抽油桿失效研究現(xiàn)狀及展望

李成彬， 王長建， 焦啟彥， 朱翠玲

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.中國石油吐哈油田公司吐魯番采油廠設備自動化室，新疆鄯善838202）

0 引 言

抽油桿是有桿抽油設備的重要部件，它將抽油機的動力傳遞給井下抽油泵［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國采用有桿采油方式的油井占總數(shù)的80%以上［2］。在整個抽油系統(tǒng)中，抽油桿柱是一個關鍵且薄弱的環(huán)節(jié)，一旦某一根抽油桿發(fā)生失效，則整個抽油桿柱就不能工作。若在生產時發(fā)生斷裂、脫扣等情況，則需要進行打撈作業(yè)，不僅影響產量，而且耗時耗力，增加采油成本。

抽油桿柱在井下腐蝕液中承受不對稱循環(huán)載荷，而同一個桿柱系統(tǒng)中上下部分的抽油桿工況有所區(qū)別。因此，抽油桿的失效問題比較復雜。近年來研究人員從不同方面研究了抽油桿失效問題，得出了許多成果，有些成果在生產應用中還獲得了巨大的經濟效益［2-8］。

1 抽油桿失效類型

抽油桿失效的主要類型有以下幾種：

1.1 抽油桿斷裂

在設計桿柱時抽油桿是能滿足強度要求的，抽油桿斷裂絕大部分原因是疲勞斷裂。抽油桿在生產加工出來時就不可避免地會存在內部應力、損傷缺陷等，服役時加上腐蝕、磨損等因素影響，使得抽油桿實際服役時間比理論設計服役時間要短。另外，非正常工況下，如抽油泵卡泵、抽油機重啟等會增加抽油桿斷裂風險［6］。

1.2 機械磨損

將抽油桿連接成桿柱后，在工作過程中易于發(fā)生彎曲變形。彎曲后桿與管壁會發(fā)生摩擦，導致桿體磨損［2］。而腐蝕液的腐蝕作用將會加劇這一損傷過程。當磨損到一定程度時，桿截面不能承受載荷就會發(fā)生失效。如果油井是斜井，這種磨損對抽油桿失效的影響會加大［5］。

1.3 抽油桿脫扣

抽油桿之間是通過桿體公螺紋和接箍母螺紋擰緊后連接的，脫扣就是指二者相互脫離的現(xiàn)象。這種失效主要有兩種原因導致：一是材質或加工不合格，致使在服役時無法承受載荷發(fā)生脫扣；二是安裝時預緊力不足，服役時的周期載荷及振動時連接松動至脫扣。

1.4 井液腐蝕

在我國，許多油田現(xiàn)已進入中、高含水期階段［2］。此時，油井產出液高含水率、高礦化度是有桿泵舉升的主要特征［4］。井液一般會溶解CO2及H2S等酸性氣體，同時地層液還會含有細菌，致使抽油桿發(fā)生腐蝕失效。對于有損傷裂紋的抽油桿，腐蝕會加速其失效過程。

2 抽油桿失效研究現(xiàn)狀

2.1 力學方向

目前，運用力學研究抽油桿失效的類型主要是斷裂失效，其理論基礎是力學的一個重要分支：損傷力學和斷裂力學。

2.1.1 損傷力學基本思想及方程

將損傷力學的知識用來研究抽油桿失效的基本思想是：抽油桿同其他金屬材料一樣存在微缺陷，如微裂紋、位錯、微孔洞等［2］，在桿體服役期間受交變載荷時這些缺陷的生長（損傷的演化）過程是滿足一定規(guī)律的，即損傷演化率。抽油桿在單軸加載工況下的損傷演化方程為［2-8］

式中：D為損傷度；N為壽命；其余參數(shù)根據(jù)材料、載荷及工況確定。兩邊積分得出壽命模型。

2.1.2 斷裂力學基本思想及方程

斷裂力學將各種缺陷等效為裂紋，研究在交變載荷下裂紋的擴展規(guī)律，其所采用的數(shù)學模型主要是由應力強度因子或守恒積分所控制的各種類型的裂紋擴展速率公式［2］。此方法著重于研究裂紋擴展的規(guī)律，目前運用最廣泛的是Prais公式：

