抽油桿斷裂原因

陳小琴, 杜志杰, 李 歡

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300459; 2.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司, 西安 710065)

抽油桿是機(jī)械采油系統(tǒng)中連接抽油機(jī)和抽油桿柱的重要零件之一,其服役過程中的安全穩(wěn)定性對油氣資源開采至關(guān)重要。抽油桿柱的長度可達(dá)2 000 m,其由長度為8 m、直徑為28 mm的獨(dú)立桿組成,這些桿通過螺紋聯(lián)軸器相互連接,抽油桿是兩端都有桿頭的圓柱形桿,其橫截面的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生在柱塞向上運(yùn)動過程中,主要取決于柱塞的深度[1]。在提升和下降過程中,抽油桿受拉-壓疲勞應(yīng)力和采出液腐蝕的綜合作用,且服役工況復(fù)雜,因此抽油桿失效事故頻發(fā),給油田造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。某油田采用深抽工藝后,頻繁發(fā)生抽油桿斷裂現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了油田的安全生產(chǎn)。

該斷裂抽油桿的材料為35CrMo鋼,外徑為25 mm,長度為8 m,抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位。該抽油桿入井運(yùn)行182 d后發(fā)生斷裂事故,生產(chǎn)過程中最大載荷為125.2 kN,交變載荷為70.7 kN。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對該抽油桿斷裂的原因進(jìn)行分析,并提出預(yù)防措施,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂抽油桿的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：該抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位,斷口起源于外壁腐蝕坑,呈應(yīng)力臺階特征;源區(qū)對應(yīng)的外壁腐蝕程度較嚴(yán)重;70%斷面較平坦,為斷口擴(kuò)展區(qū),該區(qū)域呈貝紋線宏觀特征;斷口最終斷裂區(qū)呈45°剪切唇特征,符合腐蝕疲勞的典型特征。

圖1 斷裂抽油桿的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂抽油桿的桿體上取樣,用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：該斷裂抽油桿的材料可能為35CrMo鋼。

表1 斷裂抽油桿的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

在斷裂抽油桿上取樣,對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。其中拉伸試驗(yàn)采用全截面棒狀試樣,試驗(yàn)溫度為室溫, 拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。沖擊試驗(yàn)采用縱向夏比沖擊試樣,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長度×寬度×高度),開U型缺口,試驗(yàn)溫度為21 ℃,沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表2,3可知：該抽油桿的拉伸性能和沖擊性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但其抗拉強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限,屈服強(qiáng)度比較高,斷后伸長率接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。

表2 斷裂抽油桿的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

在斷裂抽油桿上取樣,對試樣進(jìn)行硬度測試,試樣高度為20 mm,測試結(jié)果如表4所示。由表4可知：該抽油桿的硬度分布較為均勻,為37.5～38.5 HRC。

1.4 金相檢驗(yàn)

在斷裂抽油桿上切取試樣,對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：抽油桿心部組織為回火索氏體;斷口外壁有腐蝕坑和脫碳現(xiàn)象,脫碳層深度約為0.05 mm,部分腐蝕坑底部存在裂紋。

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在斷裂抽油桿斷口處取樣,將試樣清洗后在SEM下觀察其微觀形貌,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：根據(jù)斷口紋路的收斂方向,可以確定斷裂起源于外壁腐蝕坑,源區(qū)存在應(yīng)力臺階,擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋花樣。

圖3 斷口SEM形貌

對抽油桿斷口表面進(jìn)行能譜分析,分析位置如圖4所示,分析結(jié)果如表5所示。由表5可知：斷口表面Fe、O和S等元素的含量較高,表明斷口表面覆蓋有Fe的氧化物和硫化物等腐蝕產(chǎn)物。

圖4 斷口能譜分析位置示意

2 綜合分析

研究表明,該類抽油桿易發(fā)生腐蝕疲勞失效。抽油桿斷裂分為兩個階段,前期的硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致抽油桿強(qiáng)度降低,并產(chǎn)生應(yīng)力集中,后期在交變載荷作用下,抽油桿發(fā)生疲勞斷裂[3]。抽油桿斷裂的主要原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開裂引起的腐蝕疲勞斷裂[4]。在井液的腐蝕的作用下,抽油桿表面保護(hù)層(防銹漆、噴丸層等)破壞處首先發(fā)生腐蝕,并形成深淺不一的腐蝕坑,在拉-拉交變載荷的作用下,從最深的腐蝕坑底產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致抽油桿發(fā)生斷裂[5]。

該抽油桿斷裂于外螺紋接頭過渡圓弧部位,斷口起源于外壁腐蝕坑,源區(qū)有應(yīng)力臺階;擴(kuò)展區(qū)較平坦,有貝紋線特征,微觀特征為疲勞輝紋;最終斷裂區(qū)呈45°剪切唇特征;斷口表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物。說明該抽油桿呈腐蝕疲勞斷裂特征。

