与计算二、钢丝绳抽油杆在流体中的阻尼的分析与计算第三节 钢丝绳抽油杆柱的共振特性和固有频率[8]一、钢丝绳抽油杆柱共振特性分析二、钢丝绳和常规钢杆单级杆固有频率分析三、钢丝绳与加重杆的组合杆和常规多级抽油杆固有频率的分析本节符号说明第四节 钢丝绳抽油杆抽油系统动态预测及工况诊断模型的应用 一、用动态预测方法研究钢丝绳抽油杆抽油系统的抽油模式[10]1.实例分析2.抽油工况参数的预测1)杆柱组合2)冲数3)冲程长度4)泵径5)黏度6)动液面7)油管锚定8)抽油机类型二、钢丝绳混合抽油杆柱工况诊断应用实例与分析[2]参考文献附录Ⅰ 钢丝绳抽油杆在流体中阻尼的理论计算一、由抽油泵压差作用产生的液流速度(假设抽油杆不动)v1和阻尼力τ1二、钢丝绳抽油杆上下运动产生的牵连运动时的流速v2和阻尼力τ2三、流体总的平均速度v和流体对钢丝绳抽油杆的总阻尼力τ四、钢丝绳抽油杆在流体中的黏性阻力系数和振动阻尼常数符号说明附录Ⅱ 混合抽油杆柱按单级杆振动的理论解 一、模型I的理论解1.边界条件及初始条件2.混合杆体任意点的位移3.杆体振动的固有频率4.抽油杆柱载荷二、模型Ⅱ的理论解1.边界条件及初始条件2.杆体任意点的位移的解3.抽油杆柱载荷符号说明附录Ⅲ 混合抽油杆柱按二级杆振动的理论解 一、按附录Ⅱ中模型Ⅰ的理论解1.边界条件2.混合抽油杆柱的位移3.混合抽油杆柱的载荷二、按附录Ⅱ中模型Ⅱ的理论解1.边界条件2.混合抽油杆的位移3.混合抽油杆柱的载荷三、两级混合杆的基本固有频率符号说明
第三章 钢丝绳抽油杆抽油系统的优化设计 第一节 钢丝绳抽油混合杆柱的设计方法一、 混合抽油杆柱上行程的力学分析[1，2]二、加重杆下行程的受力分析[2]三、多级钢丝绳抽油杆柱设计[3]四、加重杆设计[3]本节符号说明第二节 钢丝绳抽油杆抽油系统优化设计方法及应用 一、抽油系统设计方法1.设计步骤2.油井供液能力计算[10]1)根据产液量计算井底流压2)根据井底流压计算产液量3)根据试井资料绘制综合流入动态关系3.抽油井供排协调设计1)绘制油井供液能力曲线2)计算泵排出动态曲线3)产生供排协调点4.方案优化方法1)计算不同方案的油井工况指标2)方案优选二、设计计算与优化方案实例[3]1.设计计算2.设计结果分析1)泵深对系统指标的影响2)冲程、冲数对系统指标的影响3)泵径对系统指标的影响参考文献
第四章 钢丝绳抽油杆抽油装置的图表选择法 第一节 钢丝绳抽油杆抽油机——泵装置参数的优选方法一、最大下泵深度的确定二、泵最大排量的确定 1.确定杆柱在自重及液柱载荷作用下的冲程损失1)不考虑消除钢丝绳结构伸长时2)全部消除结构伸长时3)部分消除结构伸长时2.确定杆柱惯性载荷引起的冲程sa3.确定油管未锚定时液柱载荷作用引起的冲程损失λt第二节 钢丝绳抽油杆抽油装置机泵图表一、机泵图表的编制二、钢丝绳抽油杆抽油装置机泵图的应用实例第三节 钢丝绳抽油杆抽油装置电动机功率的计算与选择一、抽油机工作时的电动机功率N工的计算二、抽油机空转时电动机所损失的功率N空的计算第四节 钢丝绳抽油杆抽油装置所用平衡重的选择图表和调节计算参考文献
第五章 钢丝绳抽油杆抽油装置的关键部件与配套装置 第一节 钢丝绳抽油杆 一、普通钢丝绳简介 1.钢丝绳的特点、型号与分类1)钢丝绳的特点2)钢丝绳的标记组成及其代表意义3)钢丝绳的分类2.普通钢丝绳的结构参数与特性1)钢丝绳的捻制参数2)钢丝绳的结构参数3)钢丝绳的力学特性二、钢丝绳抽油杆的生产工艺、机械性能及应用1.钢丝绳抽油杆的生产工艺2.钢丝绳抽油杆的机械性能1)物理力学性能2)疲劳寿命3.钢丝绳抽油杆的应用[4]第二节 钢丝绳抽油杆用液力反馈泵 一、液力反馈式抽油泵的结构和工作原理1.液力反馈式抽油泵的结构2.液力反馈式抽油泵的工作原理二、液力反馈抽油泵的设计 1.液力反馈抽油泵的基本计算1)液体反馈力的计算2) 抽油泵排量的计算2.抽油泵总体尺寸的确定1)抽油泵的最大外径2)抽油泵长度的选择3.抽油泵主要零件的设计与计算1)泵筒2)柱塞3)阀球、阀罩及阀座4.泵筒与柱塞的间隙配合1)理论最佳间隙2) 影响间隙的因素第三节 钢丝绳抽油杆作业车参考文献附录 本书作者公开发表的有关学术论文目录汇编绪 论
