空心抽油桿螺紋黏結(jié)原因分析及預(yù)防

張朋舉，韓 軍，鞠漢良，鐘 陳，殷志杰，張仙文，王壯壯

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油吐哈油田分公司機(jī)械廠，新疆 鄯善 838202；3.中國石油吐哈油田分公司三塘湖采油廠，新疆 哈密 839009）

在傳統(tǒng)的有桿采油系統(tǒng)中，抽油桿作為動力傳輸媒介，其螺紋連接質(zhì)量對采油系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著邊際油田（稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等）的規(guī)模性開發(fā)，空心抽油桿因其特有的獨(dú)立通道，可向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降黏劑和防腐劑等，能有效地降低開采難度，增加計(jì)量層數(shù)［1］，極大地豐富了注采工藝。空心抽油桿的螺紋質(zhì)量不僅對傳遞動力產(chǎn)生影響，同時(shí)對獨(dú)立通道的密封性能產(chǎn)生影響。本文以我國西部某油田的空心抽油桿應(yīng)用情況作為研究對象，重點(diǎn)分析空心抽油桿的螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，并提出了預(yù)防螺紋黏結(jié)的相關(guān)方法。

1 空心抽油桿的螺紋結(jié)構(gòu)形式

1.1 空心抽油桿螺紋參數(shù)

根據(jù) SY/T 5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)［2］的規(guī)定，空心抽油桿桿頭外螺紋結(jié)構(gòu)如圖1所示，其接箍內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空心抽油桿的螺紋和實(shí)心抽油桿的螺紋參數(shù)一致，均為10牙/in（1 in≈25.4 mm），牙型符合ASME B 1.1—2003標(biāo)準(zhǔn)［3］的要求。某油田螺紋偏差和間隙為2A-2B級，外螺紋牙型是UNR型，其牙底輪廓為圓弧（圖1）；內(nèi)螺紋牙型是UN型，平牙底，牙底寬度為螺距的0.25倍，牙底輪廓也可為圓弧［4］。

圖1 空心抽油桿桿頭外螺紋結(jié)構(gòu)示意

圖2 空心抽油桿接箍內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)示意

1.2 空心抽油桿桿頭及接箍

根據(jù)SY/T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，空心抽油桿分為兩種形式：一種是整體鐓鍛式，另外一種是摩擦焊接式。某油田的空心抽油桿主要應(yīng)用摩擦焊接式，其桿頭如圖3所示，接箍如圖4所示。桿頭和接箍原材料均為35CrMo，其加工工藝流程如圖5所示。

圖3 摩擦焊接式空心抽油桿桿頭示意

臺肩面、端面、螺紋部分精車后，桿頭的螺紋加工采用滾壓方式，接箍的螺紋加工采用擠壓方式。

2 空心抽油桿螺紋黏結(jié)原因分析

2.1 空心抽油桿產(chǎn)品分析

2.1.1 螺紋黏結(jié)宏觀形貌

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的調(diào)查，各種規(guī)格的D級空心抽油桿都存在不同程度的螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，螺紋黏結(jié)的位置大多數(shù)集中在桿頭和接箍的前端位置，如圖6所示。

圖4 摩擦焊接式空心抽油桿接箍示意

圖5 桿頭、接箍加工工藝流程

圖6 空心抽油桿螺紋黏結(jié)形貌

2.1.2 化學(xué)成分

采用化學(xué)分析方法對出現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象的桿頭和接箍進(jìn)行分析，原材料為35CrMo，其化學(xué)成分見表1。由表1可知：桿頭和接箍的化學(xué)成分均滿足 GB/T 3077—1999 標(biāo)準(zhǔn)［5］要求。

表1 桿頭、接箍化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.1.3 金相組織

空心抽油桿的桿頭和接箍均采用調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）工藝。空心抽油桿螺紋黏結(jié)處的金相組織如圖7～8所示。從圖7～8可以看出：桿頭和接箍的大部分組織為回火索氏體，而且未見組織異常現(xiàn)象。

圖7 桿頭螺紋黏結(jié)處金相組織

圖8 接箍螺紋黏結(jié)處金相組織

2.1.4 硬 度

摩擦焊接式的空心抽油桿為直接連接式抽油桿，SY/T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)對直接連接式抽油桿的硬度值沒有明確要求。根據(jù)SY/T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)要求空心抽油桿強(qiáng)度在 795～965 MPa［2］，參照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度與強(qiáng)度換算值》標(biāo)準(zhǔn)［6］，可知摩擦焊接式空心抽油桿的硬度值為23.5～31.5 HRC。螺紋黏結(jié)的空心抽油桿硬度實(shí)測值見表2。由表2可知：桿頭和接箍硬度均符合GB/T 1172—1999標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 螺紋黏結(jié)的空心抽油桿硬度實(shí)測值 HRC

2.1.5 螺紋質(zhì)量

為了進(jìn)一步驗(yàn)證螺紋加工的質(zhì)量，按照空心抽油桿螺紋檢測規(guī)程，對同批次的螺紋加工質(zhì)量和精度進(jìn)行檢測，結(jié)果均滿足SY/T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 現(xiàn)場使用情況

