抽油桿斷脫原因分析

張菁

[摘 要]隨著采油作業(yè)的進(jìn)行，抽油桿柱斷脫事故頻繁發(fā)生。斷脫失效的影響因素主要包括機(jī)械偏磨、腐蝕破壞、疲勞破壞。

[關(guān)鍵詞]抽油桿；斷脫；磨損；腐蝕；疲勞

中圖分類號(hào)：F426.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）10-0304-01

[Abstract]As the oil recovery operation， sucker rod failures occur frequently broken off. Factors break off partial failure include mechanical wear， corrosion damage， fatigue damage.

[Key words]suck rod； break off； eccentric wear； corrosion； fatigue

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采油工作時(shí)抽油桿由于長(zhǎng)期受力不均，被采出液中各種成分的長(zhǎng)期腐蝕，加上桿柱與井筒間本身的偏磨，及其容易發(fā)生斷脫失效。導(dǎo)致抽油桿柱斷脫失效的原因是多方面的，下面主要從機(jī)械偏磨、腐蝕破壞、疲勞破壞三個(gè)方面進(jìn)行剖析。

1. 機(jī)械偏磨引起斷脫

在抽油桿工作過(guò)程中，抽油桿柱與油管壁相互碰撞引發(fā)偏磨，降低抽油桿的穩(wěn)定強(qiáng)度，造成抽油桿磨損斷裂，油管漏失，引發(fā)多種事故。實(shí)際油田生產(chǎn)中偏磨形象極為常見(jiàn)，對(duì)生產(chǎn)造成了很大的影響，是抽油桿柱失效的一個(gè)主導(dǎo)原因。

1.1 底部受壓彎曲致使桿管偏磨

分析抽油桿柱工作時(shí)的受力情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，上沖程和下沖程時(shí)差異較大，抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，抽油桿柱在交變載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生彈性的彎曲變形，這種縱橫彎曲和失穩(wěn)變形都會(huì)造成抽油桿偏磨失效。

（1）上沖程時(shí)，液柱載荷由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿上，中和點(diǎn)以下的這一段油管因卸載而發(fā)生彈性收縮產(chǎn)生螺旋彎曲，造成抽油桿、油管相互接觸摩擦，同時(shí)增加了抽油桿上行時(shí)對(duì)油管的橫向壓力，加劇桿管的偏磨損傷[1]。

（2）下沖程時(shí)，液柱載荷轉(zhuǎn)移到油管上，抽油桿載荷突然減少，發(fā)生彈性收縮而產(chǎn)生彎曲形變。下行時(shí)抽油桿柱除了要承受在液柱中的重力，還將受到柱塞與泵筒間摩擦阻力及液流通過(guò)柱塞產(chǎn)生的阻力和井液對(duì)桿柱的浮力。因此抽油桿柱下部受壓上部受拉，拉壓之間存在一既不受拉又不受壓的中和點(diǎn)，中和點(diǎn)以下，容易發(fā)生彈性形變，引發(fā)桿、管相互接觸摩擦形成偏磨。

抽油桿柱與井筒之間的相互接觸摩擦所造成的偏磨影響因素也比較復(fù)雜，其中包括泵深、含水率、沉沒(méi)度、沖次、管柱的原始?jí)嚎s彎曲等。

1.2 井斜引起的機(jī)械磨損

斜井的條件下，抽油桿的綜合拉力將產(chǎn)生了一個(gè)水平分力，在水平分力的作用下，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抽油桿就會(huì)與油管壁接觸，產(chǎn)生摩擦。一般彎曲度越大，磨損越嚴(yán)重，不僅抽油桿接箍與油管內(nèi)壁產(chǎn)生磨損，而且抽油桿的本身也會(huì)產(chǎn)生磨損。在斜井造斜點(diǎn)的附近，油管一定呈彎曲形態(tài)，且抽油泵一般安裝在造斜點(diǎn)以下。因此，在造斜點(diǎn)處，抽油桿與油管必然發(fā)生接觸摩擦。

1.3 采出液影響造成桿管偏磨加劇

含水升高造成井內(nèi)液體密度增高，也就增加了抽油桿柱收到的浮力，降低了屈曲臨界壓力，因此抽油桿柱更容易彎曲，也就增加了偏磨的可能性。當(dāng)桿與管相接觸發(fā)生滑動(dòng)摩擦，水的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的摩擦系數(shù)，因此采出液的含水率越高，則偏磨越嚴(yán)重。產(chǎn)出液混合均勻狀態(tài)下，含水率高于74.02%時(shí)產(chǎn)出液將由油相變?yōu)樗啵瑵?rùn)滑劑由原油變化為水，失去了原本的潤(rùn)滑效果，摩擦力增大，偏磨速度加快。

另外，含水率升高后會(huì)加重抽油桿柱的腐蝕，采出液中的腐蝕成分與表面金屬會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。腐蝕與偏磨并不是簡(jiǎn)單的疊加，相互作用，破壞性更強(qiáng)。

1.4 油井參數(shù)對(duì)偏磨的影響

油井的各個(gè)生產(chǎn)參數(shù)如沖程、沖次、沉沒(méi)度以及泵徑等都會(huì)對(duì)偏磨造成一定的影響。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，抽油桿下行會(huì)受到井液的阻力、與桿管以及柱塞與泵筒之間的摩擦阻力作用。如油井沖次過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致抽油桿下行速度滯后于驢頭的運(yùn)動(dòng)速度，驢頭再對(duì)抽油桿產(chǎn)生壓力，使中和點(diǎn)以下的桿幾乎全部處于受壓屈曲變形狀態(tài)，彎曲變形的抽油桿又會(huì)與油管發(fā)生接觸，又進(jìn)一步加劇了偏磨的嚴(yán)重性。

