抽油杆失效研究现状及展望

李成彬， 王长建， 焦启彦， 朱翠玲

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.中国石油吐哈油田公司吐鲁番采油厂设备自动化室，新疆鄯善838202）

0 引 言

抽油杆是有杆抽油设备的重要部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵［1］。据统计，我国采用有杆采油方式的油井占总数的80%以上［2］。在整个抽油系统中，抽油杆柱是一个关键且薄弱的环节，一旦某一根抽油杆发生失效，则整个抽油杆柱就不能工作。若在生产时发生断裂、脱扣等情况，则需要进行打捞作业，不仅影响产量，而且耗时耗力，增加采油成本。

抽油杆柱在井下腐蚀液中承受不对称循环载荷，而同一个杆柱系统中上下部分的抽油杆工况有所区别。因此，抽油杆的失效问题比较复杂。近年来研究人员从不同方面研究了抽油杆失效问题，得出了许多成果，有些成果在生产应用中还获得了巨大的经济效益［2-8］。

1 抽油杆失效类型

抽油杆失效的主要类型有以下几种：

1.1 抽油杆断裂

在设计杆柱时抽油杆是能满足强度要求的，抽油杆断裂绝大部分原因是疲劳断裂。抽油杆在生产加工出来时就不可避免地会存在内部应力、损伤缺陷等，服役时加上腐蚀、磨损等因素影响，使得抽油杆实际服役时间比理论设计服役时间要短。另外，非正常工况下，如抽油泵卡泵、抽油机重启等会增加抽油杆断裂风险［6］。

1.2 机械磨损

将抽油杆连接成杆柱后，在工作过程中易于发生弯曲变形。弯曲后杆与管壁会发生摩擦，导致杆体磨损［2］。而腐蚀液的腐蚀作用将会加剧这一损伤过程。当磨损到一定程度时，杆截面不能承受载荷就会发生失效。如果油井是斜井，这种磨损对抽油杆失效的影响会加大［5］。

1.3 抽油杆脱扣

抽油杆之间是通过杆体公螺纹和接箍母螺纹拧紧后连接的，脱扣就是指二者相互脱离的现象。这种失效主要有两种原因导致：一是材质或加工不合格，致使在服役时无法承受载荷发生脱扣；二是安装时预紧力不足，服役时的周期载荷及振动时连接松动至脱扣。

1.4 井液腐蚀

在我国，许多油田现已进入中、高含水期阶段［2］。此时，油井产出液高含水率、高矿化度是有杆泵举升的主要特征［4］。井液一般会溶解CO2及H2S等酸性气体，同时地层液还会含有细菌，致使抽油杆发生腐蚀失效。对于有损伤裂纹的抽油杆，腐蚀会加速其失效过程。

2 抽油杆失效研究现状

2.1 力学方向

目前，运用力学研究抽油杆失效的类型主要是断裂失效，其理论基础是力学的一个重要分支：损伤力学和断裂力学。

2.1.1 损伤力学基本思想及方程

将损伤力学的知识用来研究抽油杆失效的基本思想是：抽油杆同其他金属材料一样存在微缺陷，如微裂纹、位错、微孔洞等［2］，在杆体服役期间受交变载荷时这些缺陷的生长（损伤的演化）过程是满足一定规律的，即损伤演化率。抽油杆在单轴加载工况下的损伤演化方程为［2-8］

式中：D为损伤度；N为寿命；其余参数根据材料、载荷及工况确定。两边积分得出寿命模型。

2.1.2 断裂力学基本思想及方程

断裂力学将各种缺陷等效为裂纹，研究在交变载荷下裂纹的扩展规律，其所采用的数学模型主要是由应力强度因子或守恒积分所控制的各种类型的裂纹扩展速率公式［2］。此方法着重于研究裂纹扩展的规律，目前运用最广泛的是Prais公式：

式中：a为表征缺陷尺度的几何量；N为寿命；其余通过实验及材料自身属性得出［9-10］。随后研究人员通过研究应力比R及其他因素对该公式进行修正和简化，得出的公式更为精确和简便，比较有名的有Forman公式：

以及Walker公式：

力学方向的研究是理论推导和实验数据验证为支撑的，近年来计算机的发展也为研究工作提供了帮助。这些理论发展时间较长，并经过实践的不断验证和修正，研究成果比较成熟。

2.2 可靠性方向

抽油杆使用的数量较大，可以用可靠性等相关知识来研究。通过对失效抽油杆的服役时间等数据的统计发现，抽油杆的疲劳寿命可靠性可用“正态概率密度函数”和“威布尔密度函数”来分析［9］。

