油田抽油杆断脱原因分析及对策

田玉宝+吴照强

摘要：抽油杆是有杆抽油设备的重要部件，它将抽油机动力传递给井下抽油泵。抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响着整套抽油设备。油田有杆抽油井在机械采油中约占92%之多，随着油田开采年限的增长，下泵深度不断加深，由抽油杆断脱而造成的维护、措施作业井有上升趋势。抽油杆断脱事故严重影响了原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。通过对油田抽油杆断脱原因进行分析研究，提出预防抽油杆断脱的措施和方法，延长抽油杆的使用寿命，保证油井的正常生产。

关键词：抽油杆；杆柱；断脱；抽油杆损坏；保证油井的正常生产

1、抽油杆现状调查

1.1抽油杆结构

抽油杆杆体是实心圆形断面的钢体，两端为镦粗的杆头，杆头由外螺纹接头、卸荷槽、推承面台肩、扳手方径、土缘和圆弧过渡区组成，外螺纹接头用来与接箍相连接，扳手方径在装卸抽油杆接头时卡抽油杆钳用。

油田主要使用D级抽油杆，杆径19mm，22mm，25mm三种。该级抽油杆碳钢或合金钢经镦粗整体热处理，外螺纹滚压加工，喷丸强化，油溶性涂料防护等工序制成，具有一定的抗疲劳或抗腐蚀劳性能，适用于中、重负荷的油井。

1.2抽油杆断脱原因

油田有些区块油井较深，随着开采时间的推移，油管、抽油杆的老化为抽油杆的断脱的主要因素，所以有必要通过对失效件分析明确失效类型，找出失效原因，采取改进和预防措施，进一步提高产品的质量防止类似的失效在设计寿命内发生。

通过分析，油田抽油杆失效类型主要是脱扣和断裂，其中脱扣比例略大于断裂比例。下面对抽油杆失效类型作进一步分析。

2、抽油杆断脱原因分析

根据机械动力学原理分析了抽油杆、在上、下冲程过程中每一点的受力状况。

（1）、在上冲程过程中，杆柱每一点受力如下：向上的拉力；该点以下杆柱在液体中的重力；该点以下杆柱在上行中与液体的摩擦力；活塞与泵筒的摩擦力。由于向上的拉力大于其它向下的阻力之和，因此，杆柱在向上的拉力作用下向上运动，完成上冲程。在这个运动过程中，杆柱每一点的合力都是向上，杆柱被拉直。

（2）、在下冲程过程中，抽油杆每一点的合力都是向下。杆柱每一点的受力如下：该点以下杆柱在液体中的重力；泵柱塞与泵筒之间的摩擦阻力、抽油杆及其接箍在液体中的下行阻力以及流体通过游动凡尔的摩擦阻力、该点以上杆柱在液体中的重力作用于该点形成的向下的压力。下冲程时各点受力比较复杂，而且处于变化中，下冲程运动开始时，还受到杆柱向上的惯性力的作用，各点合力向下，杆柱向下运动。中性点以上的抽油杆始终处于拉伸状态，不会弯曲变形，而中性点以下的抽油杆，由于该点以下杆柱的重力较小，不足于克服其它各种向上的阻力， 而该点以上杆柱的重力较大，作用于该点形成向下的压力较大，下部杆柱在强大的压力作用下完成下冲程，容易弯曲变形。由于杆柱的塑性较强，上部的重力不会很快对下部形成压力，而下部杆柱在上冲程的惯性力作用下还在向上运动，大大增加了中下部杆柱的弯曲程度，使抽油杆强度变低，加之交变载荷的影响，抽油杆容易疲劳。

2.1.抽油杆在井下状况的受力分析

假设抽油杆柱在井下为理想的垂直状态，在临界弯曲状态时，在抽油杆柱某一截面上存在一个中和点。下冲程时，中和点以下的抽油杆受压力作用发生弯曲，中和点以上的抽油桿受拉力作用而不发生屈曲，该中和点截面既不受拉也不受压。工作时，在底部只要施加不大的纵向压缩载荷，就可能产生失稳弯曲。

抽油杆柱底部第一根将极易发生失稳弯曲。抽油机井泵上第二根到中和点的抽油杆柱比底部第一根抽油杆更容易发生受压失稳弯曲。这就从理论上解释了现场存在的偏磨油井泵上10m—500m均发生管杆偏磨，且在30m—400m这段偏磨特别严重的根本原因。

