腐蝕油井抽油桿桿柱組配方法研究

孫喆

摘 要：目前采油廠桿斷躺井居高不下（42井次/月），成為制約躺井的最主要因素。本文對現(xiàn)場影響最嚴(yán)重的抽油桿腐蝕疲勞斷裂進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)目前桿柱設(shè)計(jì)、校核方法在腐蝕油井已經(jīng)明顯不適應(yīng)，為此提出了新的設(shè)計(jì)、校核辦法，并在現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用了25口井，效果良好。

關(guān)鍵詞：抽油桿桿柱組配；抽油桿腐蝕疲勞；斷裂韌度；抽油桿桿柱等壽命匹配原則

一、目前桿柱設(shè)計(jì)方法評價(jià)

（1）古德曼校核方法的原理

古德曼假設(shè)：1）、用A3C古德曼直線代替A3dC材料實(shí)際疲勞極限曲線；2）、對稱循環(huán)疲勞極限等于材料抗拉強(qiáng)度的三分之一（抗拉強(qiáng)度取下限）；3）、假設(shè)抽油桿是無缺陷。

基于上面的三條假設(shè)，古德曼校核圖版是一個(gè)偏于安全的疲勞評價(jià)辦法，更多的是抽油桿桿柱設(shè)計(jì)的一個(gè)必要條件，而非一個(gè)充分條件。

抽油桿校核公式：

a、最大許用負(fù)荷據(jù)改進(jìn)的古德曼應(yīng)力圖公式：

PA=（a·T·F+b·Pmin）· SF，（N）

SF—使用系數(shù)（寧海、勝坨油田油層礦化水為鹽水，D級桿和高強(qiáng)度El級桿為O.9，C級桿為0.65）

b、抽油桿應(yīng)力范圍百分?jǐn)?shù)：

w=（Pmax-Pmin）/（PA-Pmin）X100%≤100%

只要滿足應(yīng)力范圍<100%，即認(rèn)為抽油桿桿柱是可靠地，可以循環(huán)107。但這是一種理想環(huán)境下的校核，實(shí)際生產(chǎn)中抽油桿會(huì)因?yàn)楦鞣N原因存在缺陷，而且在復(fù)雜的腐蝕工況下抽油桿壽命也明顯偏短。

（2）勝利采油廠抽油桿失效的特點(diǎn)

1）抽油桿失效與應(yīng)力大小存在明顯關(guān)系，應(yīng)力范圍大于60%后，桿斷失效概率明顯增加。

2）腐蝕工況下，低應(yīng)力斷裂問題

2012年抽油桿大調(diào)查：全部358口井中，有腐蝕描述的共211口井，占58.9%，大調(diào)查的數(shù)據(jù)證明，勝利采油廠抽油桿腐蝕現(xiàn)象普遍存在。而腐蝕斷裂，主要變現(xiàn)為一種低應(yīng)力斷裂。

以ST3-5-144油井為例。抽油桿組合：25mm*1178.94m，機(jī)型：R16-7.3-37HF（900），理論最大負(fù)荷：88.1KN，理論最小負(fù)荷：43.62KN，理論應(yīng)力范圍：64.47%，最大負(fù)荷差：7KN，最小負(fù)荷差：-11.4KN，實(shí)際應(yīng)力范圍：64.46%。

該井抽油桿為2013年大修桿，使用319天后斷裂，形貌為典型的腐蝕疲勞斷裂。

該井67根本體上部斷裂，斷裂處的最大負(fù)荷=44.527+24.46=68.987KN；名義應(yīng)力σ =136.23MPa；D級桿抗的拉強(qiáng)度793MPa；斷裂處應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的17%；

D級桿的疲勞強(qiáng)度264MPa；斷裂處應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度的51.5%；失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)9X105。

失效表現(xiàn)為：1、遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命；2、低應(yīng)力失效；3、應(yīng)力集中處斷（腐蝕坑）。

（3）傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)的不適應(yīng)性

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，美國近五千艘全焊接自由輪，發(fā)生過一千多起脆性破壞事故。其中238艘完全報(bào)廢。當(dāng)時(shí)大量研究工作都以傳統(tǒng)的力學(xué)性能指標(biāo)為依據(jù)，采用了足夠大的安全系數(shù)，但依然不能解決問題。

