塔中油田稠油井空心抽油桿斷裂原因及對策

孟祥娟，陳德飛，潘昭才，白曉飛，曹建洪，任利華

(中國石油塔里木油田分公司 油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000)

塔中X井區位于塔中低凸起北部斜坡鼻狀隆起帶的塔中XX號構造帶，該區地溫梯度為2.1 ℃/100 m，油藏中深溫度為112.7 ℃；地層壓力系數為1.18，油層中部孔隙壓力為51.2 MPa；該區原油粘度達9 588～11 430 mPa·s，密度為0.952 g/cm3，表現為較高粘度、密度、膠質瀝青質的原油特性；油藏地層水水型為CaCl2型，礦化度達10×104mg/L[1]。

研究井區為保障稠油油藏的順利開采，目前普遍采用空心桿電加熱的方式進行開采，該工藝在應用過程中加熱深度及溫度可調，并且管理方便[2-5]。空心抽油桿采油過程中在多種載荷的共同作用下將導致直徑變徑處存在應力集中，容易在該處產生疲勞裂紋[6-7]；若空心抽油桿的運行環境中存在CO2、腐蝕微生物等腐蝕介質，在腐蝕作用下必將加劇抽油桿的斷裂[8]。TZXX井在短時間內即發生空心抽油桿斷裂，縮短檢抽周期，嚴重影響油井生產時效并額外增加作業費用。為此，筆者以TZXX井斷裂空心桿為研究對象，將斷裂空心桿分別開展化學成分分析、金相分析、力學性能分析、斷口微觀形貌分析以及腐蝕分析，以探索空心抽油桿斷裂原因，并制定合理的解決對策，保證空心抽油桿在稠油井的長期使用。該研究能夠為后期空心抽油桿在類似油井的運用提供理論指導。

1 空心抽油桿斷脫現象

為保證TZX區塊稠油開采，TZXX井采用空心抽油桿電加熱的方式進行開采，該井空心桿在入井第103 d，光桿運行到上死點后下行遇阻，熱洗后光桿上部接電纜三通處冒油，判斷為空心桿穿孔或斷脫。檢抽起甩桿柱期間大鉤懸重僅2.5 t，判斷為上部空心桿斷脫。現場起至第86根時發現距離上部接頭110 mm處斷裂(圖1)。

現場實物觀察得出斷裂空心抽油桿沿橫向完全斷裂，斷口距離焊縫約45 mm。斷裂空心桿的斷口呈深褐色，較為平整，在斷口周圍未見縮頸變形現象，并且部分斷面呈鋸齒狀，具有明顯的裂紋區、瞬斷區和裂紋擴展區四個特征區，根據斷口的宏觀形貌圖結合理論實際可初步推斷該空心桿的斷裂屬于脆性斷裂。

2 空心抽油桿斷脫原因分析

2.1 化學成分分析

空心抽油桿的化學成分對其硬度、韌度及抗氧化性等具有較大影響，為檢測斷裂空心桿在化學成分是否符合標準GB/T 3077-1999對空心桿材質35CrMoA的要求，運用光譜儀對斷裂空心桿進行了化學成分分析，結果如表1所示。

表1 化學成分分析結果

根據檢測結果可得，該斷裂空心桿的化學成分符合標準對35CrMoA材質的要求。

2.2 金相分析

目前國內外空心抽油桿生產過程中多采用摩擦焊接將空心抽油桿的本體無縫鋼管與接頭進行連接，焊縫表面往往較桿體略高，變徑處容易出現應力集中，是一個薄弱點[9]。為驗證斷裂抽油桿的材質是否存在異常，運用金相顯微鏡對桿體及斷口處進行了金相分析，顯微觀察結果如圖2所示。

根據裂紋分析結果可得斷面裂紋擴展后期可見一條二次裂紋，該裂紋較為平直并且未分叉，表明裂紋周圍組織無異常。

摩擦焊的熱影響區域較窄，而金相分析結果也表明斷裂空心桿的桿體與斷口的顯微組織一致，表明空心桿的斷裂位置在焊縫熱影響區外，說明該斷裂桿的焊接工藝是合理的。

2.3 力學性能分析

空心抽油桿在運行過程中發生斷裂的原因可能是因為桿的強度不滿足設計需求，為研究該斷裂空心桿是否因強度過低而造成斷裂，研究過程中按照GB/T 231.1-2009在抽油桿桿體上取試樣并開展布氏硬度實驗，結果如表2所示。

