抽油桿柱故障原因分析及防治對策

李秉路 甘琦 劉安兵 劉杰 潘兵濤(長慶油田公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

1 抽油桿斷脫現(xiàn)狀

通過對侯市區(qū)多年桿柱故障井次統(tǒng)計，前期所占比例逐年上升，經(jīng)過2005-2011年的綜合治理，大范圍的更換有問題的油桿，尤其是偏磨的油桿都換為鑄塑抽油桿。近兩年桿柱故障比例逐年下降，占全部小修井次總和的12%以下。2011年油井小修451井次，其中桿柱故障46次，占小修井次的10.2%，而抽油桿斷脫井31口，占桿柱故障井的67.3%，光桿斷脫井2口，占桿柱故障井4.3%。由于油井井筒的生產(chǎn)環(huán)境十分惡劣，使抽油桿使用壽命大幅度縮短，嚴(yán)重制約有桿采油技術(shù)的發(fā)展。因此想要延長油井免修期就必須解決抽油桿斷脫問題。

2 抽油桿斷脫原因分析

通過對抽油桿斷脫數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計，分析認(rèn)為影響抽油桿正常工作的主要因素:（1）抽油桿疲勞；（2）偏磨；（3）介質(zhì)的影響。實際上常常是由于兩種或多種因素的并存造成了抽油桿的損壞。

2.1 抽油桿疲勞引起斷脫

抽油桿工作中浸入各種介質(zhì)，承受多種載荷，有抽油桿自量、液柱重量、和液柱的慣性載荷、工作中還會有摩擦阻力、桿柱振動載荷和沖擊載荷。所以抽油桿在工作中承受著各種不對稱的變動載荷。

在各種載荷作用下，抽油桿會發(fā)生疲勞，雖然抽油桿承受的最大疲勞應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度承受力，但是長年累月重復(fù)作用，在抽油桿的個別部位，當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)時，將會產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

2.1.1 “木桶效應(yīng)”

由于抽油桿使用不會細(xì)致劃分年限和級別，導(dǎo)致其機(jī)械性能差異大，斷裂以后只更換斷裂抽油桿，導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”，很多抽油桿實際使用壽命已超過疲勞循環(huán)基數(shù)。

從單井分析，發(fā)生多次斷脫的油井抽油桿斷脫位置基本上都在同一類型的抽油桿上，以Ф16mm油桿發(fā)生斷脫居多。這說明同一口油井中，總是同一批抽油桿發(fā)生斷脫，即同一使用年限的抽油桿達(dá)到了使用年限，即使其它型號的抽油桿還可以用，由于“木桶效應(yīng)”導(dǎo)致了全井失效，縮短了檢泵周期。

2.1.2 疲勞載荷

抽油桿的疲勞壽命取決于最大應(yīng)力和應(yīng)力幅度，最大應(yīng)力和應(yīng)力幅度越大，疲勞壽命越短。事實證明，抽油桿縱向彎曲主要發(fā)生在抽油桿柱的下部。主要是因為采用的是由粗到細(xì)的桿柱組合，下部抽油桿抗彎剛度較??；其次是在下沖程時，井筒內(nèi)的摩擦阻力過大，抽油桿下部所受壓載過大。

從統(tǒng)計情況來看，抽油桿的斷脫位置主要集中在Ф19mm和Ф16mm抽油桿柱的中下部，主要原因是油井達(dá)到一定的井深，泵深較大，桿柱中Ф16mm抽油桿比例偏大，其重量、剛度和強(qiáng)度不能克服活塞下行的阻力，桿柱承受的拉應(yīng)力大，疲勞破壞嚴(yán)重，油井?dāng)嗝撀矢摺?/p>

2.2 偏磨的影響

2.2.1 井斜對管桿偏磨的影響

由于采用叢式井組開發(fā)，井身結(jié)構(gòu)并不是一條直線，大井斜角是偏磨的主要原因。在鉆井過程中，鉆頭與井口的同心度變化較大。從井斜示意圖可以看出，鉆井軌跡是一條無規(guī)則的曲線。

井口與井底偏移較大，受鉆井過程中的糾斜、防斜等措施的影響，往往會產(chǎn)生“狗腿度”，當(dāng)彎曲度過小時，油管內(nèi)壁和抽油桿接箍產(chǎn)生摩擦，油管偏磨面積較大，上、下沖程中是單面摩擦。

