現(xiàn)場樣品抽油桿腐蝕分析和靜力學(xué)仿真研究

中圖分類號：TE933.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.008

StaticsSimulation of Sucker Rod Corrosion Based on Field Samples

LI Wei'，WANGXiaofei2，GUOYangkai2，LIUHuanyu3，ZHANGYaohui3，ZHANGXin， GE Song4，MA Huijie5

（1.LongdongOilandGasDevelopmentBranch，PetroChinaChangqingOilfeld，Qingyang745Ooo，China;2.TelthOil ProductionPlantetroinaagqingOilfieldingyang7454o，ina;3.aleOilevelopmentranchen Changqing Oilfield，Qingyang74540o，China; 4.CNooc （China）Limited ZhanjiangBranch， Zhanjiang 5240oo，China; 5.FourthOilProductionPlant，PetroChinaDagangOilfieldBranch，Tianjin3Oo28o，China）

Abstract： The sucker rod serves as a core component of the mechanical oil extraction system in oilfields， and itsreliability directly affects the production efficiencyand safety of oil wells.Due tolong-term exposure to complex oil well environments，sucker rods are susceptible to corrosion and mechanical fatigue，leading to performance degradation and breakage. The causes of sucker rod corrosion and the mechanical behavior under working conditions were explored through field sample analysis and static mechanical simulation，providing a scientific basis for the design，material selection，and anti-corrosion measures of sucker rods. Chemical composition analysis，metallographic microstructure testing， scanning electron microscopy analysis，energy spectrum analysis，ion spectroscopy analysis，and produced fluid component analysis were conducted on the Grade D sucker rod samples （material： 2OCrMoA） colected in the field to determine the causes of corrosion.A three-dimensional simulation model of the sucker rod was constructed using SolidWorks，and static mechanical simulation was performed in Abaqus software to simulate the stress distribution and deformation of the sucker rod under actual working conditions.The study results indicate that the main causes of sucker rod corrosion are oxygen corrosion and hydrogen sulfide corrosion caused by high concentrations of chloride ions，dissolved oxygen in water，and hydrogen sulfide.Static mechanical simulation reveals the distribution of maximum principal stress in the sucker rod under working conditions，as wellas stressconcentration in the root area of the threads，the transition area at the base ofthe shoulder，the position where the wrench is applied，and the rod body near the upsetting flange.The simulation results also show that the axial deformation of the sucker rod is controlld within a safe range，verifying the rationality of the design.The corrosion control and maintenance of the sucker rod provide a scientific basis，which is of great engineering application value for guiding the design and material selection of sucker rods.

Key words：sucker rod; corrosionanalysis; static mechanical simulation; field sample; threaded conection

抽油桿長期處于惡劣環(huán)境中，腐蝕和斷裂問題突出，嚴(yán)重影響了油井的正常生產(chǎn)和作業(yè)安全[-4]。抽油桿的腐蝕不僅會導(dǎo)致材料損失、設(shè)備損壞，還可能引發(fā)環(huán)境污染和安全事故，深入研究抽油桿的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)措施具有重要意義[5-6]

隨著油田開發(fā)的深入，抽油桿的腐蝕問題已成為制約油田高效開發(fā)的關(guān)鍵因素。通過對抽油桿腐蝕原因的分析和靜力學(xué)仿真研究，可為抽油桿的設(shè)計(jì)、選材、防腐措施提供科學(xué)依據(jù)，延長抽油桿的使用壽命，降低油田維護(hù)成本，提高油田經(jīng)濟(jì)效益[79]。靜力學(xué)仿真作為一種有效的預(yù)測工具，可以模擬抽油桿在實(shí)際工作條件下的受力情況，預(yù)測其疲勞壽命，為抽油桿的安全運(yùn)行提供保障[10-15]

國內(nèi)外學(xué)者對抽油桿的腐蝕問題進(jìn)行了廣泛研究。國外研究主要集中在材料性能改進(jìn)、腐蝕機(jī)理分析和防腐涂層技術(shù)等方面[13-15]。國內(nèi)研究則更側(cè)重于抽油桿腐蝕原因分析、腐蝕監(jiān)測技術(shù)和防腐措施的應(yīng)用[2-4]。近年來，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法被廣泛應(yīng)用于抽油桿的靜力學(xué)仿真研究中，通過模擬抽油桿在復(fù)雜工況下的受力情況，為抽油桿的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了新的思路[16-18]。針對特定油田環(huán)境下抽油桿腐蝕與靜力學(xué)性能的綜合研究仍相對不足，特別是在現(xiàn)場樣品腐蝕分析和靜力學(xué)仿真相結(jié)合的研究領(lǐng)域，尚有較大的探索空間[19-21]。

