A區塊抽油桿斷脫原因分析及預防措施

黃德勝（大慶油田采油十廠南江分公司）

引言

造成抽油機井作業的原因很多，根據A區塊近幾年的作業資料可以得到，抽油桿斷脫是造成油井作業的主要原因之一，平均占作業井總數的40%左右，控制抽油桿斷脫意義十分重大。

要采取有效地措施，降低抽油桿斷脫發生的機率，必須找到影響抽油桿斷脫的原因，下面將分析抽油桿斷脫的原因。

一、抽油桿斷脫的原因

影響抽油桿使用壽命的因素很多，在生產實際中可能因一個原因就導致抽油桿的斷脫，但絕大多數的斷脫是在多個因素共同作用，且各個因素相互滲透、相互促進的情況下發生的。

1.管桿偏磨造成抽油桿的機械磨損

管桿偏磨是油井生產過程中不可避免的，它不僅發生在斜井和定向井中，同時在直井也存在。

（1）井眼軌跡彎曲造成管桿偏磨

由于地層條件和鉆井工藝等因素的制約，油井井眼軌跡存在一定的井斜角和方位角，且多向變化。井眼軌跡是一條方向復雜多變的三維空間管道，由于抽油桿具有一定的剛性和彈性，抽油桿在彎曲的空間管道中做上下往復運動，必然會造成抽油桿的彎曲，與油管產生多個接觸點，發生摩擦，導致機械磨損。

（2）直井中抽油桿彎曲變形造成偏磨

直井抽油桿彎曲產生于下沖程。在下沖程過程中，固定凡爾關閉，游動凡爾打開。抽油桿柱承受在液柱中的重力，方向向下；桿柱與液體之間的向上的摩擦力；液體通過排除閥的液流阻力所產生的向上的反作用力；下行時特別是在活塞游動凡爾打開的瞬間，受到泵內液體及泵筒內壁對活塞的向上的阻力；前半個沖程，加速度方向向下，存在向下的慣性力，后半個沖程，加速度方向向上，存在向上的慣性力。在以上力的作用下，整個桿柱上部受拉，下部受壓，拉壓之間必然存在一個既不受拉也不受壓的中性點。根據工程力學的壓桿失穩原理，在中性點附近，抽油桿出現失穩，產生彎曲，彎曲到一定程度可使抽油桿與油管內壁發生接觸，造成偏磨。這種偏磨通常發生在靠近泵端的位置，泵上200 m以內出現的可能性最大。

2.交變載荷引起抽油桿的疲勞破壞

疲勞破壞過程是材料內部薄弱區域的組織在變動應力的作用下，逐漸發生變化和損傷累積、開裂，當裂紋達到一定程度后發生突然斷裂的過程；是一個從局部區域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。疲勞裂紋的萌生、擴展都是多次應力循環損傷積累的結果[1]。

抽油桿的工作環境較為特殊，其受力也比較復雜。在、上下沖程過程中，抽油桿的受力各不相同。

抽油桿的軸向拉力，隨抽油桿的位置不同而不同，上部的抽油桿受力比較大，下部的抽油桿受力比較小。一般情況下，抽油桿除受在液體中的重力、活塞以上液柱載荷及慣性力外，還受由于抽油桿的彈性而引起的振動力、由于液體和活塞運動不一致或泵未充滿等各種因素引起的沖擊載荷以及柱塞與泵筒，抽油桿與油管，抽油桿與液柱之間的摩擦力的作用。而且上下沖程抽油桿的受力大小差異大，上沖程中抽油桿受力大，下沖程中抽油桿的受力小。因此，抽油桿是在交變載荷的作用下做周期性的往復運動【2】。

抽油機正常工作時，抽油桿某一處所受的應力為：

p——抽油桿所受的合力fr——抽油桿柱的截面積

從式（1）中得知，應力與抽油桿的截面積成反比，桿徑越小，所受應力越大。由于抽油桿接箍除螺紋桿徑變化大，在該處存在應力集中；同時，在抽油桿管偏磨嚴重處，因機械磨損導致桿徑發生變化，也會出現應力集中。在懸點最大載荷和最小載荷的作用下，抽油桿會產生不對稱的循環應力，經過一定的循環次數后，循環應力中的最大值就可能超過抽油桿柱的極限應力，在應力集中的地方開始形成裂紋，裂紋逐漸擴展，最終導致抽油桿的斷脫。

3.生產參數的影響

沖程和沖次是抽油機井兩個十分重要的生產參數，不但影響油井的產量，同時還影響到抽油桿的受力。

驢頭帶動抽油桿和液柱做變速運動是存在加速度，因而存在慣性力，而根據《采油工程》懸點最大、最小載荷計算公式，有：

其中Pr—抽油桿柱在空氣中的重力Pl—作用在柱塞上的液柱載荷

λ—曲柄旋轉半徑r與連桿長度L之比 s—抽油機沖程

n—抽油機沖次

從式（3）、(4)得到，抽油機的沖程、沖次影響懸點最大、最小載荷，且沖次變化造成的影響效果比沖程大，因此重點考慮沖次的影響。

上沖程開始時，游動凡爾關閉，抽油桿加載；下沖程開始時，游動凡爾打開，抽油桿卸載。沖次越高，抽油桿加載卸載的頻率越高，使抽油桿產生疲勞的可能性更大。

另外，沖次越高，抽油桿上下往復運動的周期越短，偏磨井中桿管摩擦的次數就越多，對抽油桿造成的機械磨損也就越大。

二、抽油桿斷脫的預防措施

1.加大扶正器和防偏磨接箍的使用

對容易發生偏磨的井，尤其是斜井和定向井，盡量增加扶正器和防偏磨接箍的使用，對造斜段加大扶正密度。同時，采用高強度耐磨扶正器，減少扶正器的磨損速度，提高扶正效果。

2.優化抽油桿柱設計

一般情況，下部抽油桿柱受到的載荷小，使用的是強度較小的∮16的抽油桿柱。對下部抽油桿頻繁出現斷脫的井，可以采用強度較高的∮19的抽油桿柱；同時還可以適當使用加重桿，既增大了抽油桿柱的強度，又增大了抽油桿柱的下行力，使中性點位置上移，避開桿徑較小的部位。

[1]朱波.機械采油管桿偏磨原因分析與治理研究[D].哈爾濱工程大學.15.

[2]王顯豐.佟雪松.抽油桿斷脫的原因及預防措施.[J].化學工程與裝備.2009（第9期）.