油田抽油机井管杆断脱原因分析及综合治理对策

油田抽油机井管杆断脱原因分析及综合治理对策

薛清清1 ,张文斌2 ,李青1

1.长庆油田公司第七采油厂  2.长庆油田公司第八采油厂

摘要：抽油杆在机抽井生产中起着传递动力的作用，长期在交变载荷的作用下做周期性的往复运动，并且井下条件复杂，随着抽油杆断裂频次呈现逐渐增多，抽油杆断、脱失效已经严重影响了油田的原油产量和油井维护费，增大了吨油成本。所以，对造成抽油杆断、脱失效的影响因素进行深入的调查和分析，开展抽油杆断、脱机理及防断、脱技术对策研究，寻找有效的预防和改进措施，对于国内有杆泵抽油具有重要的现实意义和应用价值。

关键词：抽油机，杆管，断脱原因，治理对策

前言

有杆抽油设备包括了抽油机、抽油泵以及抽油杆到油管柱和液柱等诸多附件。抽油杆是有杆抽油设备中的重要部件。抽油杆在抽油机工作时发挥了传递动力的作用，承受着静载荷及各种动载荷，诸如惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等，在这种交变载荷的作用下，不断地重复有固定周期的运动，易使金属达到其疲劳极限，并且井下各种复杂的工作条件会使抽油杆发生腐蚀和机械磨损，抽油杆断裂的现象就会频繁发生。随着油田挖潜力度的不断加大，油井泵深不断增大，而老油田抽油杆老化、斜井偏磨、腐蚀等问题日益严重，使得抽油杆断脱井次不断增加，不仅困扰着油井的正常生产，而且增加了采油成本，近几年这一矛盾表现得更加突出。

1抽油机井杆管断脱原因分析

1.1疲劳破坏

抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷的作用，上部光杆承受的载荷包括：抽油杆柱的载荷，液柱载荷，抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷，抽油杆柱在运动中受的摩擦阻力，抽油管柱和油管柱的弹性引起的振动载荷，由液击引起的冲击载荷，由井斜变化、螺纹不同心、悬绳器摆动等因素造成的扭力等七方面的力。而抽油杆柱承受的载荷随深度有所变化，因此，抽油杆柱承受的不是简单的不对称循环载荷，而实际上中和点以下的抽油杆承受的是不对称拉压循环载荷，加上抽油杆柱本身未加工面积达85％以上，不可避免地会有疲劳源存在，从而产生疲劳断裂。

负荷变化引起的疲劳破坏分析：光杆负荷在上下冲程中是不相同的，在保证产量的前提下，长冲程和小冲次可以使负荷变化最小，负荷的变化主要与光杆的冲程和抽油机悬点负荷有关。由于泵阀的作用，上冲程时抽油杆承受着液柱重量，下冲程时液柱的重量便作用在油管上。因此，上冲程开始时，举升的液柱重量会使抽油杆的负荷发生突然变化，冲次愈高负荷愈大，这种负荷的突变愈强烈。由于负荷反复变化的冲击，疲劳破坏是抽油杆所有损坏形式的基本特点，疲劳破坏往往是由于弹性极限的交变压力造成的，弹性极限是不使金属产生永久变形的最大负荷。抽油杆因反复拉伸作用而产生裂纹，则属于应力疲劳破坏。疲劳破坏的抽油杆外观很特殊，其断面平滑，无缩径，与轴线垂直，疲劳裂纹开始产生于表面应力高度集中的部位，随着运行次数的增加，逐渐向径向方向扩展，承载面积逐渐缩小．应力随之逐渐增大，从而又促使裂纹扩展，当剩下的截面积小到不足以承载时，就会突然被拉断。

1.2抽油杆机械磨损

（1）底部受压弯曲致使杆管偏磨

直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时，抽油杆带着柱塞下行，固定阀关闭，排出阀打开，液柱作用在油管上，使油管伸直。而抽油杆柱承受在液柱中的重力，杆柱与液体之间的摩擦力，采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力，下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间，由于泵内液体及泵筒内壁对活塞的阻力，加之以上力的作用，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一既不受拉又不受压的中和点，中和点以下，杆柱受压失稳弯曲，弯曲的杆柱与油管内壁接触，相对运动造成杆管磨损。通过计算发现，随泵径加大，泵深增加，中和点以下长度在杆柱全长中所占比例增加，相应地杆柱弯曲越严重。现场发现下行磨损均有且较严重，说明下行杆柱受压弯曲是偏磨的主要原因。

(2)含水升高，杆管磨损加剧

当杆与管相接触发生滑动摩擦时，磨损速度与它们之问的润滑状态有关，而水的摩擦系数远远大于油的摩擦系数，含水升高，抽油杆下行时，使抽油杆的中和点下移，加剧抽油杆弯曲。