1.5 井口回壓對(duì)偏磨的影響

油井的井口回壓會(huì)增加抽油桿工作時(shí)的懸點(diǎn)載荷，增加井口回壓時(shí)相當(dāng)于增加了抽油桿的重力，使上沖程懸點(diǎn)載荷增加，而下沖程降低。井口回壓過(guò)高，懸點(diǎn)載荷增大，同樣也可造能成泵的漏失，在井偏角的作用下，會(huì)導(dǎo)致抽油桿與油管偏磨加劇。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)使回壓調(diào)節(jié)至適中，以減緩偏磨損壞。

1.6 油井結(jié)蠟對(duì)偏磨的影響

抽油桿或油管結(jié)蠟會(huì)造成堵塞，減小二者之間的縫隙，油管內(nèi)徑與抽油桿外徑比值減小，于是結(jié)蠟點(diǎn)處的液體摩擦力大于其它部位受到的摩擦力，液體通過(guò)游動(dòng)閥時(shí)的阻力增大，導(dǎo)致該部位的抽油桿柱易產(chǎn)生彎曲形變，從而發(fā)生偏磨。

2 腐蝕破壞引起斷脫

在采油作業(yè)中，油井大部分為中高含水井，下部抽油桿長(zhǎng)期侵在水中，處于H2S、 CO2、 溶解氧及其他導(dǎo)電性鉆井液的極易被腐蝕的環(huán)境中，且抽油桿受到流體流動(dòng)和磨粒磨損的作用，腐蝕加劇并極易產(chǎn)生腐蝕疲勞、沖刷腐蝕等。

2.1 二氧化碳的影響

地層水中含有大量的CO2，當(dāng)水中有游離的CO2存在時(shí)，溶于水中形成碳酸使水呈酸性。由于弱酸只有一部分電離，所以隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的氫離子會(huì)被逐漸消耗，之后弱酸繼續(xù)電離來(lái)保持電荷平衡。鋼材受游離二氧化碳腐蝕生成的產(chǎn)物都是易溶的，溶解在井液中而不能在金屬表面形成致密保護(hù)膜，于是反應(yīng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行。

2.2 硫化氫的影響

含硫油氣田的中常常含有H2S，硫化氫氣體溶于水形成氫硫酸具有一定的腐蝕性。H2S對(duì)金屬材料的腐蝕主要包括兩種類型：一是電化學(xué)腐蝕，即H2S溶液與抽油桿表面鋼材發(fā)生原電池的電化學(xué)反應(yīng)，正極產(chǎn)生的氫氣滲入鋼材內(nèi)部，使材料韌性變差，產(chǎn)生微裂縫，從而導(dǎo)致鋼材變脆，即大家常說(shuō)的氫脆。二是硫化物的應(yīng)力腐蝕，所謂的應(yīng)力即指殘余應(yīng)力和拉應(yīng)力，在兩者共同作用下，由氫脆產(chǎn)生的細(xì)小裂紋不斷擴(kuò)散，致使鋼材最終破裂，斷脫危險(xiǎn)產(chǎn)生。

2.3 溶解氧的影響

氧氣在水中有一定的溶解度，溶于水的O2可以加快金屬被腐蝕的速率。溶液中極限擴(kuò)散電流的密度會(huì)隨著溶解氧的濃度增大而提高，同時(shí)離子化反應(yīng)的速度也會(huì)隨之會(huì)加快，直接導(dǎo)致氧去極化腐蝕的速度會(huì)提高。因此，溶解氧的濃度大小對(duì)金屬的腐蝕速率有著不可忽略的影響[2]。

3 疲勞破壞引起斷脫

疲勞破壞過(guò)程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力的作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷積累、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過(guò)程，并不是立即發(fā)生的，都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的累積而引發(fā)的。

3.1 抽油桿工作條件引起疲勞破壞

在工作過(guò)程中，抽油桿承受著不對(duì)稱循環(huán)載荷的作用，且桿柱的載荷隨深度變化而變化，中和點(diǎn)以上主要承受的是下部桿自重產(chǎn)生的拉力，在中和點(diǎn)以下的抽油桿柱承受上段的向上的拉力及下部的上頂力。所以受力由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力，同時(shí)可能發(fā)生彎曲變形，增大了扭力及摩擦力，使得下部抽油桿工作條件變得更為惡劣。

3.2 負(fù)荷變化引起疲勞破壞

光桿在實(shí)際工作中，上、下沖程時(shí)的負(fù)載是有一定差異的。抽油桿所承受的

載荷變化與光桿的沖程與抽油機(jī)懸點(diǎn)負(fù)荷密切相關(guān)。由于載荷的轉(zhuǎn)移，在上沖程開始時(shí)，桿柱的載荷會(huì)突然變化，并且沖次越高負(fù)荷越大，突變?cè)綇?qiáng)。當(dāng)受到的突變載荷超過(guò)了疲勞極限之后抽油桿會(huì)產(chǎn)生微小形變，長(zhǎng)期反復(fù)拉伸或壓縮將產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)散應(yīng)力疲勞破壞越來(lái)越強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉春花.抽油桿偏磨機(jī)理及防偏磨對(duì)策研究[D]：（碩士學(xué)位論文）.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2009.

[2] 李向東.抽油桿斷脫原因及防治措施[J].今日科苑，2010（6）：63.