抽油桿斷脫原因分析

馬朝陽

摘要：影響抽油桿正常工作的因素有油桿磨損嚴(yán)重、疲勞破壞、油桿載荷過大、人為因素。通過近年來現(xiàn)場觀察分析，在坪橋區(qū)塊因腐蝕情況造成的損壞并不多，而主要是因?yàn)橛蜅U結(jié)蠟結(jié)垢嚴(yán)重造成的。

關(guān)鍵詞：坪橋區(qū)；抽油桿；斷脫

1、抽油桿磨損

1.1 井斜的影響

坪橋區(qū)油井700口，其中斜井占其總井?dāng)?shù)的78.5%。在斜井中，管桿隨套管井眼軌跡彎曲，斜度越大，管桿磨損越嚴(yán)重。通常，人們只注意油井的垂直斜，而實(shí)際上，在斜井中，特別是定向井中，方位斜與垂直斜同樣嚴(yán)重影響管桿磨損，并且不易為人們所發(fā)現(xiàn)，這就是部分井斜并不大，但確是造成管桿磨損的重要原因。在彎曲度（狗腿度） 較小的地方，油管內(nèi)壁和抽油桿節(jié)箍產(chǎn)生磨擦，油管偏磨面積較大，磨損較輕。而彎曲度越大的地方，不僅油管內(nèi)壁與抽油桿節(jié)箍產(chǎn)生磨擦，油管內(nèi)壁與抽油桿本體也產(chǎn)生磨擦，油管偏磨面積較小，磨損較嚴(yán)重。在抽油桿柱的上部，表現(xiàn)為單面偏磨（見圖1） ，偏磨的正壓力較大，上沖程和下沖程均產(chǎn)生摩擦，偏磨嚴(yán)重。這種偏磨往往把油管磨穿，是偏磨現(xiàn)象中最常見，也是破壞性最大的一種。在抽油桿柱的中性點(diǎn)以下，為雙面偏磨。上沖程時(shí)，由于井斜使抽油桿與油管內(nèi)壁的一側(cè)面產(chǎn)生偏磨，下沖程時(shí)，由于管內(nèi)各種阻力與重力的綜合作用，使抽油桿彎曲，并與油管內(nèi)壁的另一側(cè)面產(chǎn)生偏磨，這樣就使被偏磨的節(jié)箍斷面呈圖1b 和1c 所示的形狀，同時(shí)使油管桿對應(yīng)的兩側(cè)面磨成深槽，甚至被磨穿。

1.2 高含水率的影響

產(chǎn)出液含水越高，磨損越嚴(yán)重。原因是產(chǎn)出液含水率低時(shí)，管桿摩擦面處于良好的油潤滑狀態(tài)，動摩擦因數(shù)較小，磨損較輕；當(dāng)產(chǎn)出液含水高時(shí)，管桿摩擦處于水潤滑狀態(tài)，動摩擦因數(shù)大大增加，加快了管桿磨損。

2 、抽油桿疲勞

2.1 組合不合理引起的疲勞破壞分析

根據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，抽油桿工作時(shí)承受著交變載荷，在交變載荷作用下，抽油桿柱往往是由于疲勞而發(fā)生破壞，而不是在最大拉應(yīng)力下發(fā)生破壞。

如果在最大拉應(yīng)力下發(fā)生破壞，那么抽油桿的斷裂事故，將主要發(fā)生在最大拉應(yīng)力的上部。目前的斷裂現(xiàn)象正合乎在最大拉應(yīng)力下發(fā)生破壞這一個(gè)現(xiàn)象。因此，應(yīng)用最大拉應(yīng)力與許用應(yīng)力比較來校核強(qiáng)度。這里重點(diǎn)對組合不合理造成的抽油桿斷裂井進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2負(fù)荷變化引起的疲勞破壞分析

光桿負(fù)荷在上下沖程中是不相同的，在保證產(chǎn)量的前提下，長沖程和小沖次可以使負(fù)荷變化最小，負(fù)荷的變化主要與光桿的沖程和抽油機(jī)懸點(diǎn)負(fù)荷有關(guān)。由于泵閥的作用，上沖程時(shí)抽油桿承受著液柱重量，下沖程時(shí)液柱的重量便作用在油管上，因此，上沖程開始時(shí)，舉升的液柱重量會使抽油桿的負(fù)荷發(fā)生突然變化，沖次愈高負(fù)荷愈大，這種負(fù)荷的突變愈強(qiáng)裂。坪34-171、坪34-172就是屬于光桿負(fù)荷疲勞使得光桿斷裂。

由于負(fù)荷反復(fù)變化的沖擊，疲勞破壞是抽油桿所有損壞形式的基本特點(diǎn)。疲勞破壞往往是由于低于彈性極限的交變應(yīng)力造成的，彈性極限是不使金屬產(chǎn)生永久變形的最大負(fù)荷。抽油桿因反復(fù)拉伸作用而產(chǎn)生裂紋，則屬于應(yīng)力疲勞破壞。