抽油机井杆柱在抽油的过程中，由于杆柱属细长杆，受到轴向压力的作用，会失稳、产生弯曲，弯曲的形状与轴向压力的大小有关，随着轴向力的变化，杆柱首先产生正弦弯曲，然后是螺旋弯曲，当轴向压力足够大时，杆柱便会自锁。

在临界弯曲状态时，在抽油杆柱某一截面上存在一个中和点。下冲程时，中和点以下的抽油杆受压力作用发生弯曲，中和点以上的抽油杆受拉力作用而不发生屈曲，该中和点截面既不受拉也不受压。抽油杆浮力和抽油杆、液体之间的摩擦阻力相对较小，且均匀分布在抽油杆柱上，理论上不能引起偏磨，所以在计算轴向力时，主要考虑泵柱塞与泵筒之间的摩擦阻力及流过游动凡尔的阻力。

当产出液粘度比较高时，液体通过游动凡尔产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因，对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦，油管偏磨面积较大，磨损较轻。而弯曲度越大的地方，不仅油管内壁与抽油杆接箍产生摩擦，油管内壁与抽油杆本体也产生摩擦，油管偏磨面积较小，磨损较严重。抽油杆上、下往复运动与油管内壁发生偏磨，而且油管因抽汲力的作用，产生蠕动，与套管也发生偏磨。有时杆、管接箍被磨平，造成管柱漏失，严重时杆、管断脱落井；有时油管本体被磨穿。

2.2抽油杆的脱扣

抽油杆的脱扣是指抽油机在往复抽吸过程中，接箍与抽油杆的接触端面在变动载荷作用下松动卸开来，造成抽油机柱分离，导致整个抽油设备的失效。

1）预紧力不足的影响

当预紧力足够大时，接箍端面与抽油杆台肩侧面接触面的压力大于抽油杆柱受的载荷，接触面始终保持压紧状态，外螺纹接头受到的循环载荷幅度有所减缓，外螺纹接头不会失效；如果预紧力不足，抽油杆外螺纹接头不仅受到较高的应力幅度的作用，也受到外螺纹接头在解雇中摇动所产生的弯曲应力，则可能发生早期失效。

2）造成预紧力不足的因素

a、装配抽油杆杆接头时，事先没有将外螺纹接头和接箍清洗干净。

b、预紧力达不到要求。油田常用19mm，22mm，25mm抽油杆上紧接头时推存力矩为1193NM。

使用规格24的管钳带紧应达到：

F=M/L=1193/0.6=1198N

使用规格36的管钳带紧应达到：

F=M/L=1193/0.9=1326N

3）抽油杆、接箍磨损

对于斜井、弯井或加压过大井，抽油杆与油管相对运动的磨损严重，常将抽油杆或接箍的侧面磨去一大块，造成接箍损坏，导致脱扣，甚至将油管磨漏。

为了减轻抽油杆接箍与油管的磨损，在抽油杆杆与油管接触的部位安装扶正器，其效果很好。

3、对策

实践证明，建立科学的抽油杆管理制度是防止抽油杆断脱的最有效措施。

3.1对抽油井系统进行优化设计

通过预测油井的产能，考虑一定的工作年限，合理确定下泵深度；从经济和技术方面进行综合论证，在降低冲刺、改变抽油杆组合或采用玻璃钢抽油杆和改变泵径等方面，选出确实可行的方案。

3.2建立油井抽油杆档案

抽油杆档案可了解抽油杆的服役条件和累积工作时间，准确掌握使用寿命。抽油杆使用寿命一般为三年，三年服役期满后，应更换整个抽油杆柱，防止新旧混用。

3.3在运输过程中加强管理。

用专车拉运抽油杆，尽可能避免运输过程中的损伤。

3.4建立严格的回收检测、修复管理制度

对于抽油杆不仅仅要清洗分类、肉眼观测，还需要对使用过的和更换的抽油杆进行表面缺陷、内在质量和螺纹连接性能、抗拉强度等项目进行全面检测。对可修复的缺陷进行修复，经检查和修复的合格抽油杆继续下井使用，而对不合格的予以报废。这不仅可以充分利用抽油杆，而且还会消除事故隐患，减少抽油杆断脱率，降低躺井，为油田创造更大的经济效益。

参考文献：

[1]孙国峰，马金春，张保民，等.抽油杆断脱原因剖析及防治措施探讨[J].中国高新技术企业，2011（31）：107-108.