正态分布的概率密度函数：

通过对实验数据和服役时间的统计研究得知抽油杆疲劳寿命X服从对数正态分布，其正态分布累积概率密度函数为

抽油杆厂商可以通过对同一批次的抽油杆进行跟踪统计，根据结果为客户提供可靠性数据。

另一方面，实验室对试件进行疲劳试验，得出材料失效前的寿命N与其外加应力水平S的关系图，即S-N曲线。拟合后得出其表达式：

对于金属材料，特别是高强度钢，失效数据分散，此时其S-N曲线会与失效概率P有密切联系［11］。通过数据处理，得到一组成活率Pi下的材料S-N曲线。这种P-SN曲线即为成活率-应力-疲劳寿命曲线。这些曲线对研究试件可靠性具有重要意义，在工程应用中也是重要参考数据之一。

2.3 腐蚀疲劳方向

腐蚀疲劳是金属材料在周期性（循环）或非周期性（随机）交变应力与腐蚀介质的联合作用下发生脆性断裂的过程［12］。抽油杆的失效研究可以用腐蚀疲劳的相关理论来研究。研究发现，腐蚀疲劳裂纹是从材料表面的点蚀开始形核、发展的［12］。腐蚀疲劳裂纹扩展阶段，机械断裂与电化学腐蚀共同作用，其破坏机理十分复杂。目前主要采用累积损伤理论研究成核。而裂纹扩展涉及电化学过程，研究内容要复杂得多。总体而言，腐蚀疲劳裂纹扩展规律的研究沿用断裂力学的方法，将扩展速率表示为裂尖应力强度因子范围ΔK的函数［12］。研究人员基于不同的理论提出多种计算模型，但对于抽油杆的腐蚀疲劳研究尚未提出系统的研究体系和成果。油田进入高含水开发期后，井液出现高含水率、高矿化度等特征。腐蚀对抽油杆寿命的影响会增大，这会促使研究人员投入更大精力研究腐蚀疲劳。

3 抽油杆失效研究展望

通过总结目前的研究方向及成果得出今后研究抽油杆失效的几个特点和趋势：1）随着计算机技术的发展，模拟仿真的优势进一步凸显。ANSYS等力学分析软件在疲劳断裂等方面具有很强大的计算功能，能极大节约研究成本，并且可以为理论计算提供数据支持。今后的失效研究模拟仿真所占比重将会越来越大。2）目前我国海上油气开采工程量加大，很多油井为深井、超深井，结构复杂，对抽油杆性能要求也越来越高。在提高抽油杆生产工艺等方面的同时，也要求对研究模型的相关参数进行修正，以期获得更符合生产实际的模型。3）随着井筒结构越来越复杂，偏磨、腐蚀、振动等因素对抽油杆的影响也越来越大。目前有研究人员对这些因素进行研究，但是研究成果没有形成完整的针对抽油杆工况研究的理论体系，结论运用也尚不成熟。对这些因素的综合研究会成为今后研究抽油杆失效的一个趋势。

［1］ 吴则中，李景文，赵学胜，等.抽油杆［M］.北京：石油工业出版社，1994：1-10.

［2］ 周瑞芬.抽油机井抽油杆失效问题的损伤力学研究［D］.大庆：东北石油大学，2011.

［3］ 冉箭声，王海绘，潘为国，等.抽油杆常见事故原因分析及防治对策［J］.断块油气田，2002（1）：73-75，85.

［4］ 张立新，姜东.石油矿场常用油管抽油杆材料腐蚀规律研究［J］.内蒙古石油化工，2010（6）：85-86.

［5］ 方超.抽油机井偏磨原因及治理措施的再探讨［J］.中国石油和化工标准与质量，2014（1）：93.

［6］ 张强.抽油杆常见断裂失效情况分析［J］.中国高新技术企业，2015（10）：87-88.

［7］ 尚水龙.抽油杆失效机理及治理技术研究［D］.西安：西安石油大学，2010.

［8］ 张行.断裂与损伤力学［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［9］ PARIS P，ERDOGAN F.A Critical Analysis of Crack Propagation Laws［J］.Journal of Basic Engineering，1963，85（4）：528-533.

［10］ BROEK D.Elementary Engineering Fracture Mechanics［M］.Leyden：Noordhoff International Publishing，1974.

［11］ 王成文.抽油杆疲劳可靠性分析［D］.大庆：东北石油大学，2011.

［12］ 黄小光.腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究［D］.上海：上海交通大学，2013.