抽油桿斷脫原因分析及預防措施

楊元科(中國石油天然氣集團公司玉門油田分公司油田作業公司,甘肅 玉門 735000)

抽油桿斷脫原因分析及預防措施

楊元科(中國石油天然氣集團公司玉門油田分公司油田作業公司,甘肅 玉門 735000)

抽油桿斷脫使油井不能正常生產，影響油井產量。本文從抽油桿的斷脫原因及預防措施進行了分析與討論，并得出結論。對今后油井的正常生產具有一定意義。

油桿斷脫;原因分析;預防措施

修井的目的和任務是恢復油井的正常生產，提高井的生產時率和利用率，以最大限度增加油井的產量，隨著油田開發時間的延續，抽油桿的斷脫現象時有發生，而且頻率很高。給正常的生產帶來了直接影響，盡管在斜井投產時，對抽油桿柱已進行了扶正防磨設計，避免了與油管直接偏磨而發生斷脫。但由于抽油桿柱在斜井中受到循環應力、彎曲應力和旋轉扭矩的工況遠遠較直井復雜。因此，從一定程度上講，抽油桿在斜井中的偏磨斷裂是不可避免的。針對抽油桿柱斷脫問題，近幾年來防治結合，不斷的完善抽油桿柱扶正防磨工藝，優化抽油桿柱結構，使抽油桿斷脫事故得到有效的控制。

抽油桿組成的抽油桿柱將地面抽油機的能量傳到井下，帶動井下抽油泵工作，在工作時抽油桿在油管中作上下往復運動，是一個復雜的振動系統，其工作條件是相當惡劣的。抽油桿通常都由圓鋼制成，兩桿的公扣之間用接箍相接，根據石油工業部標準SY5029-83規定，常用抽油桿的直徑有16，19，22，25mm，標準長度為8000±500mm，抽油桿的鋼材分為C，D，K三個等級。為了保證油井的正常生產，必須了解抽油桿失效的原因。

1 抽油桿斷脫原因分析

1.1 目前抽油桿的組合有

φ25單級組合

φ22單級組合

φ19×φ22雙級組合

φ19×φ22×φ25 三級組合

φ16×φ19×φ22×φ25四級組合

目前，本油田除青西、鴨兒峽外，常用的組合有φ19×φ22的雙級組合和 φ16×φ19×φ22三級組合，以單北油田和水平井為例,由于抽油桿在斜井中承受循環應力、彎曲應力和旋轉扭矩等力，所以在一定程度上來說抽油桿在斜井中斷脫是不可避免的。

抽油桿在油管中上下往復運動，井內隨著工作條件的不同，承受的軸向載荷也不同，與井斜、方位角、井深及油管壁摩擦有關。

當抽油桿在正常工作中時，由于和油管內壁相互摩擦，造成油桿偏磨，加上重力和各種應力的作用，以至于抽油桿發生斷脫。另一種造成抽油桿斷脫的因素為受力不均勻，造成抽油桿內外強度，應力差別。

1.2 對抽油桿疲勞損壞的分析

當抽油桿上下運動時，抽油桿柱頂端的載荷最大，同時是變化的。當整個抽油桿柱的截面尺寸相同時，在抽油桿頂端的抽油桿內產生的應力最大，而且應力是脈動變化的。在這一脈動應力作用下，工作一定時間以后，抽油桿柱頂部的某一薄弱環節就可能發生疲勞斷裂。

在抽油桿柱的下部，抽油泵以上的抽油桿工作條件也是比較差的。抽油泵柱塞下行時，游動閥有一定的壓力降，此壓力降作用在柱塞面積上將產生一定的阻力。該阻力與柱塞和泵套之間的摩擦阻力相加即為抽油泵柱塞下行阻力，這一下行阻力需靠抽油桿的自重來克服。在自重作用下，抽油桿柱中有一部分將產生壓應力。柱塞上行時，抽油桿中的應力又變為拉應力，因此這一部分抽油桿中將會產生方向相反的交變應力。

