油田抽油機(jī)井油管失效原因分析

石永光 鮑振剛

【摘 要】本文從某油田某采油廠抽油機(jī)井油管失效的具體實(shí)際情況出發(fā)，分析抽油機(jī)井油管失效的特點(diǎn)及分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)油管非正常斷裂問題較為突出。通過分析研究油管非正常斷裂機(jī)理，結(jié)合薩南油田的開發(fā)特點(diǎn)，提出相應(yīng)的治理及預(yù)防措施，減少抽油機(jī)井油管非正常斷裂失效故障的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】抽油機(jī)井；油管失效；非正常失效；螺紋與斷裂

1 引言

隨著油田抽油機(jī)采油的大量應(yīng)用，抽油機(jī)井油管斷裂事故頻繁發(fā)生，給油田的正常生產(chǎn)管理帶來諸多困難，不僅使維護(hù)性措施工作量增大，原油成本增加，經(jīng)濟(jì)效益降低，同時(shí)還影響原油產(chǎn)量。截至2002年12月，某油田共有抽油機(jī)井29377口井，年累計(jì)實(shí)施維護(hù)性作業(yè)10157井次，發(fā)現(xiàn)因油管問題檢泵2499井次，占年維護(hù)性措施工作量的24.6%，其中油管絲扣斷裂1007井次占油管失效問題總數(shù)的40.3%。第二采油廠從1997～2000年4年間，累計(jì)發(fā)生油管斷裂故障798井次，累計(jì)影響原油產(chǎn)量4.5×104t。油管斷裂率由1997年的11.5%上升到2000年的16.7%，有較明顯的逐年上升趨勢。因此，分析、研究導(dǎo)致抽油機(jī)井油管失效的原因，采取行之有效的防治措施，減少及預(yù)防抽油機(jī)井油管失效故障發(fā)生，對油田可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。

2 抽油機(jī)井油管斷裂失效類型及分布規(guī)律

根據(jù)近年來抽油機(jī)井作業(yè)施工情況來看，油管在井下工作過程中發(fā)生失效故障可分為三種類型：第一種是油管螺紋斷裂失效；第二種是油管螺紋因磨損、刺壞、粘扣、機(jī)械損傷，造成的脫扣或漏失；第三種是油管管體因腐蝕、偏磨造成的管體漏失失效。在三種油管失效問題中，由于油管斷裂失效影響油井產(chǎn)量多，增加作業(yè)施工難度大，油管掉井墩彎損失嚴(yán)重，給油田開發(fā)造成嚴(yán)重危害。

3 抽油機(jī)井油管斷裂機(jī)理分析

從近幾年斷裂油管使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，斷裂油管的使用時(shí)間與斷裂率關(guān)系曲線有兩個(gè)高峰，第一個(gè)高峰在 2年內(nèi)出現(xiàn)，根據(jù)力學(xué)理論，工件在交變載荷作用下，循環(huán)次數(shù)達(dá)到1×107次時(shí)為疲勞次數(shù)，工件在超過疲勞次數(shù)時(shí)損壞，均屬正常損壞。按抽油機(jī)井沖次為每分鐘9次，經(jīng)計(jì)算，工作7年后循環(huán)次數(shù)可達(dá)到3.26×107次，已超過疲勞次數(shù)。因此，認(rèn)為第二個(gè)高峰的出現(xiàn)是屬于油管的正常損壞，而第一個(gè)高峰的出現(xiàn)是由于各種因素造成的非正常斷裂失效，這是我們分析的重點(diǎn)。

3.1 油管材質(zhì)質(zhì)量與斷裂的關(guān)系

經(jīng)調(diào)查，目前在油田上應(yīng)用的油管主要是西德、西班牙、阿根廷、日本、上海寶鋼和江蘇承德等鋼管廠生產(chǎn)的，材質(zhì)均為中碳結(jié)構(gòu)鋼（J-55級油管）。按照API標(biāo)準(zhǔn)要求，J-55油管出廠狀態(tài)應(yīng)為全長正火、正火+回火或淬火+回火熱處理工藝。而對油管抽樣檢測，發(fā)現(xiàn)部分J-55油管金相組織接近退火熱處理狀態(tài)，為此我們在同一根新油管上截取三段，進(jìn)行熱處理狀態(tài)檢測。一個(gè)直接做金相觀察，另兩個(gè)加熱840℃后，分別進(jìn)行正火和退火處理。

3.2 抽油機(jī)井現(xiàn)用偏Ⅲ型采油樹結(jié)構(gòu)與油管斷裂的關(guān)系

前幾年，為了滿足油井環(huán)空測試要求，某油田在φ70 mm整筒泵及φ56 mm以下抽油泵的井上大量應(yīng)用了偏Ⅲ型采油樹，為油田測試創(chuàng)造了條件。但從近幾年應(yīng)用情況看，偏Ⅲ型采油樹不適用于φ140 mm套管的抽油機(jī)井上，主要原因是設(shè)計(jì)偏心距為18 mm，造成油管接箍與套管內(nèi)壁干涉0.9 mm，使偏Ⅲ油管掛與第一根油管連接絲扣的根部產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。為了證實(shí)這一分析，曾應(yīng)用應(yīng)力傳感器，對安裝偏Ⅲ型采油樹、采用φ140 mm套管并發(fā)生過油管斷裂的南某井，進(jìn)行了油管載荷及應(yīng)力測試，測試結(jié)果：彎曲應(yīng)力為62.5 MPa、油管靜載荷應(yīng)力為44.2 MPa，彎曲應(yīng)力大于油管靜載荷應(yīng)力，這也是導(dǎo)致這類井易發(fā)生油管斷裂的一個(gè)主要因素。

