抽油杆断脱原因分析及预防措施

抽油杆断脱原因分析及预防措施

宋妍

大庆油田第四采油厂

摘  要：随着油田抽油机井不断增多及开采时间的延长，油田开发目前处于高含水后期，出现抽油杆断脱井数不断增多的现象，本文对杆断井情况进行分析，结合现场实际，查找断脱的具体原因，针对偏磨断脱和疲劳断裂两种情况，结合现场实际情况，提出了杆断脱综合治理技术思路，使抽油杆断脱逐年上升的趋势得到控制提出了预防和减少断脱的防治措施。

关键词：抽油杆；偏磨断脱；疲劳断裂

1  前  言

随着油田开采进入高含水后期，开采难度增加，抽油机井抽油杆断裂事故的发生频率也随之增加，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅维护性措施工作量增大，原油成本增加，经济效益降低，同时还影响原油产量。分析、研究抽油杆断脱的发生原因，采取有效的防治措施，预防及减少抽油杆断脱情况发生，对油田今后的可持续发展有着极其重要的意义。

2  杆断原因分析

分析杆断脱的原因，主要由两方面导致的，一方面是由于抽油杆存在偏磨的现象，在抽油杆的往复运动中，偏磨部位越来越严重，最后导致磨断；另一方面是由于抽油杆在长期交变载荷作用下往复运动，当应力循环中的最大应力值超过了抽油杆柱许用的最大应力值时，在应力最集中的地方开始形成极细的裂纹，然后随着应力循环次数继续增加，裂纹逐渐扩展，当裂纹不断扩展到使抽油杆不能承受所加的载荷时，抽油杆就会突然断裂。

2.1  抽油杆偏磨断脱原因分析

2.1.1  沉没度的影响

正常生产的抽油井上冲程时，在沉没压力和柱塞抽吸作用下，泵游动阀关闭，固定阀打开，泵吸入液体。当沉没度高时，沉没压力增大，泵内的吸入压力也增大，使抽油杆受到一个向上的顶力，在吸入压力作用下，对柱塞上产生的上顶压力随沉没度增大而增加，因此会导致抽油杆弯曲，造成杆管偏磨加剧。

下冲程时，固定阀关闭，因此沉没度对杆弯曲没有什么影响。但由于固定阀关闭，沉没度对油管下部产生向上的顶力，当沉没度增大时，沉没度对油管下部产生向上的顶力增大，对长径比很大的油管来说，足以使油管产生弯曲。

2.1.2  井身结构

生产油井有直井和斜井两种，对于斜井，在造斜点一定范围内，油管是弯曲的，抽油泵一般安置在造斜点以下，因此在造斜点处抽油杆与油管必然发生摩擦，导致杆管磨损。对于直井，由于目前钻井技术的限制，在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差，井筒出现自然井斜，造成杆管磨损。

2.1.3 工作载荷

抽油机运行中，抽油杆柱受交变载荷的影响产生弯曲变形，从而造成杆管偏磨。上冲程时，液柱作用在柱塞和杆柱上，杆柱受拉伸直，而油管承受自身重力、液柱与油管间的摩擦力、衬套与柱塞间半干摩擦力及吸入液体通过固定阀的液流阻力，4个力的综合作用加大了油管的变形，从而产生偏磨；下冲程时，液柱作用在油管上，使油管伸直，而抽油杆柱承受自身重力、杆柱与液柱间的摩擦力、衬套与柱塞间半干摩擦力及吸入液体通过排出阀的液流阻力，此时4个方向的力的平衡点为中性点，在中性点以上，杆柱受拉伸直，中性点以下，杆柱受压而弯曲变形，与油管发生偏磨。

2.1.4 井口回压、井口盘根对偏磨的影响

油井井口回压，增加了抽油时的悬点载荷力。当井口回压增加时，相当于增加了抽油杆的重力，上冲程悬点载荷增加，下冲程悬点载荷降低。井口回压过高，悬点载荷增大，亦可造成泵漏失。在井偏角作用下，会导致杆管偏磨加剧。当井口盘根压得过紧，盘根与光杆间摩擦力增大，上冲程时加剧了抽油杆的弯曲。特别是在杆较细，下泵较深，泵柱塞与衬套配合间隙较小时更会加剧杆管偏磨。生产中，应使盘根上紧程度适中，既保证不漏油也不过紧，以减缓偏磨。