从20世纪50年代末到60年代初，我国玉门油田和美国伯利恒钢铁公司、杜邦公司开始进行钢丝绳抽油杆抽油技术(也可简称为钢丝绳抽油技术)的试验与开发，至今已有半个世纪。在此期间，虽经几起几伏(我国玉门油田的早期试验仅是昙花一现；美国的试验研究也只持续到20世纪70年代初；苏联和后来的俄罗斯从20世纪80年代到21世纪初，20多年的研究也没取得明显突破；我国从20世纪90年代初，开始了新一轮的研究和试验)，但用连续钢丝绳取代常规钢抽油杆的抽油技术已显示出其优越性，即可消除常规钢抽油杆的断脱事故和抽油的活塞效应，并提高泵效，降低能耗等所带来的显著的经济效益和社会效益。然而，为什么在国外没有得到发展，而在我国，至今也还没有推广应用？对这个问题必须作出明确的回答，否则，人们有理由对其发展前途表示怀疑。因此，认真对待并正确回答这一疑问，关系到此项采用我国具有自主知识产权的特种抽油钢丝绳取代常规钢[1]抽油杆的抽油新技术的生存与发展。一、钢丝绳抽油杆抽油技术发展历程的启示
20世纪80年代以前，国内外(主要是美国)的钢丝绳抽油技术主要是采用石油工业中常用的钢丝绳取代常规的钢抽油杆，最大下泵深度不超过1220m。由于钢丝绳的结构伸长和抽油泵柱塞冲程损失的问题没有很好解决，以至此项技术没有得到发展。随后，在20世纪80年代，苏联选用了其他工业部门使用的具有聚合物防腐涂层的钢丝绳，其弹性模量与相应的钢抽油杆相近，基本上满足了钢丝绳抽油技术的要求。但其最大下泵深度仍停留在1200m，不能充分显示它相对于常规抽油杆抽油技术的优势，因而对深井泵抽油技术的发展没有产生什么影响。但这段发展历程至少给了我们三点启示：第一，不能把钢丝绳抽油技术只看作是单纯地用钢丝绳取代常规抽油杆的一种简单的抽油技术；第二，要通过深入研究，明确最能发挥钢丝绳抽油技术优势的适应条件(井况和工况)；第三，要认清并遵循钢丝绳抽油技术发展的客观规律。
任何一项抽油工艺技术的产生和发展都有它自身的客观规律。三抽设备(抽油机、抽油杆及抽油泵)和各种无杆泵，从产生到成熟，大都经历了十几年到几十年，甚至上百年的时间。即使一项在国外早已成熟的新技术要成功地移植到国内，往往也要经过多年甚至十来年的试用和消化吸收的过程，如我国在20世纪60年代初从国外引入的水力活塞泵和电动潜油泵的过程就是例证。当时，我国曾兴起一股“打倒磕头机(游梁式抽油机)”的热潮，企图以水力活塞泵、电动潜油泵、液压抽油机和振动泵等当时国外成熟的各种无杆泵来完全取代游梁式抽油机，然而，由于没有很好认识并尊重抽油技术发展的客观规律，最终不得不以失败而告终。至今，游梁式抽油机仍在国内外各油田大量应用，虽然它也在不断地改进，以适应技术进步和生产发展的要求，但它仍然保持着原来的基本特征。
恩格斯有一句名言：自由是对必然的认识。这个“必然”就是指事物的规律性。他告诉我们，只有认识了事物的规律性，人们才能在对待这件事物上获得自由。对于我们从事开发钢丝绳抽油杆抽油技术的科技人员来说，只有认清了此项技术发展的规律性，并遵循其发展规律，我们才能促进它的发展，并将它应用自如。所以，从这个意义上来说，目前我国钢丝绳抽油杆抽油技术还刚刚处在发展的初级阶段。二、钢丝绳抽油杆抽油技术的实质和内涵
抽油杆是将地面抽油设备的能量传递到井下抽油泵的一个重要中间环节，它是三抽设备应用和发展的主要矛盾。它的任何改变，包括实质性的改变(如分段连接的刚性钢杆更换成连续的柔性杆)和根本性的变革(如取消各种类型的抽油杆)，不仅会引起三抽设备本身的变化，还会引发抽油工艺技术的变化，包括抽汲方式和作业方式的改变。至于一般地面抽油机的改变(如液压抽油机和链条抽油机等)或井下抽油泵的改变通常只是导致三抽设备本身的改变，而不会引起抽汲方式和作业方式的改变或者不会有大的改变。但采用钢丝绳抽油杆的抽油技术，将会引起三抽设备的实质性变化。因此，钢丝绳抽油杆抽油技术与各种无杆泵抽油技术相类似，也是一种抽油技术上的革新，而不仅仅是一种单纯更换抽油杆(更不是只用普通钢丝绳来代替常规抽油杆)的简单技术，它是一种由主体技术和配套技术有机组成的新的成套技术。其主体技术就是由专用的钢丝绳抽油杆和与之相适应的专用的抽油机和抽油泵组成的新型的三抽设备及其抽油工艺技术，而配套技术则是指可适用于钢丝绳抽油杆和钢杆(加重杆)作业以及修井的地面设备及各种工具。由此可见，它的技术变革涉及面广，难度大，因此，它的发展过程不可能是一帆风顺的。三、钢丝绳抽油杆的基本特征及其抽油技术的适用范围
常规用的钢抽油杆是三抽设备中最薄弱的环节，由它所引发的事故约占抽油井总事故的三分之二，这不仅直接造成抽油井减产，而且也会增大油井的作业费用。钢丝绳抽油杆的基本特征是它的连续性和柔性，由于连续性，它没有接箍，从而可以完全消除常规钢抽油杆(不包括加重杆)的断脱事故和活塞效应；由于柔性，它可减轻或基本上消除与油管摩擦、磨损而引起的事故。而且，它更易于实现长冲程或超长冲程(采用无游梁抽油机)，小冲数的抽汲方式，然而这些优势只有在中深井、深井和超深井以及中小产量的低渗透井才会得到更充分地发挥。