侯市長10層油井井身剖面設(shè)計均為直—增或直—增—穩(wěn)，從完鉆井的井深剖面分析來看，大部分剖面為直－增－降類型。統(tǒng)計82口井，其中直—增或直—增—穩(wěn)為30口井，直－增－降為52口井。最大井斜角絕大多數(shù)小于30度，直－增－降類型一般進(jìn)入油層200-300m前開始降斜，進(jìn)入油層段井斜角均小于10度，井身剖面呈一“S”型，而這種井身剖面使管桿容易產(chǎn)生偏磨。

當(dāng)“狗腿”度較大時，抽油桿的中性點(diǎn)以下為兩面受摩擦，上沖程時，抽油桿與油管內(nèi)壁的一面產(chǎn)生摩擦，下沖程時，由于管桿內(nèi)各種摩擦阻力和重力作用，抽油桿發(fā)生彎曲，從而另一面受到摩擦。在實際生產(chǎn)中，若防磨措施不完善不合理，則導(dǎo)致抽油桿發(fā)生斷裂。

2.2.2 供液不足的影響

當(dāng)油井抽汲排量不匹配時，整個井筒在往復(fù)運(yùn)動過程中產(chǎn)生“液擊”。在液擊期間產(chǎn)生的大量動載荷對井下桿柱產(chǎn)生導(dǎo)致桿斷的縱向彎曲；增加了油桿與油管的偏磨，同時發(fā)生干磨，最終發(fā)生斷裂。

2.3 介質(zhì)的影響

2.3.1 砂蠟的影響

侯市區(qū)原油蠟質(zhì)含量超過10%，結(jié)蠟較為嚴(yán)重，抽油桿上附著著大量蠟質(zhì)，液流的流動空間減少，抽油桿的載荷增加，在生產(chǎn)過程中由于增載變大，抽油桿承受的各種應(yīng)力增大，使抽油桿在外力的影響下發(fā)生斷裂。

2.3.2 含水率上升的影響

（1）含水率上升使摩擦力變大

含水越高，井液密度越大，摩擦力越大，偏磨越嚴(yán)重。同時如果井液含水較低，呈現(xiàn)油包水，那么就會在桿管之間形成很好的潤滑，磨損就會減弱。侯市區(qū)隨著開發(fā)時間的延長，含水率逐漸增大，桿柱斷裂現(xiàn)象逐年增加

（2）含水率上升使抽油桿腐蝕嚴(yán)重

侯市區(qū)從1992年開發(fā)至今，油井含水逐步上升，并且部分井是污水回注井，從而使抽油桿所處的環(huán)境越來越復(fù)雜。2013年因套管腐蝕隔采井共計25口。

侯市區(qū)開采層位主要是長6層，油井產(chǎn)出水的礦化度較高，尤其是Cl-多，水中溶解了O2、CO2、H2S等氣體后，水的腐蝕性大大增強(qiáng)。使得碳鋼的腐蝕速率大幅度提高，井液呈弱酸性，抽油桿長期在腐蝕介質(zhì)作用下，金屬表面不能形成起保護(hù)作用的鈍化膜，反而形成閉塞電池，抽油桿表面腐蝕點(diǎn)逐漸增多。在各種作用力下，腐蝕點(diǎn)處形成腐蝕裂紋，從而使桿徑不均勻、材料強(qiáng)度降低，達(dá)到臨界點(diǎn)發(fā)生斷裂。

3 防治對策

抽油桿是機(jī)械采油的基礎(chǔ)物料，其斷裂是各種因素導(dǎo)致的最終現(xiàn)象。如疲勞、偏磨、介質(zhì)影響等等，必須結(jié)合綜合因素對癥下藥。

3.1 加強(qiáng)科學(xué)管理

3.1.1 分類管理，保證下井的桿柱質(zhì)量

由于現(xiàn)場應(yīng)用中，無法對井筒內(nèi)抽油桿進(jìn)行新老區(qū)分，也無法做到斷一根抽油桿全井更換新抽油桿，所以抽油桿科學(xué)、合理分類管理尤為重要。

