抽油桿斷脫原因分析及預(yù)防措施

楊元科(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司玉門油田分公司油田作業(yè)公司,甘肅 玉門 735000)

抽油桿斷脫原因分析及預(yù)防措施

楊元科(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司玉門油田分公司油田作業(yè)公司,甘肅 玉門 735000)

抽油桿斷脫使油井不能正常生產(chǎn)，影響油井產(chǎn)量。本文從抽油桿的斷脫原因及預(yù)防措施進(jìn)行了分析與討論，并得出結(jié)論。對(duì)今后油井的正常生產(chǎn)具有一定意義。

油桿斷脫;原因分析;預(yù)防措施

修井的目的和任務(wù)是恢復(fù)油井的正常生產(chǎn)，提高井的生產(chǎn)時(shí)率和利用率，以最大限度增加油井的產(chǎn)量，隨著油田開發(fā)時(shí)間的延續(xù)，抽油桿的斷脫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而且頻率很高。給正常的生產(chǎn)帶來(lái)了直接影響，盡管在斜井投產(chǎn)時(shí)，對(duì)抽油桿柱已進(jìn)行了扶正防磨設(shè)計(jì)，避免了與油管直接偏磨而發(fā)生斷脫。但由于抽油桿柱在斜井中受到循環(huán)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)扭矩的工況遠(yuǎn)遠(yuǎn)較直井復(fù)雜。因此，從一定程度上講，抽油桿在斜井中的偏磨斷裂是不可避免的。針對(duì)抽油桿柱斷脫問題，近幾年來(lái)防治結(jié)合，不斷的完善抽油桿柱扶正防磨工藝，優(yōu)化抽油桿柱結(jié)構(gòu)，使抽油桿斷脫事故得到有效的控制。

抽油桿組成的抽油桿柱將地面抽油機(jī)的能量傳到井下，帶動(dòng)井下抽油泵工作，在工作時(shí)抽油桿在油管中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，其工作條件是相當(dāng)惡劣的。抽油桿通常都由圓鋼制成，兩桿的公扣之間用接箍相接，根據(jù)石油工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)SY5029-83規(guī)定，常用抽油桿的直徑有16，19，22，25mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為8000±500mm，抽油桿的鋼材分為C，D，K三個(gè)等級(jí)。為了保證油井的正常生產(chǎn)，必須了解抽油桿失效的原因。

1 抽油桿斷脫原因分析

1.1 目前抽油桿的組合有

φ25單級(jí)組合

φ22單級(jí)組合

φ19×φ22雙級(jí)組合

φ19×φ22×φ25 三級(jí)組合

φ16×φ19×φ22×φ25四級(jí)組合

目前，本油田除青西、鴨兒峽外，常用的組合有φ19×φ22的雙級(jí)組合和 φ16×φ19×φ22三級(jí)組合，以單北油田和水平井為例,由于抽油桿在斜井中承受循環(huán)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)扭矩等力，所以在一定程度上來(lái)說(shuō)抽油桿在斜井中斷脫是不可避免的。

抽油桿在油管中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，井內(nèi)隨著工作條件的不同，承受的軸向載荷也不同，與井斜、方位角、井深及油管壁摩擦有關(guān)。

當(dāng)抽油桿在正常工作中時(shí)，由于和油管內(nèi)壁相互摩擦，造成油桿偏磨，加上重力和各種應(yīng)力的作用，以至于抽油桿發(fā)生斷脫。另一種造成抽油桿斷脫的因素為受力不均勻，造成抽油桿內(nèi)外強(qiáng)度，應(yīng)力差別。

1.2 對(duì)抽油桿疲勞損壞的分析

當(dāng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽油桿柱頂端的載荷最大，同時(shí)是變化的。當(dāng)整個(gè)抽油桿柱的截面尺寸相同時(shí)，在抽油桿頂端的抽油桿內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而且應(yīng)力是脈動(dòng)變化的。在這一脈動(dòng)應(yīng)力作用下，工作一定時(shí)間以后，抽油桿柱頂部的某一薄弱環(huán)節(jié)就可能發(fā)生疲勞斷裂。