油稠、泵徑大、下行速度快時，下行阻力會很大，需很長的抽油桿柱自重才能克服這一阻力。因此，抽油桿的下部工作條件很復雜，有可能在工作中首先疲勞損壞，造成脫扣。

其次，使用年限超過3年的抽油桿，在長期的井下工作中，在抽油桿表面形成創傷、刻痕、斷紋、壓凹、磨損、點蝕。在損傷部位形成應力集中，使抽油桿的疲勞強度和安全使用系數降低，因而發生斷裂幾率大大增加。

1.3 化學腐蝕因素

抽油桿柱是浸泡在采出液中的。而采出液中經常包含有鹽水、H2S、CO2、等腐蝕介質，使抽油桿柱腐蝕。

在一些井中，特別是含水較高的一些井中，礦化度相對而言就比較高，可能對金屬有腐蝕作用，抽油桿的絲扣和偏磨的部分被腐蝕，是造成抽油桿可能脫扣的原因之一。在地層水中含有H2S電解融于水中，生成一種酸，腐蝕油桿，H2S與鐵作用，生成原子氫，腐蝕油桿絲扣和偏磨嚴重的部分，造成油桿脫扣。

1.4 供排匹配狀況分析

抽油桿柱發生斷裂的油井，供排矛盾突出，產建井表現突出，在地層供液能力有限的情況下，抽汲參數偏大，主要是沖次和泵徑偏大。通過平均水平比較，可以更加清楚地看出。

當泵的舉升能力超出地層流體流入井底的流量時，通常發生液擊。在這種情況下，在上沖程時泵筒不能完全充滿液體，當下沖程開始時，游動凡爾應當打開卻沒有打開，柱塞承擔了全部流體載荷開始了下沖程。接著，當柱塞撞擊泵筒中的液面時，突然的撞擊力就沿著桿柱傳到了地面。在液擊期間產生的大量動載荷對井下桿柱產生有害的影響，桿柱遇到導致桿斷的縱向彎曲，增加了油桿與油管的偏磨。

綜合上述分析認為，在地層供液能力有限的情況下，沖次和泵徑偏大，液擊工況的發生，也是油油桿斷裂的一個主要原因。

1.5 蠟卡

油井隨著溫度和壓力下降以及輕質組分不斷逸出，原油溶蠟能力隨之不斷降低，原油中的蠟便以結晶析出，聚集并沉積在油管內壁、抽油桿表面。出現結蠟情況，直接影響油井產量，嚴重時迫使油井停產。因此嚴重結蠟也是導致油桿脫扣的原因之一。本油田更為突出.

1.6 強度校核分析

2005年查，一年共發生抽油桿斷裂80多井次，抽油桿斷裂修井占小修井的比例為約為16%左右。

從現場斷裂抽油桿的斷面觀察，表面光滑，無縮徑，呈現典型的疲勞斷裂特征，說明抽油桿斷裂跟抽油桿實際承受的最大和最小載荷構成的循環載荷有很大關系。為了找出抽油桿疲勞斷裂的原因，從強度校核進行分析：

采用美國API方法計算。

抽油桿材料的最小抗拉強度，D級桿為794MPa；

抽油桿安全使用系數，由液體腐蝕程度決定，一般取0.7-0.9。考慮本油田抽油桿使用年限長、井下作業損傷等因素，可適當降低安全使用系數.

合理的應力比范圍大于0.5小于1，并且接近1。對多級組合桿柱，合理的抽油桿組合比例不僅應保證各級抽油桿的應力范圍比大于0.5小于1，而且各級桿的應力比值應該比較接近，也就是應符合強度原則。

要保證抽油桿不發生疲勞損壞，各級桿的最大應力不應超過該級桿的許用最大應力。

通過強度校核分析：

（1）泵深超過1250m時，采取φ19單級組合，抽油桿易發生斷裂；

（2）采用φ16mm×φ19mm二級組合，φ16mm與φ19mm抽油桿的組合比例應保持在φ16mm（69%~64%）+φ19mm(31%~ 36%)的范圍，當φ19mm抽油桿的使用數量超過69%，φ16mm抽油桿的使用數量少于31%，抽油桿柱易發生斷裂；

（3）采用φ16mm×φ19mm×φ22mm三級組合，各級桿柱組合比例應保持在φ16mm（51%~43%）+φ19mm(26%~30%)+φ22 mm(23%~27%)的范圍，否則各級桿柱組合比例失調，破壞了等強度原則，抽油桿柱運行不安全。