机械采油技术发展和应用的历史告诉我们，企图用一种抽油技术去满足复杂多样性的油藏和井况是不现实的，也是不科学的。钢丝绳抽油杆抽油技术当然也不例外，它一般不适合于稠油井，对于井深小于1500m的抽油井也往往难以充分发挥它的优势(但在某些情况下，用于大泵排液也有一定的优势)。因此，只有正确地找到它最佳的适用范围，即找出在生产中最需要它的用武之地，只有在生产需求的推动下，它才能在生产中站住脚，并获得迅速发展，需求是成功之母。四、钢丝绳抽油杆抽油技术的成套性
钢丝绳抽油杆抽油技术的成套性是指此项技术不是一项单一的技术，而是由钢丝绳抽油杆和与之相适应的地面设备(包括修井作业设备)及井下设备与相应工具以及多种配套软件组成的成套技术(图1)[2]。图1 钢丝绳抽油杆抽油成套技术组成示意图
完善的成套技术不是钢丝绳抽油杆与现有的游梁式抽油机和抽油泵的简单组合，而是针对钢丝绳抽油杆的特点，并把钢丝绳抽油杆和地面抽油设备以及井下抽油泵作为一个有机的整体，深刻认识并遵循它们之间相互联系、相互制约、相互影响的内在规律，实现优化配置，所开发出的一整套全新的抽油技术，包括开发出可实现长冲程甚至超长冲程的地面抽油设备和可减少甚至取消加重杆并简化修井作业的新型抽油泵，研制出可进行多种作业(包括钢丝绳抽油杆以及光杆和加重杆等刚性杆作业)的通用作业机和相应的工具，并开发出相应的故障诊断技术，以充分发挥此项抽油新技术的整体优势。五、正确认识新技术、新工艺、新产品发展的一般规律
任何一项新的工艺技术和产品总是要经过一个从不完善到完善的发展过程。特别是在它发展的初期，肯定会存在不少问题，而重要的是要善于看主流，看本质，要满腔热情地去扶植它，使之逐渐完善成熟，这可能会是一个相当长的曲折的过程。加拿大Corod公司1965年就开始研究半刚性的金属连续抽油杆，直到1986年，也就是经过了[3]20多年以后，才推广应用了2600口井。美国带式抽油杆公司(现Axelson公司)在20世纪80年代初开始研制复合材料带，经过10多年的室内与现场的试验，发展了几种定型产品，但直到1995年11月也只[4]在几十口井使用。而且，即使是成熟的技术，也不可能十全十美，玻璃钢抽油杆在20世纪70年代就已出现，几乎经历了20多年才发展成熟，但它仍然存在一些缺点。因此，要想开发出一项新技术、新工艺或新产品，只有锲而不舍，不断从失败中总结经验教训，才有希望取得成功。
这些年来，钢丝绳抽油杆抽油技术在我国的发展历程虽然并不是一帆风顺的，但是应当指出，从认识论的观点看，这个发展过程实际上是一个实践、认识、再实践、再认识不断循环反复的过程，也是一个实践和认识螺旋上升、不断前进的过程，我们今天的实践和认识已远远超过了当年美国和苏联以及我国玉门油田的实践和认识。近10年来，此项技术毕竟已在我国十来个油田相继使用，总共下井约100口，积累了不少成功的经验，而且，当今的科技进步已为钢丝绳抽油杆抽油技术的发展提供了许多比当年更好的技术支撑。今后，只要认真总结经验教训，提高认识，尊重科学，坚持按规律办事，不断完善技术配套，优化设备配置，合理选择应用对象；只要此项技术在客观上有生产需求，并在实践中充分显示出它独特的优越性，它就必然会迅速发展。正如恩格斯在谈到科学技术的发展规律时所指出的：“社会一旦有技术上的需求，则这种需求就会比十所大学更能把科学推向[5]前进”。我们还有什么理由担心此项技术的发展前景呢？参考文献
1 张嗣伟.关于钢丝绳抽油杆抽油技术的发展前景.石油科技论坛，2003(5):64～67
2 檀朝东，张嗣伟.钢丝绳抽油杆的技术应用与发展.石油矿场机械，2005，34(6)：33～35
3 吴则中，郝志礼.“柯罗德”连续抽油杆.石油矿场机械，1986，15(5)：37～40
4 Foley W L，Tarmer H N.Ribbon rod-improvement in sucker rod technology shows need to re-evaluate current artificial lift installations.SPE 35708，1996
5 恩格斯.恩格斯致符·博尔吉乌斯(1894年1月25日).见：中共中央马克思、恩格斯、列宁、斯大林著作编译局编.马克思恩格斯选集(第4卷).北京：人民出版社，1972.505～508第一章 钢丝绳抽油杆抽油技术的发展概况第一节 钢丝绳抽油杆抽油技术产生的背景
