抽油杆断脱机理剖析及防治措施探讨

【摘要】抽油杆柱的断脱是采油生产中经常遇到的现象，也是影响油田采油产量的原因之一。本文针对油田所有游梁式抽油机和螺杆泵抽油机抽油杆柱断脱现象和原因进行了认真分析，提出了一些治理抽油杆断脱的应对措施。

【关键词】抽油杆柱 交变载荷 游梁式抽油机 螺杆泵抽油机 断脱

1 引言

根据抽油机工作方式的不同分为游梁式抽油机、螺杆泵抽油机和电潜泵抽油机等几种不同的采油设备。电潜泵抽油机不需要抽油杆，所以抽油杆柱断脱只发生在游梁式抽油机和螺杆泵抽油机这两种采油设备上。

抽油机采油设备的运行的期间，抽油杆的老化、定向井的偏磨、原油中的腐蚀等问题随着时间的推移逐渐暴露出来，结果造成抽油杆断脱的次数不断加大，这些严重影响了采油设备的正常运行，对油田上产带来了很大的困扰，断脱现象带来的捞杆和作业一定程度上又增加了采油成本。

2 螺杆泵抽油机抽油杆断脱原因分析

螺杆泵是迅速发展的一种节能效果好、效率高效的机械采油设备。特别适合于原油粘稠度高及含气、含砂、含水高的采油区块，能有效地解决了气锁、砂卡等影响设备运行的现象。单级螺杆泵是一种单螺杆式传送泵，它的主要工作部件是旋转螺旋体的螺杆（称转子）和内表面呈双线螺旋面的螺杆衬套，螺杆装入衬套后，螺杆表面与衬套内螺纹表面之间形成一个个封闭的腔室，同时任意截面也被分成上下两个月牙形工作室。2.1 抽油杆和盘根长期摩擦疲劳破坏

在传动机构下面，支撑架的上面有一个盘根盒，采用盘根密封。由于螺杆泵的抽油杆是一种旋转状态，螺杆泵泵的密封常用的是盘根密封。生产中要根据现场实际情况安装多少盘根，盘根帽要根据油井压力和光杆的旋转速度确定旋紧的压力。如果光杆旋转速度较高，光杆和盘根间由于摩擦产生的热量就多，就影响光杆的使用寿命，这时候盘根帽的旋紧力度就要小些。当油井套管压力较大时，为了防止盘根处漏油，就要求盘根帽的旋紧力度就要小些。2.2 油井产出液的腐蚀

抽油杆长期工作在油、气、水以及腐蚀介质的恶劣环境中，最终的结果是抽油杆的应力减弱。

油井的产出液包含一个复杂的组成成

分，不仅仅含有CO32-、HCO3-、SO42-等酸性介质和腐蚀性微生物等，同时含有CO2、H2S等腐蚀性的气体，抽油杆在正常工作状况下受到电化学腐蚀是不可避免的，在腐蚀凹坑处产生应力集中是造成抽油杆疲劳断裂的根本原因，所以腐蚀损坏是造成油杆断裂主要原因之一。

从电化学腐蚀的分析，就是含有酸性物

质而引起的氢去极化腐蚀。钢材受游离CO2腐蚀而生成的腐蚀产物都是易溶的，在金属表面不易形成保护膜。含H2S的水对金属材料的腐蚀破坏有两种类型：一是电化学腐蚀产生的氢渗入钢材内部，使材料韧性变差，使钢材变脆。二是硫化物应力腐蚀，在拉应力和残余应力作用下钢材氢脆裂纹发展，致使钢材破裂