本文以現(xiàn)場取回的材料為20CrMoA的D級抽油桿樣品及采出液為研究對象，綜合運(yùn)用化學(xué)成分分析、金相顯微組織檢測、掃描電鏡分析等方法，分析抽油桿的腐蝕原因，并探討其腐蝕機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，利用SolidWorks和Abaqus軟件進(jìn)行抽油桿的靜力學(xué)仿真分析，模擬抽油桿在實(shí)際工作條件下的受力情況，評估其結(jié)構(gòu)性能和疲勞壽命。

1抽油桿腐蝕分析

1.1 現(xiàn)場樣品采集

現(xiàn)場樣品采集自某油田的高腐蝕井區(qū)，選取了出現(xiàn)不同程度腐蝕的D級抽油桿（材料為20CrMoA）及采出液作為研究對象。采集到的油田采出液固含量約為 2.5% ，固含量采用 105°C 烘干4h后進(jìn)行測試。抽油桿進(jìn)行清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)，隨后采用干燥和封存的方式進(jìn)行預(yù)處理，以確保樣品的原始狀態(tài)不被破壞。預(yù)處理后的樣品被送往試驗(yàn)室進(jìn)一步分析測試，以揭示其腐蝕特性和原因。

1.2 采出液及抽油桿化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析是理解材料性能和腐蝕行為的基礎(chǔ)。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）技術(shù)對采出液樣品進(jìn)行定量分析，如圖1所示。采用紅外光譜儀測得烘干后采出液樣紅外譜圖，如圖1a所示。采用離子色譜儀測得的油田采出液陰、陽離子色譜圖，如圖1b、1c所示。采出液氯離子含量較高，達(dá)到 1.44% 。陽離子含有 Na⁺¹，Ca²⁺，Mg²⁺，K⁺¹，NH₄⁺¹ 等離子。其中 Na⁺¹ 和 Ca²⁺ 含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.82% 和 0.12% ，分析結(jié)果如表1所示。通過對采出液的成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除了高氯離子外，還含有一定量的硫化氫和溶解氧，這些物質(zhì)的存在為腐蝕提供了必要的化學(xué)反應(yīng)。采出液的pH值和溫度等環(huán)境因素也對抽油桿的腐蝕行為產(chǎn)生了影響。

通過對比分析結(jié)果與GB/T26075—2019標(biāo)準(zhǔn)要求，確認(rèn)了抽油桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。為后續(xù)的腐蝕分析提供了準(zhǔn)確的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3金相顯微組織檢測

通過金相顯微鏡對樣品進(jìn)行放大觀察，如圖2所示。結(jié)果顯示抽油桿桿體主要由回火索氏體和少量貝氏體組成，此組織結(jié)構(gòu)對提高材料的強(qiáng)度和韌性具有重要作用。金相分析結(jié)果表明，抽油桿的顯微組織結(jié)構(gòu)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的組織缺陷。

1.4掃描電鏡分析

掃描電鏡（SEM）分析用于觀察抽油桿表面的腐蝕形貌和微觀結(jié)構(gòu)。SEM圖像顯示，腐蝕區(qū)域存在明顯的坑洞和裂紋，這些特征表明抽油桿遭受了嚴(yán)重的局部腐蝕，如圖3所示。通過對腐蝕區(qū)域的能譜分析，發(fā)現(xiàn)高含量的氯離子、水中溶解氧及硫化氫是引起抽油桿腐蝕的主要原因。

1.5 能譜分析和離子光譜分析

能譜分析和離子光譜分析用于定量檢測抽油桿腐蝕區(qū)域的元素組成和離子含量，如表3所示。分析結(jié)果顯示，腐蝕區(qū)域的氯離子含量顯著高于非腐蝕區(qū)域，這與現(xiàn)場采出液的高氯離子含量相一致。高濃度的氯離子加劇了抽油桿的局部腐蝕，導(dǎo)致了材料快速破壞。

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1.6 腐蝕機(jī)理探討

基于分析結(jié)果，探討了抽油桿的腐蝕機(jī)理。研究表明，抽油桿的腐蝕主要是由氧腐蝕和硫化氫腐蝕引起的。氧腐蝕是由水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕過程，而硫化氫腐蝕則是由 H₂S 在水溶液中電離出的 H⁺ 、HS-和S對金屬的腐蝕作用。高氯離子含量作為腐蝕的催化劑，加劇了局部腐蝕的發(fā)展。綜合分析，抽油桿的腐蝕是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，涉及多種腐蝕介質(zhì)的相互作用。