這些事故和采油廠抽油桿失效存在共同的特點(diǎn)：1）、設(shè)計(jì)時(shí)采用了較大的安全系數(shù)，依然脆斷嚴(yán)重；2）、脆斷處宏觀應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度；3）、脆斷從應(yīng)力集中處開始，特別是缺口和裂紋；4）、厚截面、高變形速度，易引起脆斷。

二、腐蝕油井抽油桿設(shè)計(jì)、校核辦法研究

（1）斷裂力學(xué)基本觀點(diǎn)

觀點(diǎn)一：抗裂紋發(fā)育的能力是由材料本身決定的。斷裂韌度是材料的一種嶄新力學(xué)性能，它反映了材料抵抗裂紋開裂擴(kuò)展的能力，是由材料本身決定的。

觀點(diǎn)二：裂紋擴(kuò)展是由于缺陷引起的，且存在門檻值。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度大于ΔKth時(shí)，裂紋開始發(fā)育。相同應(yīng)力下，材料的ΔKth的大小決定了允許存在腐蝕坑的大小。

觀點(diǎn)三：抽油桿的壽命主要受腐蝕坑產(chǎn)生的時(shí)間影響。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度大于ΔKth時(shí)，裂紋開始發(fā)育，一旦裂紋發(fā)育，裂紋發(fā)育速率是原先的100倍以上。

裂紋擴(kuò)展時(shí)間一般在幾個(gè)月，因此抽油桿的壽命主要取決于腐蝕坑產(chǎn)生的時(shí)間。

（2）腐蝕油井桿柱校核及組配辦法研究

描述裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)弱的力學(xué)參數(shù)量稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子K1。

σ：名義應(yīng)力

Y1：正則系數(shù)，無量綱

a：裂紋尺寸

當(dāng)裂紋增加到一定尺寸或名義應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)，裂紋就會(huì)起裂并失穩(wěn)擴(kuò)展。

裂紋起裂擴(kuò)展時(shí)的K1值完全由材料性質(zhì)決定的常數(shù)，記為K1c，即：斷裂韌度。

根據(jù)該理論：正常油井生產(chǎn)時(shí)，必須滿足K1當(dāng)材料一定時(shí)，K1c的大小是確定不變的。1）、應(yīng)力越大，允許存在腐蝕坑就越?。?）、腐蝕坑越大，允許存在的應(yīng)力就越小。

抽油桿桿柱上、下部分，腐蝕工況的不同造成上、下部分壽命的不同。

以ST2-4C310油井為例。

該井下行阻力25.2KN，上部和下部最大負(fù)荷相差58.11KN。最上端應(yīng)力144.7MPa，最下端應(yīng)力39.2MPa。

a上/a下=39.22/144.72=1/13.6。

即下端腐蝕速率是上端的13.6倍時(shí)，上、下端壽命相等。實(shí)際情況，下端腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上端腐蝕速率。

由22mm加粗到25mm后，應(yīng)力降低，允許腐蝕坑增大1.7倍，壽命增加570天。因此，為實(shí)現(xiàn)上下壽命匹配，腐蝕油井下部抽油桿應(yīng)該加大尺寸。

三、抽油桿降應(yīng)力試驗(yàn)情況

（1）降低抽油桿使用應(yīng)力

由25mm增大到28mm后抽油桿應(yīng)力范圍降低20%左右。通過增大抽油桿直徑可以有效降低應(yīng)力范圍。

（2）提高抽油桿抗腐蝕能力

KH級抽油桿性能：KH級抽油桿的技術(shù)指標(biāo)，即：在力學(xué)性能上要滿足H級抽油桿的要求，在耐腐蝕性上滿足K級抽油桿的水平要求。針對勝利采油廠井況，選擇了KH高強(qiáng)度防腐桿進(jìn)行試驗(yàn)。KH高強(qiáng)度防腐桿主要是調(diào)高了Ni的含量到1.65-2.0%，有效提高其抗腐蝕性能。

（3）降應(yīng)力試驗(yàn)效果評價(jià)

目前，KH桿在井應(yīng)用25口，以大泵應(yīng)用為主。目前最長在井292天，效果繼續(xù)觀察中。

以ST2-6-295為例。自2010-9-6改83泵以來，已經(jīng)桿斷14井次，平均桿斷周期101天。改用28mm桿后，應(yīng)力范圍明顯下降，目前有效期達(dá)到230天。