3 游梁式抽油机抽油杆断脱原因分析

游梁式抽油机驱动装置工作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口。当抽油机工作时，整个过程中负载是变化的。上部光杆承受着多方面的力，主要包括：抽油杆柱的重力，液柱重力，惯性载荷，摩擦力，振动力等。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。当抽油机处于未平衡状态时，往往会造成上、下冲程的负载极度不均匀，抽油机的连杆机构、变速箱和电动机的使用效率和寿命都将受到了严重地影响，抽油杆的工作条件也趋于恶化，随时处于断裂的状态。抽油杆柱承受的载荷随深度的变化而变化，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力，增大了扭力和摩擦力，使得下部抽油杆工作条件更加恶劣。因此不可避免地会有疲劳源存在，从而产生疲劳断裂。

3.1 抽油杆疲劳破坏

光杆负荷在上下冲程中是不相同的。上冲程时抽油杆承受着液柱重量，下冲程时液柱的重量便作用在油管上，因此，上冲程开始时，举升的液柱重量会使抽油杆的负荷发生突然变化，冲次愈高负荷愈大。由于负荷反复变化的冲击，疲劳破坏是抽油杆所有损坏形式的基本特点。抽油杆因反复拉伸作用而产生裂纹，则属于应力疲劳破坏。

3.2 抽油杆机械磨损

3.2.1 直井下冲程抽油杆底部受压弯曲致使杆管偏磨

抽油杆下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间，由于泵内液体及泵筒内壁对活塞的阻力，加之以上力的作用，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，杆柱受压发生弯曲，弯曲的杆柱与油管内壁接触，相对运动造成杆管磨损。现场发现下行磨损均有且较严重，说明下行杆柱受压弯曲是偏磨的主要原因。

3.2.2 井斜引起的机械磨损

斜井时，油管是弯曲的。上冲程时，使抽油杆与油管内壁的一侧产生磨损，下冲程时，抽油杆弯曲与油管内壁的另一侧面产生摩损。弯曲度越大，磨损越严重，不仅抽油杆接箍与油管内壁产生磨损，而且抽油杆本体也与油管内壁产生磨损。

4 抽油杆断脱综合防治措施探讨

在认真分析抽油杆断脱的原理的基础上结合不同油井的现场，采取了相应的应对措施，起到明显效果。

4.1 防腐防偏磨抽油杆及接箍的使用

对严重偏磨井进行统计，再对这些井进行作业时，使用防腐防偏磨抽油杆及接箍，可以很大程度上减轻和减少抽油杆及接箍的磨损。

4.2 安装抽油杆扶正器

安装抽油杆扶正器，使抽油杆处于油管中心，不直接与油管接触，减少抽油杆与油管的磨损，减少抽油杆的震动和弯曲，改变抽油杆的受力状况。

4.3 旋转井口装置的使用

通过井口涡轮连杆定期转动，来改变油管与抽油杆的偏磨面，使磨损面均匀分布，从而达到延长油管使用寿命的目的通地转动井口改变管杆的偏磨位置 ，达到了良好效果。

4.4 防腐工艺

提高防腐最常用和有效的方法是添加缓蚀剂，以减缓井液对杆体的腐蚀。4.5 进行科学的抽油杆组配设计

抽油杆断脱大都发生在杆柱的下部。下部使用较大规格的抽油杆有利于增加下部抽油杆的重量，所以管柱设计可以改进为两头大中间小，这样可以有效减少抽油杆断脱现象。

4.6 化学处理

用平滑过渡的方式消除应力，用感应加热表面淬火工艺提高抽油杆的抗拉强度，达到了提高抽油杆修复率。

4.7 加强抽油杆管理

作业过程中，要定期更换疲劳的抽油杆，对于一口井而言，每次作业时，交替在

活塞上部增（减）一个4米的短节，或定期倒换上下抽油杆根序来改变油管和抽油杆的偏磨点，以达到延长抽油杆使用寿命的目的。

4.8 调节参数

调节参数将冲次降低，减少了快速运动对抽油杆的影响，减少抽油杆的疲劳，增加使用寿命。

参考文献

[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].石油工业出版社，1989

[2] 赵子刚.抽油杆偏磨机理与防治[J].北京.石油工业出版社，1993

作者简介

付洪涛（1981.09-），男，工程师， 钻井平台经理。