2.抽油桿靜力學(xué)仿真

2.1 仿真模型構(gòu)建

為了精確模擬抽油桿在實(shí)際工作條件下的力學(xué)行為，研究采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建了抽油桿的詳細(xì)幾何模型。模型構(gòu)建過程中，參考現(xiàn)場樣品的尺寸數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)特征，確保模型的幾何形狀、尺寸與實(shí)際使用的抽油桿保持一致，如圖4所示。模型包括抽油桿的主體部分、螺紋以及接箍等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在抽油桿的受力和腐蝕過程中起著關(guān)鍵作用。通過幾何建模，可以對抽油桿在復(fù)雜工況下的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測和分析。

2.2 網(wǎng)格劃分策略

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的關(guān)鍵步驟，直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和效率。采用了Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對抽油桿模型，特別是螺紋區(qū)域這一形狀復(fù)雜、應(yīng)力集中的區(qū)域，采用了四面體網(wǎng)格劃分方法，更好地捕捉該區(qū)域的應(yīng)力分布特征。同時對抽油桿的扳手方、螺紋根部以及鐓粗凸緣等關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，以提高分析精度，如圖5所示。確保這些區(qū)域的應(yīng)力集中和變形情況能夠被模擬。

2.3材料屬性定義

材料屬性的準(zhǔn)確定義同仿真分析的準(zhǔn)確性相關(guān)。根據(jù)抽油桿的實(shí)際材料特性，在Abaqus中對其模型的材料性能進(jìn)行了精確定義。這些材料屬性包括質(zhì)量密度、彈性模量、泊松比等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)共同決定了材料在受力狀態(tài)下的行為表現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[12-13]的數(shù)據(jù)，將抽油桿材料的彈性模量設(shè)定為200GPa，泊松比設(shè)定為0.3，為后續(xù)的靜力學(xué)仿真分析提供可靠的材料模型。

2.4載荷施加與邊界條件

在抽油桿的實(shí)際工作過程中，其承受的載荷包括油井內(nèi)的液體壓力、桿體自重以及因井深不同而產(chǎn)生的摩擦力等。對模型施加了固定約束，以模擬抽油桿被固定在井下的狀態(tài)。根據(jù)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如表4所示），計(jì)算抽油桿（ ?22mm， 在井下工作時所受的最大載荷和最小載荷，并據(jù)此施加了交變載荷，以模擬實(shí)際工況下模型所承受的動態(tài)力學(xué)環(huán)境。

在油井中運(yùn)作時，抽油桿面臨多種力的作用。這些力包括桿體自重力、原油對其的阻力、液柱產(chǎn)生的載荷、浮力以及運(yùn)動時的慣性力。為了便于仿真分析，選擇抽油桿柱頂部的一段作為研究對象，并計(jì)算其在井下作業(yè)時承受的最大載荷，計(jì)算公式為：

最小載荷計(jì)算公式為：

式中： F 為抽油桿作業(yè)載荷， kN;F^′ 為井液中抽油桿載荷， kN;F_s 為上沖程時液柱載荷， kN;F₁ 為抽油桿在空氣中載荷， kN;s 為沖程， m;n 為沖次， min^-1 ；r為曲柄半徑， m ；為連桿長度， m 。

依據(jù)油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，繪制了抽油桿在一次沖程中懸點(diǎn)載荷隨位移變化的示功圖，如圖6所示。

將示功圖轉(zhuǎn)換為載荷隨時間變化的曲線圖，如圖7所示，反映了懸點(diǎn)載荷與抽油機(jī)運(yùn)動的關(guān)系。

在模擬一個完整的沖程周期時，對模型施加了周期性的載荷，以復(fù)現(xiàn)實(shí)際工況下的動態(tài)力學(xué)環(huán)境，如圖8所示。這一過程不僅包括了確保模型穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的必要約束，還包括了精確施加隨時間變化的交變載荷，以模擬實(shí)際運(yùn)行中遭遇的各種應(yīng)力狀態(tài)。