表2 拉伸實驗結果

根據實驗結果可得發生斷裂的空心桿拉伸性能不符合標準SY/T 5550-2012對HL鋼級的要求，該斷裂空心桿的抗拉強度高于標準規定的最高值，并且在拉伸實驗過程中未出現明顯屈服現象，未能檢測出標準要求下的屈服值。根據現場實際數據得到空心桿的平均抗拉強度遠高于抽油系統實際承受載荷(32～135 kN)，然而空心桿的強度并不是越高性能越好，采油過程中在交變載荷的作用下，若采出液中存在腐蝕介質，強度過高將降低疲勞壽命，誘發疲勞裂紋的產生，致使空心桿斷裂。

2.4 微觀分析

為能夠對斷口形貌進行更好地表征，在空心桿斷口處進行取樣并運用試劑進行清洗，采用高倍顯微鏡進行觀察，結果如圖3所示。

圖3a)為斷口裂紋源區的微觀形貌圖，該樣品的裂紋源區位于外表面側，較為平坦但存在明顯磨損擠壓特征；圖3b)為斷口處裂紋擴展區的微觀形貌，表面被大量腐蝕產物所覆蓋，局部區域還存在以一定間距平行排列的二次裂紋帶，且與斷口主裂紋擴展方向垂直，表明其符合腐蝕疲勞裂紋的擴展特征。

2.5 腐蝕性分析

空心抽油桿長期處于含有一定量CO2及高含水的環境中，流體對桿的腐蝕作用導致桿體表面形成脆層及腐蝕點，出現應力集中點，容易出現疲勞裂紋，加快桿柱的破壞[8]。為驗證斷裂空心桿在井下環境中是否發生腐蝕，對瞬斷區利用能譜進行了元素分析，結果如表3所示，該空心桿瞬斷區主要元素為C、O、Fe、Na，以及少量的Si、Cr、Ca等。

表3 瞬斷區能譜分析結果

該斷裂空心桿服役井TZXX井含有CO2，能譜分析結果顯示瞬斷區的腐蝕產物主要分布C、O、Fe元素，結果也表明空心桿在工作過程中已受到井下環境腐蝕，滿足腐蝕疲勞裂紋產生的環境條件。國內外學者研究認為距離桿接頭臺階面100～140 mm是最常見的疲勞斷裂處[10]，研究斷裂抽油桿的斷裂位置距離臺階面110 mm，也滿足腐蝕破壞特征。

綜合分析表明研究空心抽油桿的斷裂屬于腐蝕疲勞斷裂，并且空心抽油桿的強度值遠高于規定的最高值致使其抗腐蝕疲勞的性能降低。

3 空心抽油桿斷裂綜合防治對策

3.1 強化抽油桿入井質量管控

受空心抽油桿結構的影響，致使在桿端進行直接鐓鍛較為困難，因此目前國內外在空心抽油桿生產過程中多采用摩擦焊接將空心抽油桿的本體無縫鋼管與接頭進行連接。在摩擦焊接后將除去內外的飛邊，但實際上焊縫表面往往較桿體略高，在多種載荷的共同作用下降導致直徑變化處存在應力集中，容易產生疲勞裂紋[6,7]。為保證入井空心抽油桿能夠在油井中長時間的正常工作，必須強化空心抽油桿出廠前的質量檢測，杜絕一切不合格的產品進入油田市場。

3.2 優化加熱電纜下入深度

稠油油藏開采過程中油流從油層流至井底，在人工舉升的作用下由井底流至地面，此過程中原油將經歷降壓、降溫、變稠的過程；當溫度降至某一特定溫度時原油的粘度將急劇增加，嚴重影響原油的流動，該溫度為拐點溫度。為保證稠油油藏的順利開采，該區塊普遍采用空心桿電加熱的方式進行開采，當電纜通電時空心桿將發生集膚效應，產生熱量并加熱原油，保證原油的流動；系統中空心桿既是抽油桿又是電加熱的主體，為保證能夠達到設計的電加熱深度必須根據拐點溫度確定空心桿的下入深度，因此拐點溫度的確定顯得尤為重要，拐點溫度的表達式如式(1)所示[4]。

