抽油机井杆疲劳断脱预警及预防

摘要：结合目前抽油机井杆断脱现状，分析杆断检泵主要原因，即抽油杆加工工艺、服役年限较长疲劳断和冲次高、交变载荷大导致杆疲劳断裂。分析表明，杆径、杆材质、含水，冲程、冲次等是杆疲劳损坏的决定因素。确定抽油杆疲劳断脱的界限，并提出了技术措施，对隐患井进行预警及预防是治理杆断的有效手段。

关键词：抽油机井杆断脱；原因；隐患井预警及预防

中图分类号：C35文献标识码： A

一、抽油机井杆断脱现状

统计2014年某厂因抽油杆断检泵274井次，占检泵井的比例为24.5%，检泵周期641天。见表1。统计表明，水驱杆断比例大于聚驱；聚驱杆断比例大于三元驱。分析杆断检泵主要有三方面原因：

（1）抽油杆加工工艺影响。杆端头及丝扣锻造时加热到1200℃，在距离杆两端30cm处温度骤降，虽然后期淬火处理，但是仍属于受力薄弱点，易断裂。上半年发生101井次，占断杆井检泵井数的36.8%，且需动管柱打捞。

（2）服役年限较长疲劳断。使用时间在10年以上的有66口井，占杆断井数的24.1%。

（3）冲次高、交变载荷大导致杆疲劳断裂。对于高冲次、低沉没度的这部分井，其疲劳强度在大参数运行中大幅降低，杆疲劳断裂几率增加；对于部分见聚井、高产液量井，交变载荷较大，也影响杆管使用寿命。

分析表明，各种原因造成的疲劳断脱，是抽油杆断的主要原因。因此，弄清抽油杆疲劳断脱的界限，并通过技术手段对隐患井进行预警及预防是治理杆断的一个有效手段。

表1 2014年上半年杆断脱情况统计表

二、基于应力计算的杆断脱预警方法

要保证抽油杆不发生破坏，其最大折算应力不能超过其许用折算应力，即，一旦超过许用折算应力，将对抽油杆产生不可逆转的损伤，加快了抽油杆的疲劳断裂。

根据玛尔卡维茨公式：

式中：为应力幅，计算公式为：； 为平均应力，计算公式为：

为最大循环应力，计算公式为： ；为最小循环应力，计算公式为：

式中：为最大载荷，为最小载荷，为抽油杆截面积。

最大载荷及最小载荷可以通过公式计算得到，也可通过功图测试得到。经过对30口井功图测试数值与计算数值的对比分析，误差在3.1%左右，受功图图形不规则影响，载荷有所差别，但差距不大，因此，为方便取值，可直接用功图测试法获取最大载荷及最小载荷值。

目前油田采用的抽油杆大多是钢级为D级的抽油杆，近年部分井采用了高强的HY级抽油杆。

抽油杆柱的许用应力，

式中：―抽油杆柱抗张强度，一般取中下限值，例如，D级杆的抗张强度793-965MPa，可选用793MPa。

―考虑井液腐蚀性等因素的使用系数（见表2）

表2不同介质下不同抽油杆使用系数对应表

按照以上计算方法，可动态跟踪每一口井的最大折算应力，从而获得每一口井的安全系数，当安全系数时，该井即存在杆疲劳损坏的风险，从而提醒管理人员对该井进行重点看护，重点调整，降低抽油杆疲劳损坏几率。

三、抽油机井杆疲劳断的预防

从最大折算应力的计算过程来看，杆疲劳损坏主要是受最大、最小载荷的影响，根据载荷计算公式：

；

式中：―柱塞环形面积上的液柱的重力；―抽油杆柱在气体中的重力； ―抽油杆柱在液体中的重力；―加速度因子，，为冲程，n为冲次。

即杆疲劳损坏的决定因素有杆径、杆材质、含水，冲程、冲次等。

3.1含水的影响

在冲程、冲次，泵挂深度、杆柱组合等参数不变的情况下，含水变化对抽油机井载荷有一定的影响，含水越高，杆管之间摩擦阻力越大，抽油机载荷越大，从而使弯曲段杆管偏磨更严重，断脱几率增大。

3.2低沉没度的影响

在低沉没度 ( 50～100 m) 井中,上冲程井液不能充满泵筒,在游动阀下面留有气穴,在下冲程时,游动阀不能立即打开,只有到气穴气体被压缩达到油管中液柱的静压时才打开。在打开的瞬间,油管中的液柱压力迅速从抽油杆柱转移到油管上。此时,柱塞高速运动,由于突然而激烈的负荷降低,使抽油杆柱受压缩而弯曲。这种弯曲造成杆、管偏磨以及抽油杆外部纤维断裂。例如XXX井,沉没度为 250～480 m 的生产期间,抽油杆最大负荷为5032 kN,应力为987 MPa,小于许用应力,当沉没度为83 m 时,最大负荷为803 kN, 应力为1573MPa, 严重超过许用应力,造成杆断。沉没度为50～100m的生产期间,抽油杆断裂的井占85.4%。

3.3抽汲参数的影响

冲程、冲次以及泵径都会影响杆管偏磨。随泵 径的增加，柱塞受到的摩擦阻力增加，而液体对抽 油杆的粘滞阻力亦随冲程和冲次的增加而增加。在油田实际生产中，为了提高产液能力，相当一部分油井生产参数不合理，由于泵径较大、冲次过快， 加重了杆柱失稳弯曲变形，弯曲变形的抽油杆与油 管发生接触摩擦，进一步加剧了偏磨的严重性。 随着冲次的增加，最大应力变大，最大许用应力缓慢变小，两者有一个交汇点，成为临 界点。超过该临界点最大应力超过最大许用 应力，抽油杆将发生破坏。

4结论及建议

（1）原油含水上升、使用参数变大、沉没度偏低等因素都将导致抽油机井悬点最大载荷增加的同时，悬点最小载荷减少。随着悬点最小载荷的降低，满足抽油强度所允许的最大悬点载荷也降低。

（2）所允许的最大悬点 载荷降低，悬点最大载荷增加，两者之间的差值就会逐渐缩小，当两者之间的差值缩小到0或者悬点最大载荷超过抽油杆强度所允许的最大悬点载荷时，抽油杆柱内所产生的循环应力最大值就将超过抽油杆柱许用最大应力值，再经过一定得应力循环次数后，就会在应力集中的地方产生疲劳裂源，从而引发抽油杆的疲劳损坏。

（3）当抽油机杆疲劳断脱预警后，在材质不变的情况下，可从以下几方面进行预防：一是调小参数，二是合理匹配杆柱组合，三是应用扶正器、加重杆等技防措施，四是实施措施改造，减低无效循环带来的载荷影响，以延长抽油杆使用寿命。

参考文献：

[1]王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，2001.