3靜力學(xué)仿真結(jié)果分析

3.1最大主應(yīng)力分布云圖分析

通過Abaqus軟件進(jìn)行的靜力學(xué)仿真分析，抽油桿在工作狀態(tài)下的最大主應(yīng)力分布云圖如圖9所示。分析結(jié)果顯示，抽油桿的螺紋根部區(qū)域、臺肩根部的過渡區(qū)域、扳手作用位置以及靠近鐓粗凸緣的桿體部分承受了較高的最大主應(yīng)力。這些區(qū)域由于幾何形狀的突變和應(yīng)力集中，成為潛在的高風(fēng)險區(qū)域，需要特別關(guān)注其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性。相對而言，卸荷槽臺肩和鐓粗凸緣部位由于設(shè)計(jì)具有較大的截面面積，有效分散了應(yīng)力，因此在應(yīng)力分布上顯得較為安全。

3.2 軸向形變云圖分析

軸向形變云圖分析揭示了抽油桿在工作狀態(tài)下沿軸向的形變情況，如圖10所示。仿真結(jié)果表明，抽油桿的最大形變量控制在 0.228mm 內(nèi)，這一數(shù)值遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，表明在正常工作過程中，抽油桿沿軸向的形變保持在一個極低的水平，幾乎可以忽略不計(jì)。這一結(jié)論驗(yàn)證了抽油桿在設(shè)計(jì)上的合理性與穩(wěn)定性，確保了其在長期運(yùn)行中的可靠性和性能表現(xiàn)。

3.3 應(yīng)力變化曲線分析

基于Abaqus軟件的靜力學(xué)分析結(jié)果，繪制了抽油桿在單個沖程周期內(nèi)，螺紋根部、臺肩根部、扳手作用區(qū)域以及緊鄰鐓粗凸緣的桿體部位的主應(yīng)力變化曲線如圖11所示。曲線圖直觀展示了各關(guān)鍵位置應(yīng)力的演變，抽油桿在工作過程中的力學(xué)行為特性。從圖11中可以觀察到，隨著抽油桿的上沖程進(jìn)行，其承受的應(yīng)力水平逐漸攀升，并在該沖程的頂點(diǎn)附近達(dá)到最大值，而在下沖程階段，主應(yīng)力顯著降低，呈現(xiàn)出最小值的特征。

3.4 螺紋連接段分析

螺紋連接段的靜力學(xué)分析是評估抽油桿連接穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在特定載荷作用下，抽油桿的應(yīng)力分布特征被詳細(xì)描繪。有限元分析結(jié)果呈現(xiàn)了螺紋接觸面的等效應(yīng)力分布，如圖12所示。該應(yīng)力云圖特征揭示了螺紋接觸區(qū)在不同位置的應(yīng)力集中和分散。具體來說，圖中色調(diào)的變化直接指示了應(yīng)力值的大小，使得高應(yīng)力區(qū)域一目了然，有助于評估這些區(qū)域的疲勞損傷可能性和設(shè)計(jì)優(yōu)化需求。

深人分析圖12可以發(fā)現(xiàn)，在抽油桿的桿頭與接箍的螺紋連接處，工作狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋牙尖，其峰值達(dá)到 420MPa ，遠(yuǎn)超過其他螺紋區(qū)域。而螺紋區(qū)以外的部位，等效應(yīng)力相對較小，說明這些區(qū)域的應(yīng)力較為均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。仿真結(jié)果顯示，螺紋連接區(qū)域在工作狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力集中顯現(xiàn)于螺紋的牙尖部位。這種應(yīng)力集中現(xiàn)象為裂紋的萌生提供了有利條件，一旦裂紋形成，便會沿著預(yù)設(shè)路徑擴(kuò)展，最終導(dǎo)致抽油桿的斷裂。螺紋連接的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接關(guān)系到抽油桿的使用壽命和可靠性。

3.5 不同螺紋形狀安全性能分析

為了深人探究不同螺紋根部形狀對抽油桿疲勞壽命產(chǎn)生的具體影響，針對兩種具有顯著差異的螺紋根部形狀弧形和梯形的桿頭進(jìn)行了模擬分析。梯形螺紋根部的最大等效應(yīng)力顯著地集中在螺紋牙尖，該位置的最大等效應(yīng)力值高達(dá) 592MPa ，如圖13所示?；⌒温菁y根部的最大等效應(yīng)力同樣集中于牙尖，數(shù)值為 352MPa ，如圖14所示。

