塔河油田抽油機井抽油桿斷脫原因分析及治理對策研究

李勇 LI Yong；張園 ZHANG Yuan

（中石化西北油田分公司塔河采油三廠，阿克蘇 842016）

（No.3 Production Plant of Tahe Oilfield，Northwest Oilfield Branch of SINOPEC，Aksu 842016，China）

1 油田現(xiàn)狀

塔河油田目前機采井占油井總數(shù)75%，其中抽油機井占機采井數(shù)84%，平均泵掛深度2400m左右，平均沉沒度1200m左右，平均含水64.0%。抽油桿以H級抽油桿為主，一般采用三級桿柱組合，部分井配套采用了玻璃鋼桿以及加重桿等四級桿柱組合。自2010-2012年6月，因抽油桿斷脫原因檢泵作業(yè)113井次，占抽油機井檢泵總數(shù)近20%，主要表現(xiàn)為：抽油桿本體斷裂、抽油桿接箍處斷裂、脫扣等3種情況，其中抽油桿本體斷裂69井次，占斷脫井總數(shù)的61%；接箍處斷裂10井次，占斷脫井總數(shù)的9%，脫扣34井次，占斷脫井總數(shù)的30%。頻繁檢泵嚴重影響生產(chǎn)，并造成較大經(jīng)濟損失，直接經(jīng)濟損失近2000萬元。

2 抽油桿斷脫原因分析

2.1 抽油桿斷脫位置分析 塔河油田主要采用三級桿柱組合，以采油三廠為例，桿柱斷脫深度在0-1000m范圍內(nèi)21井次，占54%，斷點主要集中抽油桿柱的中上部。

進一步分析（如圖1），1"桿和7/8"斷點主要分布在距該級桿頂端200m內(nèi)。主要是由于越靠近每級桿頂端，桿柱承受載荷應(yīng)力越大。3/4"桿斷點集中兩個區(qū)間：一是距該級桿頂端200m以內(nèi)；另一區(qū)間是距離該級桿頂端300m以上或泵掛附近，主要是由于下部抽油桿下行程為壓力，上行程為拉力，在交變力作用下更易疲勞斷裂。

統(tǒng)計采油三廠抽油桿斷點位置與公扣距離關(guān)系分析（如圖2），桿斷的位置主要集中在靠近公扣的應(yīng)力集中區(qū)域。而抽油桿鐓粗凸緣附近桿柱斷裂6井次，占桿柱斷裂比例15.4%，分析認為抽油桿在上扣、卸扣過程中在抽油桿鐓粗凸緣附近形成一定機械損傷或應(yīng)力集中是桿斷原因之一。

圖1 抽油桿斷點與各級桿位置關(guān)系圖

圖2 抽油桿斷點與公扣距離關(guān)系圖

2.2 泵掛深度影響分析 塔河油田泵掛深度深、桿柱負荷大、受力復(fù)雜，是桿斷主要原因。統(tǒng)計不同泵深與斷脫次數(shù)關(guān)系（如圖3）。可知泵深≥2000m的油井桿斷脫次數(shù)最多，占桿斷井比例為95.6%。

圖3 泵深與油桿斷脫情況統(tǒng)計

統(tǒng)計采油三廠2800m泵掛不同沉沒度桿斷分布（如圖4），桿斷井主要集中在沉沒度500m以內(nèi)和大于1000m。在相同泵掛條件下，沉沒度越小，懸點載荷越大，桿柱越易斷裂；而當沉沒度過大時，下行程因柱塞受浮力影響，桿柱受壓拉交變應(yīng)力影響也易斷裂。

圖4 不同沉沒度下與抽油桿斷脫情況統(tǒng)計

2.3 交變載荷影響分析 抽油桿受到的大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷稱為交變載荷[1]。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，在運行一定時間后也會突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞破壞。統(tǒng)計分析采油三廠39口桿斷井，其中交變載荷差值大于40kN的油井共計31井次，占桿斷井總數(shù)的79.5%，說明交變載荷越大桿斷風(fēng)險越高。

圖5

2.4 抽油桿使用年限分析 采油三廠目前暫未進行抽油桿分級管理，無法進行使用年限統(tǒng)計。但抽油桿斷脫的39井次中，舊抽油桿斷脫達30井次，占76.9%，說明舊抽油桿斷脫風(fēng)險大大高于新抽油桿。

2.5 腐蝕環(huán)境分析 塔河油田多為高含H2S油井，井下抽油桿腐蝕主要以H2S腐蝕為主。分析塔河油田H2S腐蝕后抽油桿斷口特征可以看出，H2S引起的桿柱腐蝕主要有兩種類型[2]，硫化物應(yīng)力腐蝕和氫脆。以采油三廠為例，斷裂井中H2S含量高于1000mg/m3的井占71.8%，平均為32660mg/m3，高含H2S井發(fā)生斷裂的比例明顯大于濃度低的井。所以，H2S腐蝕雖不是斷裂的直接因素，但卻是造成抽油桿斷裂的促進因素。

綜合分析，塔河油田抽油桿斷脫原因主要有：①深抽井桿柱負荷大是桿柱斷裂的主要因素，交變載荷高會大大加速桿柱斷裂；②硫化氫對抽油桿的腐蝕是導(dǎo)致抽油桿斷裂的促進因素；③舊抽油桿沒有分批管理、定期檢測，導(dǎo)致部分存在缺陷的舊抽油桿入井，是抽油桿頻繁斷裂的原因之一；④應(yīng)操作不當，在抽油桿上扣和卸扣時形成的機械損傷或應(yīng)力集中，也是造成抽油桿斷裂的原因之一。