Tg=9.52lgμ50+18.67

(1)

式中：Tg為拐點溫度，℃；μ50為地面脫氣原油在50 ℃時的粘度，mPa·s。

以TZXX井為例，該井完井深度為4 429 m，地面取樣脫氣后測得原油在50 ℃時的粘度為919.40 mPa·s，根據拐點溫度表達式求得該井的拐點溫度為46.88 ℃。

為保證空心桿及加熱電纜的下入深度合理，必須根據油井的地層情況及產量確定拐點溫度所處位置，利用WELLCAT軟件對TZXX井的溫度場進行模擬，結果如圖4所示。

據圖4可得該井在靜態及不同產量時井筒內的溫度分布，根據油藏對油井的配產量結合該井的拐點溫度可確定加熱電纜的下入深度(表4)，以保障油井的正常生產。

表4 電纜下入深度與配產量的關系

3.3 優化空心抽油桿電加熱功率

為保證稠油的流動需對抽油桿進行加熱，而產量不同所需的加熱功率也不一致，加熱功率過高將縮短電纜的使用壽命并浪費能源，并且將致使空心抽油桿長期處于較高的溫度場中。溫度越高，鋼材的強度極限值越低，在運行過程中越易發生損壞；加熱功率過低將影響原油的流動。因此選擇合理的電加熱功率顯得尤為重要。根據井筒內的溫度場分布，結合熱傳導規律可建立油管內的熱平衡模型為[4]：

(2)

W=MoilCoil+MwaterCwater

(3)

式中：θ為油管軸線處的流體溫度，℃；k為流體總的傳熱系數，W/(m·℃)；q為內熱源，W/m；W為水當量，W/℃；to為井底溫度，℃；m為地層溫度梯度，℃/m；Moil為原油的質量流，kg/s；Coil為原油的比熱，J/(kg·℃)；Mwater為水的質量流，kg/s；Cwater為水的比熱，J/(kg·℃)。

在給定邊界條件下結合式(2)可獲得井筒內在不同產量時的溫度場分布，進而求解出電加熱所需功率。

3.4 強化空心抽油桿強度校核

桿柱的設計直接影響最大載荷、最小載荷、峰值扭矩等的選擇，影響系統效率的高低；桿柱的設計不合理容易導致抽油桿斷脫，致使油井停產直接影響油井的產量，因此必須強化空心抽油桿的強度校核，保證桿柱的安全性[11,12]。

空心桿采油時桿柱所受載荷主要包括桿柱載荷、液柱載荷、摩擦載荷、壓力載荷、慣性載荷和吸入載荷等，基本與實心抽油桿所受載荷一致。

空心抽油桿在工作過程中桿柱所受應力為：

δa=Pf-1

(4)

式中：δa為空心桿所受應力，MPa；P為空心桿所受載荷，kN；f-1為空心桿截面積，m2。

空心桿在運行過程中所受應力不能高于空心桿的允許應力，具體表達式如式(5)所示[7]。

(5)

式中：δe為空心桿允許的折算應力，MPa；δ為空心桿的允許應力，MPa；Pmax為運行過程中的最大載荷，kN；Pmin為運行過程中的最小載荷，kN。

根據式5可得空心抽油桿主要受交變載荷及最大載荷的影響，并且在腐蝕環境中，桿體承受的應力越大，空心桿的壽命越低，為保證空心桿在運行時不發生斷脫，必須保證其在運行過程中所受交變載荷和最大載荷在允許的范圍內。

4 結論

1)研究區斷裂空心抽油桿的化學成分滿足標準的要求，在結合其他分析手段的基礎上得到研究區空心抽油桿的斷裂屬于腐蝕疲勞斷裂，并且空心抽油桿的強度值遠高于規定的最高值致使其抗腐蝕疲勞的性能降低。

2)空心抽油桿斷脫問題的治理需堅持“以防為重點”，入井時需強化空心桿質量管控，并且根據實際井況優化加熱電纜及空心桿的下入深度及電加熱功率，并且強化空心抽油桿的強度校核，以保證抽油桿的長久運行。

3)該研究為空心抽油桿斷裂的原因分析提供了一套理論方法，并且提供了解決對策，為后期空心抽油桿在稠油井及類似油井的運用提供了理論指導。