油田抽油桿斷脫原因分析及對策

田玉寶+吳照強

摘要：抽油桿是有桿抽油設備的重要部件，它將抽油機動力傳遞給井下抽油泵。抽油桿的疲勞強度和使用壽命決定和影響著整套抽油設備。油田有桿抽油井在機械采油中約占92%之多，隨著油田開采年限的增長，下泵深度不斷加深，由抽油桿斷脫而造成的維護、措施作業井有上升趨勢。抽油桿斷脫事故嚴重影響了原油產量，增加了修井費用，提高了原油成本。通過對油田抽油桿斷脫原因進行分析研究，提出預防抽油桿斷脫的措施和方法，延長抽油桿的使用壽命，保證油井的正常生產。

關鍵詞：抽油桿；桿柱；斷脫；抽油桿損壞；保證油井的正常生產

1、抽油桿現狀調查

1.1抽油桿結構

抽油桿桿體是實心圓形斷面的鋼體，兩端為鐓粗的桿頭，桿頭由外螺紋接頭、卸荷槽、推承面臺肩、扳手方徑、土緣和圓弧過渡區組成，外螺紋接頭用來與接箍相連接，扳手方徑在裝卸抽油桿接頭時卡抽油桿鉗用。

油田主要使用D級抽油桿，桿徑19mm，22mm，25mm三種。該級抽油桿碳鋼或合金鋼經鐓粗整體熱處理，外螺紋滾壓加工，噴丸強化，油溶性涂料防護等工序制成，具有一定的抗疲勞或抗腐蝕勞性能，適用于中、重負荷的油井。

1.2抽油桿斷脫原因

油田有些區塊油井較深，隨著開采時間的推移，油管、抽油桿的老化為抽油桿的斷脫的主要因素，所以有必要通過對失效件分析明確失效類型，找出失效原因，采取改進和預防措施，進一步提高產品的質量防止類似的失效在設計壽命內發生。

通過分析，油田抽油桿失效類型主要是脫扣和斷裂，其中脫扣比例略大于斷裂比例。下面對抽油桿失效類型作進一步分析。

2、抽油桿斷脫原因分析

根據機械動力學原理分析了抽油桿、在上、下沖程過程中每一點的受力狀況。

（1）、在上沖程過程中，桿柱每一點受力如下：向上的拉力；該點以下桿柱在液體中的重力；該點以下桿柱在上行中與液體的摩擦力；活塞與泵筒的摩擦力。由于向上的拉力大于其它向下的阻力之和，因此，桿柱在向上的拉力作用下向上運動，完成上沖程。在這個運動過程中，桿柱每一點的合力都是向上，桿柱被拉直。

（2）、在下沖程過程中，抽油桿每一點的合力都是向下。桿柱每一點的受力如下：該點以下桿柱在液體中的重力；泵柱塞與泵筒之間的摩擦阻力、抽油桿及其接箍在液體中的下行阻力以及流體通過游動凡爾的摩擦阻力、該點以上桿柱在液體中的重力作用于該點形成的向下的壓力。下沖程時各點受力比較復雜，而且處于變化中，下沖程運動開始時，還受到桿柱向上的慣性力的作用，各點合力向下，桿柱向下運動。中性點以上的抽油桿始終處于拉伸狀態，不會彎曲變形，而中性點以下的抽油桿，由于該點以下桿柱的重力較小，不足于克服其它各種向上的阻力， 而該點以上桿柱的重力較大，作用于該點形成向下的壓力較大，下部桿柱在強大的壓力作用下完成下沖程，容易彎曲變形。由于桿柱的塑性較強，上部的重力不會很快對下部形成壓力，而下部桿柱在上沖程的慣性力作用下還在向上運動，大大增加了中下部桿柱的彎曲程度，使抽油桿強度變低，加之交變載荷的影響，抽油桿容易疲勞。

2.1.抽油桿在井下狀況的受力分析

假設抽油桿柱在井下為理想的垂直狀態，在臨界彎曲狀態時，在抽油桿柱某一截面上存在一個中和點。下沖程時，中和點以下的抽油桿受壓力作用發生彎曲，中和點以上的抽油桿受拉力作用而不發生屈曲，該中和點截面既不受拉也不受壓。工作時，在底部只要施加不大的縱向壓縮載荷，就可能產生失穩彎曲。

抽油桿柱底部第一根將極易發生失穩彎曲。抽油機井泵上第二根到中和點的抽油桿柱比底部第一根抽油桿更容易發生受壓失穩彎曲。這就從理論上解釋了現場存在的偏磨油井泵上10m—500m均發生管桿偏磨，且在30m—400m這段偏磨特別嚴重的根本原因。