2 抽油桿斷脫防治措施

2.1 定向井扶正防磨工藝

玉門油田定向井的井眼軌跡主要分三種類型：直井段到增斜段、直井段—增斜段—穩斜段、直井段—增斜段—水平段，進入油層的井斜角一般20°～50°之間，尤其第三種類型，出現了拐點，甚至形成嚴重的“狗腿”，生產時抽油桿柱的受力狀況變得非常復雜，增大了桿管偏磨的可能性，嚴重時會影響油井正常生產。因此定向井的防磨問題對于提高油井利用率和采油時率、延長油井生產周期意義重大。

為解決抽油桿與油管偏磨這一定向斜井采油的關鍵問題，玉門油田根據油井實鉆井眼軌跡圖，從憑經驗到結合定向井工況診斷及參數優選軟件，實現了定向井全方位扶正防磨。

所用扶正器有以下四種類型：

（1）尼龍扶正器（又稱刮蠟器）

（2）固定式扶正器

（3）兩瓣式扶正器

（4）滾輪扶正器（又稱導向輪）。

前三種扶正器同油管內壁之間靠滑動摩擦接觸，實現抽油桿柱的扶正防磨。滾輪扶正器是靠滾動摩擦接觸油管內壁實現抽油桿柱的扶正防磨，其在定向井扶正防磨措施中有其它扶正器不可替代的作用，故其不僅有扶正防磨的作用，還有降低抽油機懸點載荷的作用，還可定期更換滾輪。

這四種扶正器在定向斜井中均有使用，都能較好的起到扶正防磨作用。

2.2 優化桿柱結構

玉門油田抽油桿在泵深小于1000m時，采用了Φ19mmD級抽油桿一級組合；當泵深大于1000m時，一般采用φ19mm×φ22 mmD級抽油桿兩級組合。

2.2.1玻璃鋼桿應用

玻璃鋼桿具有自身重量輕、彈性好、強度高、耐腐蝕、表面不易結蠟等優點，因此采用玻璃鋼抽油桿抽油可使懸點負荷大幅度下降，避免抽油機和抽油桿柱超載，降低抽油桿柱失效頻率。

2.2.2標準光桿、拉桿應用

普通抽油桿替代作光桿和拉桿在高含水油井中易腐蝕、磨損快，易受卡瓦牙傷害，經常發生斷裂。為此，推薦應用KD級防腐耐磨標準光桿和標準拉桿.應可以降低光桿和拉桿斷裂造成的井下作業強度.

2.3 更換老化、腐蝕抽油桿

針對抽油桿老化，腐蝕也是造成老井抽油桿斷裂的一個重要原因，見意結合修井作業時對不合格抽油桿進行更換。

2.4 配套防氣工具，減少氣體影響

目前受氣體影響造成抽油桿頻繁斷裂，針對這種狀況，建議用配套且已應用成熟的井下油氣分離器。

3 認識與建議

(1)以上措施，建議在玉門油田推廣。

(2)對于老井，因在修井施工中，由于更換油管桿，井下數據有偏差，為了消除隱患，建議在修井設計中注明：斜井段、拐點位置，以便在修井施工中核實井下數據。

(3)對于新井投產，建議作業施工隊嚴格按設計方案組配井下工具。

(4)在急劇彎曲的井眼斷，設計高強度的油桿大小頭，優化組合。這樣，垂直油桿與大小頭在同一平面內受力均勻，消除了因拉力不均而從絲扣處脫扣的危險。

(5)在含有腐蝕性介質的油井中注入緩蝕劑，以延長抽油桿的壽命。

(6)上扣時打好備鉗，防倒扣油桿落井。

(7)上扣扭矩應符合標準，不應過松或過緊。

[1]崔振華等著.《有桿油油系統》.北京：石油工業出版社，1994.

[2]羅英俊等箸.《采油技術手冊》（修訂本）.北京：石油工業出版社，1989.

[3]王鴻勛，張琪等著.《采油工藝原理》，石油工業出版社，1981.

楊元科（1978-）男，土族，青海樂都人，工程師，主要從事油氣田開發工作。