1.3抽油杆腐蚀破坏

绝大多数油井，在开发中后期产出液都会含水，而产出水中又含有各种腐蚀介质，腐蚀性微生物等，伴生气中也会有CO2、H2S等腐蚀气体，由于存在这些腐蚀介质，加上抽油杆承受的是不对称循环载荷，所以腐蚀损坏便成为油杆断裂的又一主要原因。

(1)二氧化碳的影响

地层水中含有大量的CO2，它是由地球的地质化学过程产生的，当水中有游离的CO2存在时，水呈酸性反应，钢材受游离CO2腐蚀而生成的腐蚀产物都是易溶的，在金属表面不易形成保护膜。

(2)硫化氢的影响

含硫油田中与油水共生的水往往含有硫化氢，碳钢的阳极产物铁离子与水中硫离子相结合生产硫化铁。硫化铁的溶度积很小，是一类难溶沉淀物，它常以黑色粉末或垢的形式附着在油杆表面。含H2s的水对金属材料的腐蚀破坏还有两种类型：一是氢脆，电化学腐蚀产生的氢渗入钢材内部，使材料韧性变差，引起微裂缝，使钢材变脆。二是硫化物应力腐蚀，在拉应力和残余应力作用下钢材氢脆裂纹发展，致使钢材破裂。以上两种腐蚀可能在没有任何征兆的情况下，在短时间突然发生，这应是预防的重点。

2抽油杆断脱综合防治措施

抽油杆断脱的综合防治措施要以防杆断为重点，防治断脱相结合，采取综合技术措施和管理措施，加强质量管理，杜绝不合格抽油杆下井；提高作业质量，杜绝人为因素造成事故；认真优化杆柱组合和确定合理生产参数；应用防偏磨、防腐新技术、新工艺，实行区域性综合治理，力争在短期内见到整体治理效果，以小投入带来高效益。

2.1抽油杆扶正器

杆柱扶正主要是采用扶正器，合理的配套扶正器可以达到减少杆、管接触机会，达到改善法向力，减少杆管偏磨的目的。

（1）尼龙扶正器配套抗磨接箍

根据目前大多数抽油井偏磨与腐蚀并存的特性，前期应用了尼龙扶正器与抗磨接箍配套工艺并取得了一定的效果，但应用过程中也发现了尼龙扶正器局部磨损严重失效、抗磨接箍对油管磨损严重等问题。

（2）抽油杆防脱扶正装置

抽油杆防脱扶正装置配备具有扶正耐磨功能喷焊接箍，起到扶正抽油杆、防止偏磨，减少对油管磨损的作用，同时杆头连接部分采用插接式锁紧机构，避免了抽油杆脱扣。主要针对水平井、定向井的特殊井况配套应用。

2.2杆住优化

通过采用玻璃钢抽油杆、抽油机减载器等方法降低杆柱负荷，减缓抽油杆疲劳损坏速度，延长使用寿命。根据前次修井起出的抽油杆技术状况，确定杆柱磨损部位，在对应部位应用抽油杆扶正器，同时针对中和点以下抽油杆弯曲偏磨油管的情况，在柱塞上部合理加装加重杆，消除中和点的影响.减少偏磨情况。

2.3制定合理的工作制度

一是加大调参力度，通过下调冲次，减少了杆管偏磨次数，改变了抽油杆的受力状况，达到减轻偏磨的目的；二是加大二级间隙泵的应用，在油稠、单井产量低的偏磨井应用二级间隙泵，改变柱塞与衬套间隙，减少杆柱下行阻力。

2.4采用防腐技术，减少腐蚀影响。

目前，油井加入缓蚀剂是解决油井井筒腐蚀的一种常用有效方法．其原理是通过缓蚀剂与金属表面的化学吸附，在金属表面形成牢固的表面反应膜，隔离腐蚀介质，达到保护金属，防止腐蚀发生的目的。

2.5强化生产管理

一是早发现，早处理，减少载荷突增导致杆断情况；二是建立高风险井台账，定期进行杆柱受力评价，及时优化工作制度；三是高含水油井制定合理的间开计划，或者对工况恶劣的井应定期向井内加注缓蚀剂。四是完善执行抽油杆管理办法，强化抽油杆检测、修复质量控制。五是开展抽油杆防腐、抗硫、防偏磨等技术调研，提高抽油杆适应性。

3结束语

通过上述抽油杆断脱原因的分析以及防治措施的研究，根据作业时抽油杆存在的问题进行归类分析，制定出不同的治理措施，从作业抓起，加强作业质量，完井正常生产中，定期添加缓蚀剂．断脱井的免修周期会提高很多。

参考文献

[1] 叶长新,李海涛,宗先路.抽油机井光杆断脱解决办法[J].化工管理.2019(27).129-130

[2] 赵立宁.抽油杆断脱机理及防断脱对策研究[D].中国石油大学(华东).2017