2.1.5  冲程与冲次的影响

在发生偏磨的油井中，抽油机的冲程长度和冲次大小对杆管偏磨影响较大。抽油机冲程越短偏磨部位也就越小；冲次越高，相同工作时间内偏磨的次数就越多，磨损时的相对运动速度也就越大。由此，加剧了抽油杆管的磨损，缩短了杆管的使用寿命。因偏磨作业的抽油机井28口，其中冲次超过6次以上的井20口，占总数的71.43％。

2.2疲劳断裂原因分析

2.2.1抽油杆断裂是非对称循环应力作用下发生的疲劳破坏

统计52井次抽油杆断裂井中疲劳断裂有24口井，占断杆总井数的46.15%，其断点主要集中在下部（表1）。

24口井普通杆断点分布表             表1 

从实际断点分布情况来看，我们认为抽油杆断裂不是在最大拉应力下发生，而是在交变应力作用下发生的疲劳破坏。如果在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆的断裂将主要发生在拉应力最大的上部。但是实际情况表明，在抽油杆柱的上部、中部、下部都有断裂故障的发生。

这些井在悬点最大载荷和最小载荷的作用下，抽油杆产生了非对称的循环应力，由于各种因素影响，悬点最大载荷和最小载荷发生相应的变化，抽油杆内非对称的循环应力也随之相应变化。当应力循环中的最大应力值超过了抽油杆柱许用的最大应力值时，经过一定的应力循环次数后，首先在应力最集中的地方（如刮蜡杆挡环处、抽油杆丝扣处、应力槽处或抽油杆上的缺陷处）开始形成极细的裂纹，然后随着应力循环次数继续增加，裂纹逐渐扩展。当裂纹不断扩展到使抽油杆不能承受所加的载荷时，抽油杆就会突然断裂。在裂纹扩展的过程中，由于应力的交替变化，使裂纹两边的表面时而张开，时而压紧，因而彼此磨擦和挤压，逐渐形成光滑区。当抽油杆突然断裂时，形成的断口即为粗糙区，这就是在现场观察到的抽油杆断头的脆性断裂。

2.2.2影响悬点载荷变化因素

（1） 工作参数对悬点载荷的影响

调查52井次杆断井的冲次使用情况：抽油杆断裂井中使用最大冲次的12井次，使用中档冲次的27井次，使用最低冲次的13井次，可见使用冲次过快的危害性是不容忽视的。

(2) 结蜡对悬点载荷的影响

油井在生产过程中，如果油管内结蜡严重，抽油杆下行过程中在结蜡井段的摩擦阻力增大。上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷方向向下，故增加悬点载荷；下冲程中作用在悬点上的摩擦载荷方向向上，故减小悬点载荷。也就是说，结蜡严重引起摩擦载荷的增大，而摩擦载荷又增加悬点最大载荷，降低悬点最小载荷。

3、结论及防治措施

依据抽油杆断裂事故发生的原因，结合现场实际情况，提出有针对性的防治措施：

1、通过以上分析，降低冲次可以有效的降低悬点的最大应力，因此采取大泵径、长冲程、低冲次的设计思路；

2、加强抽油杆柱强度设计，适当的应用超高强度抽油杆，对于连续使用2年以上的抽油杆，施工要求上下倒换或降级使用，最大限度地减少生产管理对抽油杆使用寿命的影响。

3、适时调整参数，合理确定油井沉没度，健全油井维护保养制度，针对偏磨严重的油井，加大技防措施的力度，严盯作业现场，确保避免由于偏磨导致高频率地作业。

4、加强生产管理，加密资料录取方式，确定合理的油井热洗周期，提高热洗质量，延缓结蜡周期。

参考文献：

[1] 陈镭.抽油机悬点最小载荷计算偏差对抽油杆柱受力状况评价的影响.石油大学学报.2000年

[2] 周鹏.悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响.大庆石油地质与开发.2006年8月

[3].张琪.《采油工程原理与设计》石油大学出版社

[4].北京钢铁学院.东北工学院编.《工程力学》.高等教育出版社

[5] 靳从起, 吕树章. 抽油机井偏磨腐蚀机理及防治对策[J]．石油矿场机械.1999年.

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