式中：a為表征缺陷尺度的幾何量；N為壽命；其余通過實驗及材料自身屬性得出［9-10］。隨后研究人員通過研究應力比R及其他因素對該公式進行修正和簡化，得出的公式更為精確和簡便，比較有名的有Forman公式：

以及Walker公式：

力學方向的研究是理論推導和實驗數(shù)據(jù)驗證為支撐的，近年來計算機的發(fā)展也為研究工作提供了幫助。這些理論發(fā)展時間較長，并經過實踐的不斷驗證和修正，研究成果比較成熟。

2.2 可靠性方向

抽油桿使用的數(shù)量較大，可以用可靠性等相關知識來研究。通過對失效抽油桿的服役時間等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，抽油桿的疲勞壽命可靠性可用“正態(tài)概率密度函數(shù)”和“威布爾密度函數(shù)”來分析［9］。

正態(tài)分布的概率密度函數(shù)：

通過對實驗數(shù)據(jù)和服役時間的統(tǒng)計研究得知抽油桿疲勞壽命X服從對數(shù)正態(tài)分布，其正態(tài)分布累積概率密度函數(shù)為

抽油桿廠商可以通過對同一批次的抽油桿進行跟蹤統(tǒng)計，根據(jù)結果為客戶提供可靠性數(shù)據(jù)。

另一方面，實驗室對試件進行疲勞試驗，得出材料失效前的壽命N與其外加應力水平S的關系圖，即S-N曲線。擬合后得出其表達式：

對于金屬材料，特別是高強度鋼，失效數(shù)據(jù)分散，此時其S-N曲線會與失效概率P有密切聯(lián)系［11］。通過數(shù)據(jù)處理，得到一組成活率Pi下的材料S-N曲線。這種P-SN曲線即為成活率-應力-疲勞壽命曲線。這些曲線對研究試件可靠性具有重要意義，在工程應用中也是重要參考數(shù)據(jù)之一。

2.3 腐蝕疲勞方向

腐蝕疲勞是金屬材料在周期性（循環(huán)）或非周期性（隨機）交變應力與腐蝕介質的聯(lián)合作用下發(fā)生脆性斷裂的過程［12］。抽油桿的失效研究可以用腐蝕疲勞的相關理論來研究。研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕疲勞裂紋是從材料表面的點蝕開始形核、發(fā)展的［12］。腐蝕疲勞裂紋擴展階段，機械斷裂與電化學腐蝕共同作用，其破壞機理十分復雜。目前主要采用累積損傷理論研究成核。而裂紋擴展涉及電化學過程，研究內容要復雜得多?？傮w而言，腐蝕疲勞裂紋擴展規(guī)律的研究沿用斷裂力學的方法，將擴展速率表示為裂尖應力強度因子范圍ΔK的函數(shù)［12］。研究人員基于不同的理論提出多種計算模型，但對于抽油桿的腐蝕疲勞研究尚未提出系統(tǒng)的研究體系和成果。油田進入高含水開發(fā)期后，井液出現(xiàn)高含水率、高礦化度等特征。腐蝕對抽油桿壽命的影響會增大，這會促使研究人員投入更大精力研究腐蝕疲勞。

3 抽油桿失效研究展望

通過總結目前的研究方向及成果得出今后研究抽油桿失效的幾個特點和趨勢：1）隨著計算機技術的發(fā)展，模擬仿真的優(yōu)勢進一步凸顯。ANSYS等力學分析軟件在疲勞斷裂等方面具有很強大的計算功能，能極大節(jié)約研究成本，并且可以為理論計算提供數(shù)據(jù)支持。今后的失效研究模擬仿真所占比重將會越來越大。2）目前我國海上油氣開采工程量加大，很多油井為深井、超深井，結構復雜，對抽油桿性能要求也越來越高。在提高抽油桿生產工藝等方面的同時，也要求對研究模型的相關參數(shù)進行修正，以期獲得更符合生產實際的模型。3）隨著井筒結構越來越復雜，偏磨、腐蝕、振動等因素對抽油桿的影響也越來越大。目前有研究人員對這些因素進行研究，但是研究成果沒有形成完整的針對抽油桿工況研究的理論體系，結論運用也尚不成熟。對這些因素的綜合研究會成為今后研究抽油桿失效的一個趨勢。

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