在抽油桿柱的下部，抽油泵以上的抽油桿工作條件也是比較差的。抽油泵柱塞下行時(shí)，游動(dòng)閥有一定的壓力降，此壓力降作用在柱塞面積上將產(chǎn)生一定的阻力。該阻力與柱塞和泵套之間的摩擦阻力相加即為抽油泵柱塞下行阻力，這一下行阻力需靠抽油桿的自重來(lái)克服。在自重作用下，抽油桿柱中有一部分將產(chǎn)生壓應(yīng)力。柱塞上行時(shí)，抽油桿中的應(yīng)力又變?yōu)槔瓚?yīng)力，因此這一部分抽油桿中將會(huì)產(chǎn)生方向相反的交變應(yīng)力。

油稠、泵徑大、下行速度快時(shí)，下行阻力會(huì)很大，需很長(zhǎng)的抽油桿柱自重才能克服這一阻力。因此，抽油桿的下部工作條件很復(fù)雜，有可能在工作中首先疲勞損壞，造成脫扣。

其次，使用年限超過3年的抽油桿，在長(zhǎng)期的井下工作中，在抽油桿表面形成創(chuàng)傷、刻痕、斷紋、壓凹、磨損、點(diǎn)蝕。在損傷部位形成應(yīng)力集中，使抽油桿的疲勞強(qiáng)度和安全使用系數(shù)降低，因而發(fā)生斷裂幾率大大增加。

1.3 化學(xué)腐蝕因素

抽油桿柱是浸泡在采出液中的。而采出液中經(jīng)常包含有鹽水、H2S、CO2、等腐蝕介質(zhì)，使抽油桿柱腐蝕。

在一些井中，特別是含水較高的一些井中，礦化度相對(duì)而言就比較高，可能對(duì)金屬有腐蝕作用，抽油桿的絲扣和偏磨的部分被腐蝕，是造成抽油桿可能脫扣的原因之一。在地層水中含有H2S電解融于水中，生成一種酸，腐蝕油桿，H2S與鐵作用，生成原子氫，腐蝕油桿絲扣和偏磨嚴(yán)重的部分，造成油桿脫扣。

1.4 供排匹配狀況分析

抽油桿柱發(fā)生斷裂的油井，供排矛盾突出，產(chǎn)建井表現(xiàn)突出，在地層供液能力有限的情況下，抽汲參數(shù)偏大，主要是沖次和泵徑偏大。通過平均水平比較，可以更加清楚地看出。

當(dāng)泵的舉升能力超出地層流體流入井底的流量時(shí)，通常發(fā)生液擊。在這種情況下，在上沖程時(shí)泵筒不能完全充滿液體，當(dāng)下沖程開始時(shí)，游動(dòng)凡爾應(yīng)當(dāng)打開卻沒有打開，柱塞承擔(dān)了全部流體載荷開始了下沖程。接著，當(dāng)柱塞撞擊泵筒中的液面時(shí)，突然的撞擊力就沿著桿柱傳到了地面。在液擊期間產(chǎn)生的大量動(dòng)載荷對(duì)井下桿柱產(chǎn)生有害的影響，桿柱遇到導(dǎo)致桿斷的縱向彎曲，增加了油桿與油管的偏磨。

綜合上述分析認(rèn)為，在地層供液能力有限的情況下，沖次和泵徑偏大，液擊工況的發(fā)生，也是油油桿斷裂的一個(gè)主要原因。

1.5 蠟卡

油井隨著溫度和壓力下降以及輕質(zhì)組分不斷逸出，原油溶蠟?zāi)芰﹄S之不斷降低，原油中的蠟便以結(jié)晶析出，聚集并沉積在油管內(nèi)壁、抽油桿表面。出現(xiàn)結(jié)蠟情況，直接影響油井產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)迫使油井停產(chǎn)。因此嚴(yán)重結(jié)蠟也是導(dǎo)致油桿脫扣的原因之一。本油田更為突出.

