油田抽油杆断脱机理研究分析

摘要：在油田运行中抽油杆的断脱是影响生产的重要原因，本文通过对抽油杆断脱的机理进行分析，找出其原因，针对不同抽油杆断脱的机理采用不同的治理措施，有效提高油田的生产效率。

关键词：抽油杆；断脱机制；防断脱技术；策略

一、前言

当前我国经济稳步发展，油田的生产十分紧迫，再生产过程中由于抽油杆断脱发生的田产事故很多，导致油田挖掘过程中抽油杆脱井的次数持续升高，影响了石油井的正常生产，增加了石油开采的成本。

二、油田抽油杆断脱原因分析

（一）、疲劳造成的破坏

1、抽油杆的工作环境

在实际的工作过程中，抽油杆受到不对称循环荷载的作用，杆的上部分所承受的具有抽油杆柱、液柱、惯性荷载等几个方面的荷载综合力。其次还受到抽油杆运动过程中的摩擦阻力、管柱和油管柱弹性所导致的振动荷载，液击所产生的冲击荷载，同时由于井斜的变化和螺纹不同心、悬绳器摆动等多方面的因素综合导致的扭力等七个方面的荷载和力等。同时抽油杆柱的荷载要随着开采深度的加深而持续加深，致使抽油杆下半部分的张应力转换为了压应力。导致了抽油杆弯曲，在一定程度上提升了扭力和摩擦力。加重了抽油杆下部分工作的负担，同时由于抽油杆所承受的荷载是不对称循环的，实际上中和点以下的抽油杆未加工的面积超过了85%，致使设备产生了多处的疲劳源。疲劳源的存在容易引发抽油杆的疲劳断裂。

2、抽油杆的强度

当前所使用的抽油杆强度一般使用无限寿命疲劳计算。实际上是将抽油杆的许用应力保持在疲劳极限以下，致使抽油杆在理论上而言工作循环的次数与实际工作的循环次数相比大了107次。那么抽油杆的实际应用过时也可以最大拉应力以及许用应力实现强度的比较和核查。

（二）、杆柱组合设计不合理

由于杆柱设计不当，使杆柱实际应力超过其使用极限应力，导致局部杆超载断裂，或在设计中加重杆过少，使下部小规格抽油杆在下行程中承受压应力，变形后产生弯曲应力而断裂。

（三）、工作参数匹配的影响造成的断脱

统计分析2011年来76次井次抽油杆杆体断裂井的工作参数，发现泵径越大、冲次越快，抽油杆断越频繁。其主要原因是：泵径增大、杆柱载荷增大；冲次越大，惯性载荷和冲击载荷增大，同时杆柱随交变载荷的频度加大，增加了抽油的疲劳断裂。

（四）、抽油杆的腐蚀因素

腐蚀是抽油杆失效的主要因素之一。油井产出液综合含水上升，导致产出水与管杆本体铁接触，产出介质的强腐蚀性导致腐蚀。偏磨表现在抽油机井的生产过程中；腐蚀是偏磨的催化剂，偏磨加剧腐蚀。

梁油田综合含水已达30.3%，对部分油井油样取样分析，产出水具有以下特点：即矿化度高，在0.8～10×104mg/l之间；Cl-含量高，在0.6～6.7×104mg/l之间；pH值低，在5.0～6.9（显弱酸性）。另外部分高含水井CO2和H2S含量高。

三、抽油杆偏磨的原因分析

（一）、偏磨的机理分析

抽油杆断脱井都有偏磨段，杆管偏磨主要是抽油杆柱下行程时遇到的阻力达到一定值后，抽油杆柱产生屈曲造成的，抽油杆工作时的往复运动，在传递力的过程中承受着各种载荷，各种载荷对抽油杆的作用比较复杂，上冲程时，抽油杆由于提升液体重量，使抽油杆与油管间不会产生大的摩擦；而下冲程情况则不同，轴向力和法向力作用于抽油杆―柱塞系统。