抽油機井桿柱在抽油的過程中，由于桿柱屬細長桿，受到軸向壓力的作用，會失穩、產生彎曲，彎曲的形狀與軸向壓力的大小有關，隨著軸向力的變化，桿柱首先產生正弦彎曲，然后是螺旋彎曲，當軸向壓力足夠大時，桿柱便會自鎖。

在臨界彎曲狀態時，在抽油桿柱某一截面上存在一個中和點。下沖程時，中和點以下的抽油桿受壓力作用發生彎曲，中和點以上的抽油桿受拉力作用而不發生屈曲，該中和點截面既不受拉也不受壓。抽油桿浮力和抽油桿、液體之間的摩擦阻力相對較小，且均勻分布在抽油桿柱上，理論上不能引起偏磨，所以在計算軸向力時，主要考慮泵柱塞與泵筒之間的摩擦阻力及流過游動凡爾的阻力。

當產出液粘度比較高時，液體通過游動凡爾產生的阻力往往是造成抽油桿柱下部彎曲的主要原因，對懸點載荷也會造成不可忽略的影響。油管內壁和抽油桿接箍產生摩擦，油管偏磨面積較大，磨損較輕。而彎曲度越大的地方，不僅油管內壁與抽油桿接箍產生摩擦，油管內壁與抽油桿本體也產生摩擦，油管偏磨面積較小，磨損較嚴重。抽油桿上、下往復運動與油管內壁發生偏磨，而且油管因抽汲力的作用，產生蠕動，與套管也發生偏磨。有時桿、管接箍被磨平，造成管柱漏失，嚴重時桿、管斷脫落井；有時油管本體被磨穿。

2.2抽油桿的脫扣

抽油桿的脫扣是指抽油機在往復抽吸過程中，接箍與抽油桿的接觸端面在變動載荷作用下松動卸開來，造成抽油機柱分離，導致整個抽油設備的失效。

1）預緊力不足的影響

當預緊力足夠大時，接箍端面與抽油桿臺肩側面接觸面的壓力大于抽油桿柱受的載荷，接觸面始終保持壓緊狀態，外螺紋接頭受到的循環載荷幅度有所減緩，外螺紋接頭不會失效；如果預緊力不足，抽油桿外螺紋接頭不僅受到較高的應力幅度的作用，也受到外螺紋接頭在解雇中搖動所產生的彎曲應力，則可能發生早期失效。

2）造成預緊力不足的因素

a、裝配抽油桿桿接頭時，事先沒有將外螺紋接頭和接箍清洗干凈。

b、預緊力達不到要求。油田常用19mm，22mm，25mm抽油桿上緊接頭時推存力矩為1193NM。

使用規格24的管鉗帶緊應達到：

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

使用規格36的管鉗帶緊應達到：

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

3）抽油桿、接箍磨損

對于斜井、彎井或加壓過大井，抽油桿與油管相對運動的磨損嚴重，常將抽油桿或接箍的側面磨去一大塊，造成接箍損壞，導致脫扣，甚至將油管磨漏。

為了減輕抽油桿接箍與油管的磨損，在抽油桿桿與油管接觸的部位安裝扶正器，其效果很好。

3、對策

實踐證明，建立科學的抽油桿管理制度是防止抽油桿斷脫的最有效措施。

3.1對抽油井系統進行優化設計

通過預測油井的產能，考慮一定的工作年限，合理確定下泵深度；從經濟和技術方面進行綜合論證，在降低沖刺、改變抽油桿組合或采用玻璃鋼抽油桿和改變泵徑等方面，選出確實可行的方案。

3.2建立油井抽油桿檔案

抽油桿檔案可了解抽油桿的服役條件和累積工作時間，準確掌握使用壽命。抽油桿使用壽命一般為三年，三年服役期滿后，應更換整個抽油桿柱，防止新舊混用。

3.3在運輸過程中加強管理。

用專車拉運抽油桿，盡可能避免運輸過程中的損傷。

3.4建立嚴格的回收檢測、修復管理制度

對于抽油桿不僅僅要清洗分類、肉眼觀測，還需要對使用過的和更換的抽油桿進行表面缺陷、內在質量和螺紋連接性能、抗拉強度等項目進行全面檢測。對可修復的缺陷進行修復，經檢查和修復的合格抽油桿繼續下井使用，而對不合格的予以報廢。這不僅可以充分利用抽油桿，而且還會消除事故隱患，減少抽油桿斷脫率，降低躺井，為油田創造更大的經濟效益。

參考文獻：

[1]孫國峰，馬金春，張保民，等.抽油桿斷脫原因剖析及防治措施探討[J].中國高新技術企業，2011（31）：107-108.