疲勞破壞的抽油桿外觀很特殊，其斷面平滑，無縮徑，與軸線垂直。疲勞裂紋開始產(chǎn)生于表面應(yīng)力高度集中的部位，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，逐漸向直徑方向擴(kuò)展，承載面積逐漸縮小，應(yīng)力隨之逐漸增大，從而又促使裂紋擴(kuò)展，當(dāng)剩下的截面積小到不足以承載時(shí)，就會突然被拉斷。安塞目前抽油桿斷口都屬于這種類型。

2.3 抽油桿超限期使用引起的疲勞破壞分析

D級抽油桿可承受的循環(huán)應(yīng)力周次在0.85—1.5*107次之間，而桿柱所受應(yīng)力在130—180KN之間。坪橋油井沖次在3—7次/分，采油時(shí)率按99%計(jì)，則抽油桿的安全使用期限為2.5—5.3年左右。長期的開采和使用，承受多變載荷、磨損、腐蝕及重量的井下作業(yè)，油桿抗拉強(qiáng)度、安全系數(shù)等能力逐漸降低，抽油桿產(chǎn)生疲勞斷裂。斷裂油井抽油桿幾乎為投產(chǎn)兩年以上的舊抽油桿。

3 抽油桿載荷過大

3.1 油井結(jié)蠟結(jié)垢嚴(yán)重

由于油井結(jié)蠟、結(jié)垢，抽油桿下沖程時(shí)阻力增大，導(dǎo)致受壓縱向彎曲與油管內(nèi)壁的另一側(cè)產(chǎn)生偏磨同時(shí)使油管桿對應(yīng)的兩側(cè)面磨成深槽，甚至被磨穿。在有蠟、垢井中，蠟、垢質(zhì)很容易附著在桿管上，減少井液的流動空間，這樣就增加了抽油桿的重量和井液的流動阻力；流動阻力又通過活塞轉(zhuǎn)嫁到抽油桿上，使抽油桿的載荷過大，最小工作應(yīng)力變小，最大工作應(yīng)力變大，從而使抽油桿容易發(fā)生斷裂。根據(jù)坪橋2011年上半年油井?dāng)嗔褦?shù)據(jù)有44%的油井是因?yàn)榻Y(jié)蠟結(jié)垢嚴(yán)重造成。

3.2 工作參數(shù)偏大造成液擊現(xiàn)象

目前坪橋作業(yè)有三分之一的油井供液不足，由于工作參數(shù)過大，產(chǎn)生液擊現(xiàn)象造成振動載荷加劇，造成油桿斷脫。當(dāng)泵的能力超出地層流體流入井底的流量時(shí)，通常發(fā)生液擊。在這種情況下，在上沖程時(shí)泵筒不能完全充滿液體。當(dāng)下沖程開始時(shí)，游動凡爾應(yīng)當(dāng)打開卻沒有打開，柱塞承擔(dān)了全部流體載荷開始下沖程。接著，當(dāng)柱塞撞擊泵筒中的液面時(shí)，突然的撞擊力就沿著桿柱傳到了地面。在液擊期間產(chǎn)生的大量動載荷對井下桿柱產(chǎn)生有害的影響：桿柱遇到能導(dǎo)致桿斷的縱向彎曲。使抽油桿斷裂。

4 人為因素

4.1油桿質(zhì)量問題

少數(shù)抽油桿斷裂面是不平整的，很粗糙，沒有一個(gè)完整的平面；沿抽油桿軸向上有比較明顯的“分離層”，說明抽油桿內(nèi)部的金屬微結(jié)構(gòu)不均勻，從而導(dǎo)致抽油桿強(qiáng)度的不均衡性。在抽油桿的實(shí)際使用過程中，交替變化的負(fù)荷首先使抽油桿在強(qiáng)度較弱的部分發(fā)生破壞，致使該部分油桿強(qiáng)度降低，導(dǎo)致抽油桿在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂。

4.2抽油桿受到彎曲、敲擊、碰撞等使用不當(dāng)造成斷裂

抽油桿在運(yùn)送過程中不可避免的出現(xiàn)擠壓，在下井過程中碰撞井口，以及裝卸、擺放油桿過程中野蠻裝卸、猛提猛放等均能造成油桿人為損壞。桿體表面被擦傷或碰傷而出現(xiàn)凹坑、刻痕。抽油桿服役時(shí)，這些表面缺陷就會因局部應(yīng)力集中而形成疲勞源，導(dǎo)致疲勞斷裂。而且，當(dāng)處于腐蝕環(huán)境中，這些凹坑和刻痕還會加快腐蝕的速度，引起疲勞斷裂。另外.在施工中嚴(yán)重磨損的抽油桿吊卡有時(shí)損傷桿頭的頸部，也會引起疲勞斷裂。

4.3 施工不當(dāng)管理不合理

作業(yè)監(jiān)督管理不合理，不到位?，F(xiàn)在修井都是外雇隊(duì)伍，責(zé)任心不強(qiáng)，不能確保施工合格率。如作業(yè)時(shí)桿下井前上扣扭矩未上緊未上滿，人為因素造成抽油桿脫扣。