3.3 抽油機(jī)井載荷與油管斷裂的關(guān)系

針對油管斷裂主要集中在φ56 mm和φ70 mm整筒泵上的實(shí)際，對采用φ56 mm、φ70 mm 泵的油管受力狀況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)φ56 mm泵在抽油泵工作過程中，作用在活塞上的液柱重量僅在下沖程時(shí)作用在油管上，它是油管承受循環(huán)載荷的主要原因。除活塞上較大的液柱重量使載荷變幅增大外，泵筒內(nèi)徑大于油管內(nèi)徑，使得油管在上沖程時(shí)受到一個(gè)向上的力，更進(jìn)一步加大了循環(huán)載荷的變幅，造成了φ70 mm整筒泵油管的疲勞安全系數(shù)在所有泵型中是最低的。通過對各種泵徑疲勞安全系數(shù)的初步計(jì)算，進(jìn)一步證實(shí)了上述分析的結(jié)果

3.4 液壓油管鉗使用與油管斷裂的關(guān)系

井內(nèi)管柱是由成百根管件靠螺紋連接而成，螺紋連接質(zhì)量的好壞，也直接影響油管的使用壽命，目前油田上油管連接主要靠液壓油管鉗對油管進(jìn)行上、卸扣，實(shí)驗(yàn)證明油管螺紋經(jīng)過大于1400 N·m扭矩上扣后，螺紋牙的左右側(cè)面角度發(fā)生變化，相對油管軸線偏倒，這樣的油管下入井內(nèi)，螺紋牙勢必不能良好地接觸，甚至出現(xiàn)線接觸的可能性，使油管螺紋的密封性能下降，經(jīng)測定當(dāng)螺紋牙左右側(cè)面角相差大于1°時(shí)，油管絲扣將出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。對7根油管用液壓油管鉗上扣試壓檢驗(yàn)，在每次試壓前對油管進(jìn)行多次上卸扣，共試壓17次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果后一次上扣扭矩小于前一次扭矩，油管出現(xiàn)滲漏的可能性達(dá)75% 當(dāng)搬動(dòng)換向閥手柄，使換向閥開度突然由最大變到0，再由0變到最大，液壓管路的突然切斷，能引起液體壓力沖擊，同時(shí)也會(huì)使扭矩的大小發(fā)生沖擊變化。

4 防治技術(shù)的研究及應(yīng)用效果

在對油管斷裂機(jī)理作初步分析的基礎(chǔ)上，我們加大了油管斷裂治理的力度，采取了有針對性的防斷治理措施，并取得了一定效果。在調(diào)查油田在用偏心采油樹的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷地研究、分析、改進(jìn)、完善，我們研制應(yīng)用KYPⅣ-Ⅱ型井口裝置。這種采油樹整體采用六通體設(shè)計(jì)，一次鑄造成型，內(nèi)部采用二次偏心設(shè)計(jì)，井口主體上采取法蘭連接，通過變徑鋼圈可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有不壓井工具正常連接。由于該種井口裝置采用兩次偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抽油機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)，井下油管與套管的偏心距為11 mm，使油管接箍與套管內(nèi)壁之間保持6.1 mm間隙，保證井下油管不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在測試時(shí)將油管掛轉(zhuǎn)動(dòng)1800，井下油管與套管可產(chǎn)生17 mm的偏心距，使油管接箍緊貼套管內(nèi)壁一側(cè)，并保持0.1 mm間隙，保證測試儀器順利起下。并且油管掛密封效果、測試解卡等性能均好于偏Ⅲ型采油樹。

5 結(jié) 論

（1）油管加工及修復(fù)質(zhì)量，直接影響油管在井內(nèi)的使用壽命，因此必須加強(qiáng)油管生產(chǎn)、修復(fù)質(zhì)量及檢測手段。油管掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成油管與套管內(nèi)壁發(fā)生干涉，使油管產(chǎn)生彎曲應(yīng)力也是引發(fā)油管絲扣斷裂的主要因素。因此，必須對現(xiàn)有偏心井口油管掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。能夠徹底消除目前在用偏Ⅲ型井口裝置存在的弊端，并且可以改善螺紋連接處剛度的均勻過度性，能夠有效地解決油管掛處螺紋的斷裂問題。

（2）將偏Ⅲ型采油樹油管掛，改成外加厚式油管掛，進(jìn)一步提高油管掛螺紋的連接強(qiáng)度，也是目前解決在用偏Ⅲ型采油樹易發(fā)生油管掛根部絲扣斷裂問題的有效措施。合理確定油管上扣扭矩，采取合理扭矩控制措施；制定科學(xué)有效的作業(yè)施工操作規(guī)程，減少因各種人為因素對油管螺紋造成的傷害，均能夠有效地延長油管使用壽命，降低油管斷裂率。

作者簡介：

石永光 男；出生年月 1969/10/21；籍貫江 蘇省泗陽縣；參加工作時(shí)間 1988/7；學(xué)歷 大專；工種 采油；工作單位 大慶油田采油五廠二礦；

（作者單位：大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠第二油礦）