1.6 強(qiáng)度校核分析

2005年查，一年共發(fā)生抽油桿斷裂80多井次，抽油桿斷裂修井占小修井的比例為約為16%左右。

從現(xiàn)場(chǎng)斷裂抽油桿的斷面觀察，表面光滑，無(wú)縮徑，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征，說(shuō)明抽油桿斷裂跟抽油桿實(shí)際承受的最大和最小載荷構(gòu)成的循環(huán)載荷有很大關(guān)系。為了找出抽油桿疲勞斷裂的原因，從強(qiáng)度校核進(jìn)行分析：

采用美國(guó)API方法計(jì)算。

抽油桿材料的最小抗拉強(qiáng)度，D級(jí)桿為794MPa；

抽油桿安全使用系數(shù)，由液體腐蝕程度決定，一般取0.7-0.9?？紤]本油田抽油桿使用年限長(zhǎng)、井下作業(yè)損傷等因素，可適當(dāng)降低安全使用系數(shù).

合理的應(yīng)力比范圍大于0.5小于1，并且接近1。對(duì)多級(jí)組合桿柱，合理的抽油桿組合比例不僅應(yīng)保證各級(jí)抽油桿的應(yīng)力范圍比大于0.5小于1，而且各級(jí)桿的應(yīng)力比值應(yīng)該比較接近，也就是應(yīng)符合強(qiáng)度原則。

要保證抽油桿不發(fā)生疲勞損壞，各級(jí)桿的最大應(yīng)力不應(yīng)超過該級(jí)桿的許用最大應(yīng)力。

通過強(qiáng)度校核分析：

（1）泵深超過1250m時(shí)，采取φ19單級(jí)組合，抽油桿易發(fā)生斷裂；

（2）采用φ16mm×φ19mm二級(jí)組合，φ16mm與φ19mm抽油桿的組合比例應(yīng)保持在φ16mm（69%~64%）+φ19mm(31%~ 36%)的范圍，當(dāng)φ19mm抽油桿的使用數(shù)量超過69%，φ16mm抽油桿的使用數(shù)量少于31%，抽油桿柱易發(fā)生斷裂；

（3）采用φ16mm×φ19mm×φ22mm三級(jí)組合，各級(jí)桿柱組合比例應(yīng)保持在φ16mm（51%~43%）+φ19mm(26%~30%)+φ22 mm(23%~27%)的范圍，否則各級(jí)桿柱組合比例失調(diào)，破壞了等強(qiáng)度原則，抽油桿柱運(yùn)行不安全。

2 抽油桿斷脫防治措施

2.1 定向井扶正防磨工藝

玉門油田定向井的井眼軌跡主要分三種類型：直井段到增斜段、直井段—增斜段—穩(wěn)斜段、直井段—增斜段—水平段，進(jìn)入油層的井斜角一般20°～50°之間，尤其第三種類型，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，甚至形成嚴(yán)重的“狗腿”，生產(chǎn)時(shí)抽油桿柱的受力狀況變得非常復(fù)雜，增大了桿管偏磨的可能性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響油井正常生產(chǎn)。因此定向井的防磨問題對(duì)于提高油井利用率和采油時(shí)率、延長(zhǎng)油井生產(chǎn)周期意義重大。

為解決抽油桿與油管偏磨這一定向斜井采油的關(guān)鍵問題，玉門油田根據(jù)油井實(shí)鉆井眼軌跡圖，從憑經(jīng)驗(yàn)到結(jié)合定向井工況診斷及參數(shù)優(yōu)選軟件，實(shí)現(xiàn)了定向井全方位扶正防磨。