3.1.2 檢泵過程中抽油桿次序顛倒

在檢泵過程中往往是起出抽油桿位置和下入抽油桿位置一直，導(dǎo)致抽油桿一直受同樣的作用力，最終導(dǎo)致斷裂。建議在以后作業(yè)過程中，同一級別抽油桿下入次序進(jìn)行顛倒，降低抽油桿的疲勞系數(shù)，從而延長抽油桿的使用壽命。

3.2 防偏磨治理對策

3.2.1 嚴(yán)把鉆井完井質(zhì)量關(guān)

井徑不規(guī)則，將直接影響油井的生產(chǎn)；固井質(zhì)量不合格可能造成竄槽，水泥返高太深，上部套管失去了水泥環(huán)保護(hù)，造成套管損壞產(chǎn)生漏失，含水上升，使偏磨加劇。對于低滲油藏由于動液面較深，應(yīng)盡量使造斜點(diǎn)下移。

3.2.2 扶正防磨措施

侯市采用的扶正防磨措施有扶正器，鑄塑桿，雙向保護(hù)接箍。（1）扶正器

應(yīng)用防偏磨扶正器是降低抽油桿摩擦阻力，延長抽油桿使用壽命的有效手段，根據(jù)井斜加裝防偏磨扶正器能夠較大減緩偏磨，從而減少抽油桿斷裂頻次。

（2）鑄塑抽油桿

鑄塑抽油桿是在三扶四限抽油桿的基礎(chǔ)上把扶正塊固定在固定的位置上，以增強(qiáng)其刮蠟和扶正作用，減少因扶正塊活動而造成的脫落、卡泵事故。

（3）雙向保護(hù)接箍

采用雙向保護(hù)接箍既能保護(hù)接箍防止接箍的偏磨腐蝕，又能減少接箍表面對油管內(nèi)壁的磨損。侯市區(qū)重點(diǎn)開展防偏磨工藝優(yōu)化，將泵深優(yōu)化至距油層中深350米以上，減少桿柱載荷；在造斜點(diǎn)部位和全角變化率較大的部位使用雙向保護(hù)接箍；優(yōu)化后油井偏磨導(dǎo)致的桿柱故障幾率明顯下降。

3.2.3 桿柱組合優(yōu)化

正確設(shè)計抽油桿柱是保證抽油桿正常工作的前提。如果抽油桿柱的抗疲勞強(qiáng)度不夠，就可能發(fā)生抽油桿斷脫事故；

（1）避免油管彎曲

加長尾管僅能減輕管柱彈性彎曲，這在該區(qū)新投的油井應(yīng)用較廣。侯市老區(qū)塊總體上尾管數(shù)都在2-3根，而在長10油藏新投井，尾管數(shù)基本上都是6-8根，占到新投產(chǎn)井?dāng)?shù)的80.22%。

（2）避免抽油桿彎曲

在油井投產(chǎn)設(shè)計時，抽油桿下部可使用15%的φ22mm加重桿，使中和點(diǎn)下移，減少抽油桿偏磨。近年來桿柱優(yōu)化工作主要是將一級組合Ф19mm普通鋼或Ф19mm+Ф16mm組合調(diào)整為Ф22mm+Ф19mm+Ф16mm或Ф22mm+Ф19mm，同時減少Ф16mm抽油桿的用量。侯市區(qū)在2008年-2013年優(yōu)化桿柱175800m，效果良好。

3.2.4 地面參數(shù)優(yōu)化

侯市區(qū)地層供液能力普遍較差，目前侯市有14.1%的油井長期處于供液不足的生產(chǎn)狀況，為實現(xiàn)合理發(fā)揮油井生產(chǎn)潛力的同時，有效降低桿斷頻率，侯市區(qū)近年來不斷加大油井地面參數(shù)的調(diào)整力度。

侯市區(qū)到目前為止共安裝低轉(zhuǎn)速電機(jī)249臺，滿足抽油機(jī)可將沖次調(diào)到最小，以減少“液擊”造成的抽油桿損壞，降低了斷桿頻率。

針對產(chǎn)液能力低，抽汲參數(shù)偏大井，在保持產(chǎn)液量不變的情況下，由短沖程、高沖次，改為長沖程、低沖次，增加偏磨面積，減少偏磨次數(shù)。

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