A区块抽油杆断脱原因分析及预防措施

黄德胜（大庆油田采油十厂南江分公司）

引言

造成抽油机井作业的原因很多，根据A区块近几年的作业资料可以得到，抽油杆断脱是造成油井作业的主要原因之一，平均占作业井总数的40%左右，控制抽油杆断脱意义十分重大。

要采取有效地措施，降低抽油杆断脱发生的机率，必须找到影响抽油杆断脱的原因，下面将分析抽油杆断脱的原因。

一、抽油杆断脱的原因

影响抽油杆使用寿命的因素很多，在生产实际中可能因一个原因就导致抽油杆的断脱，但绝大多数的断脱是在多个因素共同作用，且各个因素相互渗透、相互促进的情况下发生的。

1.管杆偏磨造成抽油杆的机械磨损

管杆偏磨是油井生产过程中不可避免的，它不仅发生在斜井和定向井中，同时在直井也存在。

（1）井眼轨迹弯曲造成管杆偏磨

由于地层条件和钻井工艺等因素的制约，油井井眼轨迹存在一定的井斜角和方位角，且多向变化。井眼轨迹是一条方向复杂多变的三维空间管道，由于抽油杆具有一定的刚性和弹性，抽油杆在弯曲的空间管道中做上下往复运动，必然会造成抽油杆的弯曲，与油管产生多个接触点，发生摩擦，导致机械磨损。

（2）直井中抽油杆弯曲变形造成偏磨

直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程过程中，固定凡尔关闭，游动凡尔打开。抽油杆柱承受在液柱中的重力，方向向下；杆柱与液体之间的向上的摩擦力；液体通过排除阀的液流阻力所产生的向上的反作用力；下行时特别是在活塞游动凡尔打开的瞬间，受到泵内液体及泵筒内壁对活塞的向上的阻力；前半个冲程，加速度方向向下，存在向下的惯性力，后半个冲程，加速度方向向上，存在向上的惯性力。在以上力的作用下，整个杆柱上部受拉，下部受压，拉压之间必然存在一个既不受拉也不受压的中性点。根据工程力学的压杆失稳原理，在中性点附近，抽油杆出现失稳，产生弯曲，弯曲到一定程度可使抽油杆与油管内壁发生接触，造成偏磨。这种偏磨通常发生在靠近泵端的位置，泵上200 m以内出现的可能性最大。

2.交变载荷引起抽油杆的疲劳破坏

疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力的作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹达到一定程度后发生突然断裂的过程；是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。疲劳裂纹的萌生、扩展都是多次应力循环损伤积累的结果[1]。

抽油杆的工作环境较为特殊，其受力也比较复杂。在、上下冲程过程中，抽油杆的受力各不相同。

抽油杆的轴向拉力，随抽油杆的位置不同而不同，上部的抽油杆受力比较大，下部的抽油杆受力比较小。一般情况下，抽油杆除受在液体中的重力、活塞以上液柱载荷及惯性力外，还受由于抽油杆的弹性而引起的振动力、由于液体和活塞运动不一致或泵未充满等各种因素引起的冲击载荷以及柱塞与泵筒，抽油杆与油管，抽油杆与液柱之间的摩擦力的作用。而且上下冲程抽油杆的受力大小差异大，上冲程中抽油杆受力大，下冲程中抽油杆的受力小。因此，抽油杆是在交变载荷的作用下做周期性的往复运动【2】。

抽油机正常工作时，抽油杆某一处所受的应力为：

p——抽油杆所受的合力fr——抽油杆柱的截面积

从式（1）中得知，应力与抽油杆的截面积成反比，杆径越小，所受应力越大。由于抽油杆接箍除螺纹杆径变化大，在该处存在应力集中；同时，在抽油杆管偏磨严重处，因机械磨损导致杆径发生变化，也会出现应力集中。在悬点最大载荷和最小载荷的作用下，抽油杆会产生不对称的循环应力，经过一定的循环次数后，循环应力中的最大值就可能超过抽油杆柱的极限应力，在应力集中的地方开始形成裂纹，裂纹逐渐扩展，最终导致抽油杆的断脱。

3.生产参数的影响

冲程和冲次是抽油机井两个十分重要的生产参数，不但影响油井的产量，同时还影响到抽油杆的受力。

驴头带动抽油杆和液柱做变速运动是存在加速度，因而存在惯性力，而根据《采油工程》悬点最大、最小载荷计算公式，有：

其中Pr—抽油杆柱在空气中的重力Pl—作用在柱塞上的液柱载荷

λ—曲柄旋转半径r与连杆长度L之比 s—抽油机冲程

n—抽油机冲次

从式（3）、(4)得到，抽油机的冲程、冲次影响悬点最大、最小载荷，且冲次变化造成的影响效果比冲程大，因此重点考虑冲次的影响。

上冲程开始时，游动凡尔关闭，抽油杆加载；下冲程开始时，游动凡尔打开，抽油杆卸载。冲次越高，抽油杆加载卸载的频率越高，使抽油杆产生疲劳的可能性更大。

另外，冲次越高，抽油杆上下往复运动的周期越短，偏磨井中杆管摩擦的次数就越多，对抽油杆造成的机械磨损也就越大。

二、抽油杆断脱的预防措施

1.加大扶正器和防偏磨接箍的使用

对容易发生偏磨的井，尤其是斜井和定向井，尽量增加扶正器和防偏磨接箍的使用，对造斜段加大扶正密度。同时，采用高强度耐磨扶正器，减少扶正器的磨损速度，提高扶正效果。

2.优化抽油杆柱设计

一般情况，下部抽油杆柱受到的载荷小，使用的是强度较小的∮16的抽油杆柱。对下部抽油杆频繁出现断脱的井，可以采用强度较高的∮19的抽油杆柱；同时还可以适当使用加重杆，既增大了抽油杆柱的强度，又增大了抽油杆柱的下行力，使中性点位置上移，避开杆径较小的部位。

[1]朱波.机械采油管杆偏磨原因分析与治理研究[D].哈尔滨工程大学.15.

[2]王显丰.佟雪松.抽油杆断脱的原因及预防措施.[J].化学工程与装备.2009（第9期）.