有杆泵抽油法是最早开发出来的一种机械采油技术，而且也是当前国内外应用最广泛的一种人工举升采油技术，据20世纪90年代的统计，全世界的机械采油井的井数已占油井总数的90%以上，其中[1，2]80%～85%都是有杆泵抽油井，而我国机械采油井的井数已占油[1，3]井总数的97.1%，其中，用有杆泵抽油技术获得的产液量和产油量已分别占总产量的60%和75%，而其能耗已占油田总能耗的1/3左右，随着各油田进入开发后期，上述比例还将进一步增大。有杆泵抽油技术之所以成为国内外广泛应用的一种人工举升采油方法，就在于它具有设备简单、工作可靠、操作、维护方便和适用性强等优点。然而，由于油井的多样性和复杂性，使得抽油杆的工作条件十分繁重。据统计，在我国，由于抽油杆失效引起油井事故的井次约占抽油井事[3]故总井次的65%～80%。由此可见，抽油杆已成为有杆泵抽油系统中最薄弱的环节，成为制约这种采油方式进一步发展和扩大应用的“瓶颈”。一、常规钢抽油杆存在的主要问题
抽油杆的失效主要表现为由单个抽油杆连接的抽油杆柱在工作过程中频繁发生的断、脱事故。抽油杆在抽油过程中长期承受交变载荷、振动载荷和冲击载荷以及与油管相对运动所产生的摩擦力。而且，抽油杆还处于直接与油井中的盐、氯离子、HS、CO、O等多种腐蚀222性介质以及沙粒等磨砺性颗粒相接触的恶劣环境中，从而使它受到繁重的载荷作用以及强烈的腐蚀和磨损。
尽管当前已研制出多种高强度和超高强度的优质抽油杆，并且不断完善其表面处理工艺，使抽油杆的强度、耐磨和防腐性能有了较大的提高，但是由于钢抽油杆的杆长只有8m左右，必须通过许多接头和接箍连接数十根以至数百根抽油杆组成抽油杆柱才能完成井下抽油作业，如下泵深度为1000m，就要采用125个接箍。正是抽油杆柱组成的这个特点，使它存在以下一些难以克服的弱点：
(1)下泵深度越深，抽油杆柱越长，所需的接箍越多，接箍在长期承受交变、冲击和振动载荷以及磨损和腐蚀的工作条件下，往往发生脱扣和断裂，它的失效约占抽油杆柱失效总数的50%以上，因而接箍连接成为抽油杆柱最薄弱的环节。
(2)由于接箍直径比抽油杆的直径大得多(约为抽油杆直径的2～2.375倍)，即存在许多突变的圆柱面，因此，在抽油过程中，当抽油杆柱在井内油液中运动时，抽油杆柱将产生多级活塞效应，使摩擦阻力显著增大，而且抽油杆柱也容易结蜡。
(3)由于接箍直径比抽油杆直径大，在抽油过程中，抽油杆柱与油管之间的摩擦主要集中在接箍上，尤其是在斜井和定向井中，更会加剧接箍与油管之间的摩擦和磨损。为了减少这种摩擦和磨损，往往要在抽油杆柱上加装若干扶正器，但这样将使抽油机的载荷增加20%以上。
(4)由于常规抽油杆柱是由许多单根的抽油杆用大量接箍连接而成，因而其起下作业(提升和下放)是间断进行，作业效率低，劳动强度大，作业时间长，从而使油井停产时间长。[4]二、发展柔性连续抽油杆的必要性
为了解决上述常规抽油杆存在的各种问题，就必须从根本上改变这种传统的用许多接箍将单根抽油杆连接成足够长的抽油杆柱以实现井下采油的工作方式。因此，从20世纪60年代初，先后出现了以各种柔性连续抽油杆为特征的有杆泵抽油技术。
柔性连续抽油杆(以下简称连续抽油杆)是指在专用生产线上加工成具有特殊形状的截面，中间没有接头，长度在几百米以上的抽油杆，包括椭圆截面的半刚性钢杆和采用特种钢丝绳、钢带或复合材料带制成的柔性杆。连续抽油杆一般具有以下特点：
(1)没有接箍，从而从根本上消除了抽油杆柱的活塞效应，并大大减小了抽油杆柱的断、脱事故和结蜡现象。
(2)可连续进行起下作业，大大简化了作业工序，提高了作业速度，节省了作业时间，从而可大大减少油井停产时间，并减轻了起下作业的劳动强度，还有利于实现起下作业的自动化。
(3)质量轻，而且连续杆柱和油管之间的摩擦、磨损显著减小，从而使抽油机的载荷大大减小，并可延长油管的寿命。
先后进入油田试用或应用的连续抽油杆，除了钢丝绳抽油杆之外，还有半刚性金属杆、复合材料带和钢带等连续抽油杆。1.半刚性金属杆
1965年，加拿大Corod制造有限公司开始研制金属连续抽油杆，1968年研制成功。随后，先后在加拿大、美国、苏联、委内瑞拉等[3]国的15000多口井上使用。目前，我国也有个别油田应用。
这种连续抽油杆的截面为椭圆形，采用这种截面，可使其缠绕在直径为5.5m的卷筒上不会产生屈服变形。