空心抽油桿的現(xiàn)場使用過程，與螺紋保護(hù)狀態(tài)、螺紋連接過程、專用工具與空心抽油桿的結(jié)合、裝卸及擺放密切相關(guān)。

2.2.1 螺紋保護(hù)狀態(tài)

該油田的空心抽油桿主要用于稠油摻稀開采工藝，油桿在使用前經(jīng)過高溫蒸汽（約300℃）逐根清理其內(nèi)外壁，保證桿頭、桿體、接箍均無油污。在使用過程中，均沒有對螺紋進(jìn)行潤滑，由于高溫蒸汽已經(jīng)將加工時(shí)的油膜徹底清除，導(dǎo)致螺紋在連接過程中沒有得到必要的潤滑。

2.2.2 螺紋連接過程

現(xiàn)場均采用人工管鉗連接的方法，空心抽油桿在螺紋的擰緊、卸除過程中，桿柱均未采用扶正裝置，完全依靠人為感覺。

2.2.3 專用工具與空心抽油桿的結(jié)合

空心抽油桿提升時(shí)，采用提升油管類似的吊卡，吊卡與大鉤之間為吊環(huán)硬連接。

2.3 螺紋黏結(jié)原因分析

在現(xiàn)場使用過程中，螺紋黏結(jié)現(xiàn)象是指螺紋在非理想光滑狀態(tài)下出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象，產(chǎn)生螺紋磨損。主要表現(xiàn)形式是黏著磨損和磨料磨損。

（1）黏著磨損。如果空心抽油桿在引扣或即將結(jié)束卸扣時(shí)桿體發(fā)生傾斜，容易導(dǎo)致螺紋擠壓強(qiáng)度過大，隨即產(chǎn)生扭矩過大，在局部接觸點(diǎn)產(chǎn)生高溫，在缺少潤滑的條件下，外螺紋和內(nèi)螺紋表面同性金屬直接接觸，最后在局部高接觸壓力和摩擦力作用下使表面層金屬擴(kuò)散、壓接而黏合，形成黏結(jié)點(diǎn)，在隨后外螺紋和內(nèi)螺紋表面的相對運(yùn)動中，出現(xiàn)舊黏結(jié)點(diǎn)被剪切和新黏結(jié)點(diǎn)不斷形成的循環(huán)局面，并發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。

（2）磨料磨損。由于在現(xiàn)場使用中抽油桿的拆卸比較頻繁，螺紋在旋進(jìn)過程中顆粒狀雜物（螺紋毛刺、砂塵等）對摩擦面起到切削和犁刨作用，引起表面材料脫落［7-11］。

3 預(yù)防措施

在現(xiàn)場使用過程中，雖然采用高溫蒸汽清理了空心抽油桿內(nèi)外壁，但是螺紋處的顆粒、砂塵無法清除干凈。在空心抽油桿下井前建議使用柴油和軟尼龍刷對螺紋端逐根清理，然后在螺紋和密封圈處涂抹鋰基潤滑脂，達(dá)到SY/T 5643—1995《抽油桿維護(hù)與裝卸推薦作法》標(biāo)準(zhǔn)［12］中的規(guī)定。螺紋連接處必須完全清潔、無損傷、潤滑良好，接觸臺肩面前可隨意轉(zhuǎn)動。

在螺紋的擰緊和卸除過程中，采用人工或者機(jī)械方式進(jìn)行扶正，吊卡與大鉤頂部的連接盡量采用軟連接，以便底端螺紋連接處有較大自由度扶正。空心抽油桿的最小規(guī)格為Φ34 mm×5.5 mm，外徑超過了1 in（25.4 mm）。根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋（UN和UNR螺紋牙型），8牙/in的UN螺紋已經(jīng)廣泛替代了粗牙螺紋應(yīng)用在外徑超過1 in的鋼管上［3］，所以建議將8牙/in作為空心抽油桿螺紋形式的研究方向，這樣螺距增大后，更加方便引扣，發(fā)生螺紋黏結(jié)的可能性會進(jìn)一步減小。

4 結(jié) 論

（1）空心抽油桿出現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該從產(chǎn)品自身質(zhì)量和現(xiàn)場操作兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

（2）分析發(fā)現(xiàn)，該油田的空心抽油桿制造質(zhì)量均可以滿足現(xiàn)行制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（3）發(fā)生螺紋黏結(jié)的主要原因是現(xiàn)場的不規(guī)范操作，缺乏相關(guān)的保障方式。

（4）現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，將螺紋螺距進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)評價(jià)，以推動空心抽油桿在多種工況下的適應(yīng)性。

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［4］玉門油田分公司（局）機(jī)械廠，國家發(fā)展和改革委員會.SY/T 5029—2006抽油桿［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

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［6］中國計(jì)量科學(xué)研究院，中國航空工業(yè)總公司第三〇四研究所，中國航空工業(yè)總公司第六二一研究所，等.GB/T 1172—1999黑色金屬硬度與強(qiáng)度換算值［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

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