該抽油桿的拉伸性能和沖擊性能標(biāo)準(zhǔn)要求,全截面硬度分布均勻,因此可排除抽油桿材料的問題。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,該油田的油井供液能力下降,因此改用深抽工藝,該工藝推廣后,抽油桿斷裂頻次增加,說明抽油桿斷裂與深抽工藝有關(guān)。深抽工藝使得泵掛加深,抽油桿柱變長,導(dǎo)致上沖程中作用在懸點(diǎn)上的抽油桿載荷、作用在柱塞上的液柱載荷、懸點(diǎn)最大慣性載荷、最大摩擦載荷和振動載荷等增大,進(jìn)而導(dǎo)致抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷增大,即井口抽油桿的拉伸載荷增大,增大了抽油桿的平均應(yīng)力。根據(jù)疲勞理論,平均應(yīng)力增大會縮短構(gòu)件的疲勞壽命。

由能譜分析結(jié)果可知：斷口表面S元素的含量較高,說明斷口表面覆蓋含有Fe元素的硫化物,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)抽油桿的服役環(huán)境中硫化氫含量較高,推測抽油桿發(fā)生了硫化氫腐蝕[6]。

該抽油桿外壁腐蝕嚴(yán)重,存在腐蝕坑,底部存在微裂紋,腐蝕坑部位存在較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的時間縮短,降低了抽油桿的抗疲勞性能。

抽油桿鐓粗法蘭附近桿體處的主應(yīng)力最大,表明該處最容易發(fā)生疲勞破壞,卸載槽肩和鐓粗法蘭區(qū)域相對安全,因?yàn)槠錂M截面積大,產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性較小。該抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位,斷裂位置為抽油桿的主應(yīng)力最大部位,易發(fā)生疲勞破壞。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,交變載荷大于45 kN的抽油桿斷裂占比為64.1%,泵深大于2 800 m的抽油桿斷裂占比為76.9%,沉沒度小于500 m的抽油桿斷裂占比為65.1%。因此可以看出,交變載荷、泵深和沉沒度是影響油井抽油桿斷裂的重要因素。

隨著抽油泵沉沒度的增加,沉沒壓力就會增大,上沖程中吸入壓力作用在活塞上產(chǎn)生的載荷增大,可相應(yīng)地降低抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷;但增加沉沒度就會使泵深增加,抽油桿柱長度也隨之增加,導(dǎo)致懸點(diǎn)最大載荷增大。因此,應(yīng)找到兩者的最優(yōu)控制點(diǎn),使得抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷達(dá)到最小。

從交變載荷頻率考慮,抽油桿在一定應(yīng)力幅值下工作時的疲勞壽命是一定的,降低交變載荷的頻率,并使用長沖程、慢沖次抽油機(jī),可有效延長抽油桿的使用時間。因此,建議采用長沖程抽油機(jī)進(jìn)行采油,同時降低沖次,延長總服役時間。

該抽油桿外壁存在輕微脫碳現(xiàn)象,脫碳層深度約為0.05 mm,脫碳層會對其抗疲勞性能產(chǎn)生一定的影響,因?yàn)槊撎紝拥臐B碳體數(shù)量較少,其強(qiáng)度和硬度較低,脫碳層處更容易萌生疲勞裂紋,導(dǎo)致材料的抗疲勞性能下降。建議對熱處理或軋制工藝進(jìn)行改進(jìn),避免抽油桿在制造過程中發(fā)生表面脫碳現(xiàn)象。

該抽油桿的材料為35CrMo鋼。研究表明,35CrMo鋼在含硫化氫溶液中具有明顯的局部陽極溶解現(xiàn)象,在點(diǎn)蝕坑內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)點(diǎn)蝕坑生長到一定深度和尺寸后,應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的交互作用會促進(jìn)裂紋的萌生和長大,直至材料斷裂。因此,建議將抽油桿材料由35CrMo鋼改為30CrMo鋼,適當(dāng)增加Cr元素和Mo元素的含量,可補(bǔ)償強(qiáng)度損失,使材料的耐腐蝕、應(yīng)力腐蝕能力增強(qiáng)。也可通過增大抽油桿直徑的方式來減小抽油桿承受的應(yīng)力。

3 結(jié)論及建議

該抽油桿斷裂性質(zhì)為腐蝕疲勞,斷裂的主要原因?yàn)椋河途挠蒙畛楣に嚭?抽油桿承受了較大的拉伸載荷,增大了抽油桿的平均應(yīng)力,縮短了抽油桿的疲勞壽命;在抽油過程中,對抽油桿進(jìn)行上提下壓,為抽油桿腐蝕疲勞提供了交變載荷;油井內(nèi)含有硫化氫,對抽油桿外壁產(chǎn)生腐蝕作用,導(dǎo)致抽油桿外壁產(chǎn)生腐蝕坑,腐蝕坑底部應(yīng)力集中程度較大,在交變載荷的作用下,腐蝕坑底部產(chǎn)生微裂紋,微裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致抽油桿斷裂。

建議適當(dāng)降低抽油桿承受的應(yīng)力,選用抗硫抽油桿,并對介質(zhì)進(jìn)行除硫處理。對熱處理或軋制工藝進(jìn)行改進(jìn),避免抽油桿在制造過程中發(fā)生表面脫碳現(xiàn)象。