根據(jù)文獻(xiàn)18-21螺紋研究及材料分析，螺紋根部的形狀是影響抽油桿疲勞壽命的關(guān)鍵因素。對比圖13＼～14的數(shù)據(jù)，明顯看出梯形根部的螺紋更容易在根部的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)使得該區(qū)域易于應(yīng)力積聚，促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生。與弧形根部的抽油桿相比，梯形根部的抽油桿在相同位置承受了更大的等效應(yīng)力，加速了裂紋的擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致抽油桿斷裂失效。結(jié)果顯示，螺紋根部形狀為梯形的設(shè)計(jì)在根部尖角位置處易于造成應(yīng)力的高度集中，相較于螺紋底部形狀為圓弧的抽油桿，梯形根部的抽油桿承受的最大等效應(yīng)力值更高，直接加速了裂紋的擴(kuò)展過程，最終導(dǎo)致了抽油桿的斷裂失效。優(yōu)化螺紋根部的形狀，特別是避免尖銳的梯形設(shè)計(jì)，可以提高抽油桿的連接安全性。

4腐蝕和仿真分析

1）腐蝕原因與仿真結(jié)果的關(guān)聯(lián)性。研究通過現(xiàn)場樣品分析，揭示了抽油桿腐蝕的主要原因，包括高含量的氯離子、水中溶解氧及硫化氫引起的氧腐蝕和硫化氫腐蝕。靜力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)一步表明，抽油桿在腐蝕介質(zhì)作用下的關(guān)鍵區(qū)域，如螺紋根部、臺肩根部等，具有較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與現(xiàn)場樣品的腐蝕特征相吻合。仿真結(jié)果支持了腐蝕分析的結(jié)論，并指出了抽油桿設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，以減少腐蝕和斷裂的風(fēng)險。

2）仿真結(jié)果對抽油桿設(shè)計(jì)指導(dǎo)。仿真結(jié)果揭示了抽油桿在工作狀態(tài)下的最大主應(yīng)力分布，為抽油桿的材料選擇和截面設(shè)計(jì)提供了參考。軸向形變云圖分析表明，抽油桿在正常工作過程中的形變控制在安全范圍內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。螺紋連接段的靜力學(xué)分析為抽油桿的連接設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化方向，特別是在螺紋根部形狀設(shè)計(jì)上，推薦采用圓弧形狀以減少應(yīng)力集中和裂紋風(fēng)險。

3）仿真分析方法的局限性與改進(jìn)。盡管仿真分析提供了有價值的方法，但也存在一定局限性。仿真模型是基于理想化條件構(gòu)建的，未能完全捕捉到實(shí)際工況中的所有復(fù)雜因素，如流體動力學(xué)效應(yīng)、溫度變化等。仿真分析中采用的材料屬性是室溫下的參數(shù)，而實(shí)際抽油桿在油田中工作時會受到高溫影響，這可能會改變材料的力學(xué)性能。未來的研究可以進(jìn)一步考慮這些因素，通過引入更復(fù)雜的邊界條件和多物理場耦合分析來提高仿真的準(zhǔn)確性。

4）改進(jìn)優(yōu)化方向。 ① 開展多物理場耦合仿真，如考慮溫度、壓力和化學(xué)腐蝕的相互作用； ② 引入更精確的材料模型，如考慮溫度和加載速率對材料性能的影響； ③ 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，以提高仿真結(jié)果的可靠性； ④ 探索基于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能仿真方法，以提高仿真效率和預(yù)測精度。

5 結(jié)論

1）腐蝕分析表明，高含量的氯離子、水中溶解氧及硫化氫是導(dǎo)致抽油桿腐蝕的主要原因，其中高氯離子含量是誘發(fā)局部腐蝕的關(guān)鍵因素。

2）靜力學(xué)仿真結(jié)果顯示，抽油桿在工作狀態(tài)下螺紋根部區(qū)域、臺肩根部的過渡區(qū)域、扳手作用位置以及靠近鐓粗凸緣的桿體部分承受了較高的應(yīng)力集中，這些區(qū)域是潛在的高風(fēng)險區(qū)域。仿真結(jié)果還表明抽油桿沿軸向的形變控制在安全范圍內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)合理性。

3）研究成果可以應(yīng)用于油田抽油桿的設(shè)計(jì)和選材，通過優(yōu)化抽油桿材料和結(jié)構(gòu)來提高其耐腐蝕性能和機(jī)械強(qiáng)度，從而延長使用壽命并降低維護(hù)成本。靜力學(xué)仿真技術(shù)可以作為預(yù)測抽油桿疲勞壽命和評估其安全性的重要工具，為油田安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

4）根據(jù)提出的螺紋根部形狀優(yōu)化建議，采用圓弧形狀螺紋可減少應(yīng)力集中，降低斷裂風(fēng)險，提高抽油桿連接的可靠性。為油田腐蝕監(jiān)測和防腐措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，有助于實(shí)現(xiàn)油田的高效和可持續(xù)發(fā)展。

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（編輯：馬永剛）