（二）、影响因素

1、活塞阻力造成抽油杆偏磨、杆断

抽油杆墩粗部分以下10cm左右处也有不同程度的弯曲，与轴线的夹角高达20，弯曲部位以下受弹性力。杆体弯曲，在接近活塞处下部重量小，弯曲部分受弹性力作用上翘，如果下部杆弯曲方向与上部相同，则弯曲程度更大，偏磨更严重。加之活塞下行阻力的作用，加剧了抽油杆在油管内的弯曲程度。另外，杆弯曲部位的疲劳强度大大降低，在抽汲过程中极易发生杆断事故，发生杆断的部位一般都是在墩粗部位以下10cm左右处。

2、应力幅值大

根据载荷与井深的关系曲线可知，在上冲程时杆柱全部受拉力作用，由井口向下逐步减小，上冲程时最小拉力仅有3.65kN。该井下冲程时在1004m处压力达到4.2kN，中和点在945m左右。在其下部压力逐渐增大，在1350m处压力值是10kN。同时在1350m处，载荷差值较大，高于井口载荷变化值，此处的应力幅值是24N/mm2，远高于抽油杆最上部的应力幅值11N/mm2，使抽油杆在此处严重弯曲。

3、井身结构

下部加与不加扶正器，在造斜段没有任何影响，但在抽油杆下部，加扶正器后偏磨段上移，上移后的偏磨段，井筒相对较直。说明此段抽油杆的偏磨是其在下行程中弯曲偏磨所致。在中和点下。高频杆断井统计表明，造斜段没有出现杆断，断点多发生在中和点以下，断点处井身结构较直，但在斜段上部且下行阻力增大，在其上部的杆柱因压应力增大而断。如B井，断点在904m，证明杆断的本质是抽油杆在下行程中弯曲所致。

4、冲数与杆断的关系

统计杆断井冲数高所占的比例较大，冲数过快，受改变运动方向的次数太多，说明随着交变载荷增加，加剧了抽油杆疲劳状态，动载荷增加，加大抽油杆的弯曲程度，增大了杆断的机率。冲次越快，下部受压杆越长，轴向压力越大。对A井进行了杆柱运行过程中受力状况测试，测试表明，冲次越小，杆柱在上下死点处所受的交变载荷和惯性载荷就越小，振动也就越小；冲次越大，杆柱受压段越长（即受力的中和点上移）。所以在满足生产要求前提下，冲数尽可能小。

四、抽油杆断脱及偏磨的防治策略

（一）、防断脱技术试验

1、优化机杆泵匹配的方案。通过对机杆泵匹配状况的分析，在很大程度上降低了抽油杆柱的故障。通过适当放大抽油机型，放大抽油杆径。提高泵径或者泵筒的长度，降低冲次。

2、强化油杆的老化分析，防止抽油杆断裂事故。根据实际统计了解到，抽油杆的故障大约有15%发生概率，而有32%～47%将在七年后抽油杆概率。全井油杆中由于质量不合格导致了在油杆在使用不久后发生断裂故障，而在使用了一段时间后的抽油杆断裂故障则在很大程度上是由于操作造成的。此外便是各种疲劳老化原因造成的。并

且还应在下井前进行检验，在使用过程中实现规范的操作，以及后期损伤检测和更换等三个过程控制。

3、引进高强度的抽油杆适用性试验首先，可使用玻璃钢材质的抽油杆。玻璃钢材质的抽油杆具有较高的强度，同时重量也不高，具有较好的弹性和耐腐蚀性，玻璃钢油杆强度相比于同样规格的D级杆较为相似，但重量仅为同规格D级杆的1/3，弹性模量是钢杆的1/4～1/5，减少了抽油设备的负荷，最终提高了抽油杆的使用时间和寿命。

（二）、提高防断脱技术的应用

通过适当的防止断脱的技术，有效防止了在腐蚀环境下的抽油杆受到的腐蚀。当前油井的生产过程中，可增加缓蚀剂防止抽油杆的腐蚀。缓蚀剂的防腐蚀原理是根据缓蚀剂以及金属表面的化学吸附，从而在金属表面形成了坚固的反应膜，有效隔离了环境中的腐蚀介质，保护了设备中的金属物质，防止了设备和系统的腐蚀。

五、结束语

当前，油田含水和井况的不稳定，要加强管杆断脱防治技术的研究，广泛应用机械采油新工艺、新技术。防止抽油杆的断脱，是一项长期复杂的系统工种，需要油杆管理，作业施工、杆柱设计、配套工艺等多方面综合治理才能取得较好的效果。

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