Corod制造有限公司已生产多种规格的连续抽油杆，与常规抽油机和抽油泵配套使用，但需要采用专用的起下作业设备，包括牵引装[5]置、滚轮导向器、滑轮组和倾斜的运输卷筒等几部分(图1-1和图1-2)。图1-1 起下作业成套装置图1-2 牵引装置
半刚性金属杆具备上述连续抽油杆的特点，但存在以下不足：
(1)缠绕连续抽油杆的卷筒的直径太大，它倾斜安装在拖车上时，高4.58m，宽3.66m，运输不便。
(2)需要配备专用的起下作业装置以及贮存与运输连续抽油杆的拖车等辅助设备。[6，7]2.复合材料带(带式抽油杆)
20世纪80年代初，美国带式抽油杆公司(现Axelson公司)的Hensley等人采用聚丙烯腈(PAN)纤维、芳纶纤维和乙烯基酯树脂等材料研制出一种先进的高性能的增强复合材料带。
经过十多年的室内与油田试验，到20世纪90年代初，已成功地开发出几种定型产品，其规格为宽36.83mm，厚2.54～5.38mm，可盘绕在直径为3.05m、宽0.15m的卷筒上，每盘长853m。这种带式抽油杆与常规抽油机和抽油泵配套使用，但也需配备一台装有卷筒的起下作业装置(图1-3)。图1-3 装在拖车上的起下作业装置
1992—1993年，美国Amoco公司，用4台起下作业装置先后将复合材料带下入8口油井中试验，其中一台在含有大量HS的油井中正2常工作了3年多，随后，又在多口井中试验，井深大都在914～1524m，采用由40%～80%复合材料带组成的抽油杆柱的油井适用条件是产液3量17.5～201.6m/d，平均含水率89%，原油相对密度为0.86，井底温[8]度低于52.8℃。
复合材料带除了具有前述一般连续抽油杆的共同特点之外，还具有以下优点：
(1)具有极高的弹性模量和很好的抗疲劳性能，耐腐蚀，使用寿命长。
(2)自重很小，约相当于常规抽油杆的1/10，可大大减小抽油机的悬点载荷，在大多数情况下，可降低两个型号选用配套的抽油机。
(3)与其他连续抽油杆相比，它可盘绕在直径更小的卷筒上，运输方便。
复合材料带的主要缺点是成本较高，不耐高温(最大工作温度为65.6℃)，而且由于其截面为矩形，与井下流体接触面积大，将承受更大的摩擦阻力。[9]3.钢带
20世纪70年代，苏联奥伦堡石油联合公司研制出钢带式超常冲程抽油机，并于1978年进行了矿场试验。1985年该公司又和全苏石油科学研究院研制了另一种样机(图1-4)，进行了矿场试验。1986年全苏冶金机器制造设计科学研究院也研制出钢带式超长冲程抽油机，并在布祖卢克石油管理局进行了矿场试验。1994年，由瑞典列旦工程公司研制的钢带式超长冲程抽油机在奥伦堡石油联合公司的油田进行了矿场试验。图1-4 钢带式超长冲程抽油成套装置示意图1—钢带；2—导向滚轮；3—绕带滚筒；4—立柱；5—动力机；6—台车；7—导轨；8—带链轮的减速器
这种抽油装置的主要特点是：
(1)采用厚度为2～3.5mm，宽度为45mm的高强度连续钢带取代常规抽油杆，按照下泵深度的需要，整根连续钢带的长度为800～1500m。
(2)通过地面抽油机的滚筒，实现钢带的上、下往复运动和起下作业，滚筒直径为1.18～2.5m，瑞典列旦工程公司生产的钢带式超长冲程抽油机的滚筒直径为2.3m，可将1500m的高强度钢带(断面2.5mm×45mm)缠到滚筒上，共167层。
(3)井下配备有特殊结构的抽油泵柱塞，已实现长冲程，柱塞的冲程长度一般可达40～1500m。三、钢丝绳抽油杆的优点
我国不少油田存在许多低渗透、中小产量的中深井和深井，采用电潜泵，效率低、成本高，而采用水力活塞泵的单井操作费用往往也比采用有杆泵抽油的单井操作费用高。因此，研究出一套适合我国低渗透、中小产量、深抽井的有杆泵抽油技术具有十分重要的现实意义。
有杆泵抽油法应用于深抽井的主要障碍是由于常规抽油杆的结构与性能的弱点所带来的一系列问题。完成深抽作业的抽油杆最好能满足以下要求：
(1)在性能上，要求强度高、质量轻，使抽油机的悬点载荷不太大。
(2)在结构上，要求能实现连续作业，以尽可能减少停产时间，并消除抽油杆断、脱事故，而柔性连续抽油杆可满足以上两条要求。
与上述各种连续抽油杆相比，钢丝绳连续抽油杆具有以下优点：
(1)机械性能更好，承载能力最大，在横截面相近的条件下，其抗拉强度和破断拉力均优于其他连续抽油杆，也优于常规钢抽油杆[1，3，4，7](表1-1)。表1-1 钢丝绳抽油杆与其他连续抽油杆以及常规钢抽油杆机械性能的对比*椭圆截面(长轴22.5mm，短轴15.2mm)的当量直径。