所用扶正器有以下四種類型：

（1）尼龍扶正器（又稱刮蠟器）

（2）固定式扶正器

（3）兩瓣式扶正器

（4）滾輪扶正器（又稱導(dǎo)向輪）。

前三種扶正器同油管內(nèi)壁之間靠滑動(dòng)摩擦接觸，實(shí)現(xiàn)抽油桿柱的扶正防磨。滾輪扶正器是靠滾動(dòng)摩擦接觸油管內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)抽油桿柱的扶正防磨，其在定向井扶正防磨措施中有其它扶正器不可替代的作用，故其不僅有扶正防磨的作用，還有降低抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的作用，還可定期更換滾輪。

這四種扶正器在定向斜井中均有使用，都能較好的起到扶正防磨作用。

2.2 優(yōu)化桿柱結(jié)構(gòu)

玉門油田抽油桿在泵深小于1000m時(shí)，采用了Φ19mmD級(jí)抽油桿一級(jí)組合；當(dāng)泵深大于1000m時(shí)，一般采用φ19mm×φ22 mmD級(jí)抽油桿兩級(jí)組合。

2.2.1玻璃鋼桿應(yīng)用

玻璃鋼桿具有自身重量輕、彈性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、表面不易結(jié)蠟等優(yōu)點(diǎn)，因此采用玻璃鋼抽油桿抽油可使懸點(diǎn)負(fù)荷大幅度下降，避免抽油機(jī)和抽油桿柱超載，降低抽油桿柱失效頻率。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)光桿、拉桿應(yīng)用

普通抽油桿替代作光桿和拉桿在高含水油井中易腐蝕、磨損快，易受卡瓦牙傷害，經(jīng)常發(fā)生斷裂。為此，推薦應(yīng)用KD級(jí)防腐耐磨標(biāo)準(zhǔn)光桿和標(biāo)準(zhǔn)拉桿.應(yīng)可以降低光桿和拉桿斷裂造成的井下作業(yè)強(qiáng)度.

2.3 更換老化、腐蝕抽油桿

針對(duì)抽油桿老化，腐蝕也是造成老井抽油桿斷裂的一個(gè)重要原因，見意結(jié)合修井作業(yè)時(shí)對(duì)不合格抽油桿進(jìn)行更換。

2.4 配套防氣工具，減少氣體影響

目前受氣體影響造成抽油桿頻繁斷裂，針對(duì)這種狀況，建議用配套且已應(yīng)用成熟的井下油氣分離器。

3 認(rèn)識(shí)與建議

(1)以上措施，建議在玉門油田推廣。

(2)對(duì)于老井，因在修井施工中，由于更換油管桿，井下數(shù)據(jù)有偏差，為了消除隱患，建議在修井設(shè)計(jì)中注明：斜井段、拐點(diǎn)位置，以便在修井施工中核實(shí)井下數(shù)據(jù)。

(3)對(duì)于新井投產(chǎn)，建議作業(yè)施工隊(duì)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)方案組配井下工具。

(4)在急劇彎曲的井眼斷，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度的油桿大小頭，優(yōu)化組合。這樣，垂直油桿與大小頭在同一平面內(nèi)受力均勻，消除了因拉力不均而從絲扣處脫扣的危險(xiǎn)。

(5)在含有腐蝕性介質(zhì)的油井中注入緩蝕劑，以延長(zhǎng)抽油桿的壽命。

(6)上扣時(shí)打好備鉗，防倒扣油桿落井。

(7)上扣扭矩應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)過松或過緊。

[1]崔振華等著.《有桿油油系統(tǒng)》.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[2]羅英俊等箸.《采油技術(shù)手冊(cè)》（修訂本）.北京：石油工業(yè)出版社，1989.

[3]王鴻勛，張琪等著.《采油工藝原理》，石油工業(yè)出版社，1981.

楊元科（1978-）男，土族，青海樂都人，工程師，主要從事油氣田開發(fā)工作。