3 抽油桿斷脫治理對策研究

3.1 合理選用抽油桿，提高強度等級 在無酸性的環(huán)境中，按工作應(yīng)力選擇抽油桿等級，對于深井要選用超高強度抽油桿（H級抽油桿）。超高強度級別抽油桿抗硫化物應(yīng)力開裂性能一般，所以高含H2S油井應(yīng)使用材料強度相對較低的抽油桿或?qū)Ｓ每垢g抽油桿。

如果腐蝕嚴重的超深井，則需要采用新型耐腐蝕抽油桿。一般采取以下三種作法：一是調(diào)整抽油桿用鋼化學(xué)成分，如降低C含量和加入適當?shù)哪臀g性元素如鋁、鉻等；二是熱處理后保證抽油桿各部分組織均勻；三是保證抽油桿用鋼的質(zhì)量，防止表層脫碳、內(nèi)部裂紋等缺陷。

3.2 實施防腐工藝，降低腐蝕影響 ①加注緩蝕劑。抽油桿腐蝕屬于一種電化學(xué)反應(yīng)[3]，一旦發(fā)生腐蝕后腐蝕速度會越來越快，抽油桿斷脫概率成倍增加，而事實證明緩蝕劑能有效延緩腐蝕。因此，對工況惡劣的井應(yīng)定期向井內(nèi)加注緩蝕劑。②在抽油桿表面加保護層。抽油桿的表面加金屬熔覆保護層，是提高抽油桿耐蝕耐磨性能的方法之一。當磨損嚴重時，單獨使用自熔合金很難滿足要求，加入一定比例碳化鎢、碳化鈦、碳化硅和碳化鉻等碳化物的硬質(zhì)相，可較大幅度的提升涂層的性能。

3.3 優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整工作制度 ①優(yōu)化設(shè)計及工作參數(shù)。在合理預(yù)測地層產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化桿柱設(shè)計，適當降低使用系數(shù)。準確計算中和點位置，配套抽油機減載器、防脫器等工具，降低懸點載荷，改善抽油桿受力情況。同時根據(jù)油井情況合理的設(shè)置抽油機井工作參數(shù)，深抽時盡量采用小泵徑、長沖程、慢沖次，降低載荷，減輕抽油桿震動和交變載荷影響，有效降低斷脫率。②合理控制沉沒度。沉沒度過小，柱塞與液面易產(chǎn)生液擊，最大最小載荷差增大，抽油桿螺旋扭矩大，容易造成抽油桿斷脫；沉沒度過大，浮力過大，也會造成下部桿承受拉壓應(yīng)力易斷裂。因此，應(yīng)合理控制油井沉沒度（500-1000m），通過調(diào)整工作參數(shù)或間抽模式，保證抽油桿在合理應(yīng)力范圍內(nèi)工作。

3.4 健全抽油桿管理制度 ①嚴格控制抽油桿出廠質(zhì)量。為實現(xiàn)源頭控制，必須嚴格進行抽油桿質(zhì)檢，控制抽油桿出廠質(zhì)量，嚴禁不合格抽油桿進工區(qū)。②建立抽油桿檢測及分級管理制度。引進抽油桿無損探傷技術(shù)[4]，加強對舊抽油桿和修復(fù)抽油桿的檢測，保證入井抽油桿質(zhì)量。同時建立抽油桿信息臺賬，對新舊桿分級分類儲存，詳細記錄抽油桿使用年限、次數(shù)、井號和使用工況等，為后期合理選擇抽油桿提供依據(jù)。③加強施工質(zhì)量管理。在搬運和存放過程中做好防護，保證抽油桿不彎曲變形、不磕碰撞擊，發(fā)生變形或損傷的抽油桿不入井。在修井過程中嚴格監(jiān)督工程質(zhì)量，保證上扣預(yù)緊力，最大限度的避免人為損傷。

4 結(jié)論及認識

①目前塔河油田抽油桿斷脫的主要原因為泵掛深、載荷大、H2S腐蝕以及抽油桿施工過程中造成的機械損傷。②相對于新抽油桿，舊抽油桿斷脫率大大高于新抽油桿，特別是在高含H2S井中，因此健全舊抽油桿管理制度。③根據(jù)油井狀況優(yōu)選抽油桿，優(yōu)化桿柱組合及抽油機井工作參數(shù)，合理控制沉沒度，可提高抽油桿使用壽命。④采用加注緩蝕劑及抽油桿表面鍍保護層等防腐措施，能有效控制油井腐蝕造成的桿柱斷脫。⑤嚴格控制抽油桿出廠、儲存、搬運、修井等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，盡量消減一切人為影響因素。

[1]孫國鋒等.抽油桿斷裂原因及防治措施探討[J].中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),2011,11.

[2]陳淑艷等.抽油桿的疲勞失效分析與控制[J].中國西部科技,2006（11）.

[3]李其.抽油桿表面裂紋及剩余壽命的可靠性研究[J].哈爾濱工程大學(xué),2006（05）.

[4]李風(fēng)海.抽油桿斷脫機理分析及防斷脫技術(shù)的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2005,07（18）：94-95.