(2)连续杆的储存、运输装置大小适中，运输较方便。
(3)允许在较高的井下温度条件下工作。
(4)成本较低。第二节 钢丝绳抽油杆抽油技术在美国的发展概况一、钢丝绳抽油杆的研制
1961年后期，美国伯利恒钢铁公司(Bethlehem Steel Corp.)和杜[10]邦公司(E.L.du Pont de Nemours & Co.)联合开发出钢丝绳抽油杆，即用拉伸强度不小于1655MPa，直径为1.5～2.5mm的高强度钢丝制成1×37型不同直径的钢丝绳，并采用杜邦公司的“Eytel”尼龙树脂塑料在每根钢丝的外表面形成厚度为0.254mm的防护层，还在整个钢丝绳的外表面形成厚度为0.635mm的尼龙外套。这种尼龙具有很好的抗湿磨粒磨损、抗原油和抗蠕变的性能，已生产了4种规格的钢丝绳[11]抽油杆(表1-2)。图1-5为φ19.05mm的1×37型钢丝绳抽油杆的横截面示意图。该钢丝绳的线密度还不到in常规钢抽油杆线密度的一半，只有1.08kg/m。后来又研制了6×19.6W(19)和6×(19)等外表面包覆防[3]腐层的钢丝绳抽油杆。图1-5 外径为φ19.05mm的1×37型钢丝绳抽油杆的横截面示意图表1-2 钢丝绳抽油杆的机械性能二、钢丝绳抽油杆抽油成套装置的开发
在开发的早期，仍采用常规抽油机和抽油泵与钢丝绳抽油杆配套[10，12]使用，进行采油作业。为了克服钢丝绳抽油杆与上部光杆连接的锻造接头造成缠绕的困难，将钢丝绳抽油杆柱的上部通过一个空心抽油杆或光杆衬套与抽油机驴头下的承载杆夹持器连接并固定，将负荷传给抽油机，而空心抽油杆不承受负荷(图1-6)。这套井口装置与常规井口装置在外观上的最大区别就是在空心抽油杆和夹持器上面的多余的钢丝绳抽油杆。为便于与修井机滚筒连接，这部分多余的钢丝绳抽油杆缠绕在驴头上，并沿着游梁在靠近抽油机的地方绕成盘状(见图1-6)。钢丝绳抽油杆的下部通过大小头连接器和剪切丢手(Shear release sub)与抽油泵连接(图1-6和图1-7)。在起下钢丝绳抽油杆时，一个直径为1.22m的大滑轮悬挂在轻型井架的游车上，再回过来连接到井架底座和井口上。钢丝绳穿出滑轮后，通过快速接头连接到一根从钢滚筒上引出的标识绳，然后进行提升(图1-8及图1-9)。图1-6 钢丝绳抽油杆抽油成套装置示意图图1-7 典型钢丝绳抽油杆柱的上部和下部连接与布置图图1-8 钢丝绳抽油杆的起下设备图1-9 大滑轮的悬挂和回接系统
为了减少为保持钢丝绳抽油杆柱在工作过程中始终处于拉伸状态而装在钢丝绳抽油杆与抽油泵上部之间的加重杆，采用可产生下拉力的差压式压力抽油泵(图1-10)。它是通过一个短的剪切丢手和大小头连接器与钢丝绳抽油杆连接(图1-6)。剪切丢手的结构如图1-11所示，它紧接在抽油泵或加重杆柱上面，当泵由于砂卡或其他原因而无法松脱时，可用它来松开钢丝绳抽油杆，其异径丢手销钉的设计拉断力为90kN。
差压式抽油泵通过不同尺寸的上下柱塞组合，可产生的下拉力[12](根据工作液面的深度)见表1-3。表1-3 差压式抽油泵的柱塞尺寸组合及相应的下拉力(油管尺寸为63.5mm)
采用的另一种特种泵就是强制下拉式抽油泵(Positive pull-down pump)(图1-12)。它是由一个API泵筒、柱塞、游动阀组和一个装在泵筒顶端的固定阀组成。每0.3m下泵深度其下冲程的加载可达1.2N。
车装提升装置用于一般钢丝绳作业是满意的。随后，制造了一台橇装提升装置，配备有一个直径为1.22m的滚筒和一套独立的刹车系统，它装在钢丝绳作业车上，可利用原有的驱动系统。采用一台装有单腿井架或双腿井架的修井机用于所有繁重的提升作业，如离位的泵和泵位置的调节。
用以上设备作业，正式提升前的准备工作最费时间，设备安装后，从井下起下一根长914m的钢丝绳抽油杆约15min，这是一个保守的速度，即61m/min。
1970年，Mobil石油公司在Hugoton油田与Lufkin公司合作开发了一种专门用于钢丝绳抽油杆抽油的地面设备。这种装置具有以下功能：图1-10 差压式压力抽油泵图1-11 剪切丢手
(1)有一个φ1.22m可存放1219m的钢丝绳抽油杆的卷筒。
(2)可下放和安装接在钢丝绳抽油杆下面的井下抽油泵，并可驱动该泵举升液体，在必要时还可使泵离位，并提升到地面更换或修理。3
(3)在额定的负载条件下，可从914m井深举升6.63m/d的液体(冲数为12次/min或更低些)。
(4)配备一台单独的发动机。
(5)一人进行起下泵操作，最多不超过2人。
(6)成本和生产能力与常规的游梁式抽油机相当。
(7)在不采用钢丝绳抽油杆时，也可用于常规钢抽油杆。
第一台样机于1972年初安装在堪萨斯州斯底芬斯县的2口井上，3从1972年3月初开始工作，该机举升液体达到3.13m/d。除了改变下泵深度的作业外，只要2人就可进行作业，但劳动强度较大，作业费时。3
第二台样机(图1-13)从1972年开始工作，排液量达到6.36m/d，改变下泵深度作业的劳动强度与一般游梁式抽油机相应作业的情况相当或更省力。图1-12 强制下拉式抽油泵图1-13 专用的地面设备
如图1-13所示，该样机用一个缠绕钢丝绳抽油杆的卷筒(见图左下部)和一个装在支架顶部的大槽轮(见图右上部)取代了常规抽油机的游梁，它装有一组平衡重，还配备了一台性能偏高一些的4519.4N·m的标准齿轮箱，以确保低速轴工作安全可靠。发动机装在齿轮箱后面，通过一对链轮传动副将动力传给连杆臂和曲柄总成，使滚筒前后转动，从而使大槽轮前后摆动，将向上和向下的运动传给井下的钢丝绳抽油杆。
采用了一套棘轮机构可使滚筒松开，自由转动(图1-14)，通过改变连杆臂在曲柄上的位置即可调节冲程长度。图1-14 装有棘轮机构的滚筒
下放泵最简单的方法就是松开滚筒的棘轮，使泵和钢丝绳抽油杆自由下放，可用滚筒上的盘式刹车(图1-14)控制泵和杆的下放。此盘式刹车类似于汽车上的盘式刹车。另外一种速度较慢但更安全的下泵方法就是用齿轮箱和平衡重附加一个负荷，即在动力链轮上附加一个轻便的驱动链条(图1-15)，通过传动比为40∶1的齿轮副产生拉力，而平衡重可减小其下放速度。然后，改变马达的旋转方向使杆下行，马达的制动效应可使泵的下放速度控制在马达的额定运行速度之内。图1-15 滚筒链轮和齿轮箱链轮三、钢丝绳抽油杆抽油装置的设计与室内试验
钢丝绳抽油杆抽油装置的设计基本上采用常规钢抽油杆抽油装置的设计方法，主要的差别是前者必须考虑钢丝绳特殊的浮力效应。因为钢丝绳抽油杆的密度通常只有钢抽油杆的一半，而且几乎没有刚性，在下冲程时，其自重不足以克服流体的浮力，因此，在设计时必须确保钢丝绳在整个工作过程中始终处于拉伸状态，以避免中和点落在钢丝绳杆柱上而导致早期损坏。
另一点差别是钢丝绳杆柱的伸长约比钢抽油杆柱的伸长大15%，将引起泵的冲程损失，但是如果钢丝绳潜在的优点能实现的话，将不会出现显著的效率损失。由于钢丝绳抽油杆具有一个确定的腐蚀—疲[12]劳极限，应采用下式计算其安全系数：SF=240000/平均应力+3.7×交变应力(1-1)
根据制造商的推荐，在试验井取最小安全系数3。
也可用古德曼图(图1-16)确定一已知疲劳极限的钢丝绳抽油杆的安全系数，交变应力(图的纵坐标)是最大和最小计算应力之差的一半，对于新的钢丝绳抽油杆，图的上边界线从448.2MPa(钢丝绳的疲劳应力值)到1654.8 MPa(钢丝绳的拉伸应力值)，则其安全系数可由比值A/B确定，一般设计的最小安全系数可取3.5～4.0。但随着对各类油井条件的进一步了解和发展更好的作业技术，有可能减小安全系数。图1-16 古德曼图
在当时(1962年)，大致规定in钢丝绳抽油杆的最大下井深度只能用到914.4m，但计划制造一种直径更大的钢丝绳，以增加下井深度到1524m。
为了进一步改善钢丝绳防护层抗腐蚀疲劳的能力，还在实验室内[10]进行了单个钢丝的腐蚀疲劳试验，将一根有尼龙防护层的钢丝放在浓度为5%、温度为82℃的盐水中浸泡7d后，在此溶液中测试其疲劳性能，并与一根没有防护层的钢丝，在空气中所测试的疲劳性能进行对比，其结果如图1-17所示，图中曲线A为无防护层的钢丝在空气中的试验结果，曲线B为无防护层的钢丝在热盐水中的试验结果，而曲线C是有防护层的钢丝在热盐水中浸泡后，在热盐水中的试验结果，对比曲线A和C可见，有防护层的钢丝在热盐水中的腐蚀环境中，与在空气中的裸钢丝具有相同的疲劳极限。图1-17 疲劳性能的对比四、矿场试验[10]
首次试验于1962年7月在得克萨斯州进行，采用由φ2.54mm的高强度(拉伸强度不小于1655MPa)钢丝组成的φ25.4mm的1×37型钢丝绳(其截面积相当于in钢抽油杆)，长度为305m，下入井深为420m的油井中。钢丝绳的整体及其每根钢丝都采用了由杜邦公司的“Eytel”尼龙树脂塑料制成的防护套(层)，在井下连续工作了5年9个月而没有出现断脱现象，仅发现在钢丝绳的尼龙外套上有轻微的不连续的磨粒磨损的痕迹。后来又研制了直径为φ1.5mm的钢丝组成的1×37型钢丝绳(截面积相当于in钢抽油杆)，长度为976m，下入井深1220m的井中，在改变冲程和冲数的条件下进行第二次试验。在上述两次试验的基础上，1965年12月进行了第三次试验，采用由φ2.0mm钢丝组成1×37型φ19mm的钢丝绳(截面积相当于in钢抽油杆)，其线密度仅1.08kg/m，而其强度却相当于自重为2.49kg/m的in钢抽油杆。钢丝绳以106.7m/min的下放速度下入853m的井中，工作了16个月后，钢丝绳在距顶部3m处断裂。
上述3套钢丝绳抽油杆的上下端用合适的大小头分别与顶部的光杆和下部常规抽油泵顶部的钢抽油杆相连接，抽油泵上面的钢抽油杆是为了确保抽油泵的下放和钢丝绳在工作时始终处于拉伸状态，因此，仍然需要用常规的修井机去完成钢抽油杆和具有一定长度的钢丝绳抽油杆的作业，而钢丝绳顶部的连接件往往导致缠绕的困难。
西方作业公司的加利福尼亚标准石油公司(Standard Oil Co. of California，Western Operations Inc.)生产部从1965年12月开始在7口[12]井中进行了两年多的矿场试验。试验分三个阶段进行。第一阶段试验的任务是在原来采用钢抽油杆作业而没有出现事故的油井中下入钢丝绳抽油杆，以检验其工作的可行性。第二阶段试验的任务是在原来用钢抽油杆作业而经常出故障的条件复杂的油井(包括腐蚀、砂、蜡、稠油、气、斜井，被抽油杆磨损的油管等)中下入装有尼龙套的钢丝绳抽油杆，以确定其应用的局限性和工作参数，以及采用所有各种形式的抽油泵应用于钢丝绳抽油杆抽油的可能性。第三阶段试验的任务是评价大规模使用钢丝绳抽油杆的经济性，包括评价广泛使用钢丝绳抽油杆后的基本投资和可以获得的潜在效益。
在从1965年12月10日下入第一口井到1968年1月29日下最后一口井的7口下入钢丝绳抽油杆的井中，下泵深度在640.1～886.1m，地面采用常规游梁式抽油机(API 114型)，其冲程范围为1.22～2.18m，冲数一般在9～15.5次/min。井下抽油泵采用了以下几种形式： 2in插入式差压泵，常规的2in×1in×12ft RWT泵和 2in×2in×12ft RWT泵以及2in×1in×12ft强制下拉式抽油泵，试验井的平均产液3量一般在9.70～40.1m/d(主要是水)。
对其中分别在两口井工作了16个月和22个月的两根钢丝绳抽油杆断裂部位的试验室分析表明，损坏的原因是腐蚀疲劳，断裂部位都在钢丝绳抽油杆上部的高应力区。其中一口井的钢丝绳在损坏前工作了一年零两个月，由于多根钢丝疲劳破坏而断裂，使钢丝绳的强度逐渐减小而导致拉伸破坏，断裂的部位在承载杆上的加载夹持器以下3.05m处，该处过去曾经装过夹持器。另一口井断裂的部位在离井口顶部50.3m处，该井的条件几乎和上述那口井相同，但钢丝绳的损坏却是由于钢丝绳套与油管内壁发生磨粒磨损(而不是夹持器损坏)导致钢丝暴露在腐蚀环境中，最终因腐蚀疲劳和拉伸而破坏。第一阶段矿场试验表明，带尼龙套的钢丝绳抽油杆用于抽油是可行的。大多数问题出现在地面和井下的辅助设备或其他相关的设备或工具，而不是钢丝绳抽油杆。专用的提升和操作设备可取代修井机，并可减少起下钢丝绳抽油杆的时间。
自从1962年第一次采用钢丝绳抽油杆下井以来，到1974年已有[11]25口井或更多一些井采用了钢丝绳抽油杆，井深达到1220m，大多数运行是满意的，发生的一些损坏大多数是在硫化氢严重的西得克萨斯。由于钢丝绳抽油杆在抗硫化氢的性能上没有显著超过标准的钢抽油杆的相应性能，因而伯利恒钢铁公司仍在研究改进钢丝绳抽油杆的材料以减少硫化氢的渗透，更好地保护钢丝绳。然而对一般油田的盐水和碳氢化合物，与钢抽油杆相比，钢丝绳抽油杆表现出更好的抗腐蚀性能，而且其强度和抗磨粒磨损及抗疲劳的能力都更优。
1970年7月Mobil石油公司进行了第一次矿场试验，随后从1972年[11]到1973年又在Hugoton油田进行了多次试验。但在Hugoton油田的试验仅限于从气井中举升液体，作业条件特殊。试验表明，采用钢丝绳抽油杆，一个人在一个助手的帮助下，不到3h就可以换泵，而用常规钢抽油杆，一般需3人用一台作业机工作6h甚至更多些。但对于Hugoton油田的油井，钢丝绳抽油杆的成本约比长度相等的钢抽油杆高280美元。另一个问题是当钢丝绳抽油杆遇卡而剪切销又不能剪断时，将无法从井中取出。而且还要考虑保护盘根盒处的钢丝绳抽油杆
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