油田抽油機井油管失效原因分析

石永光 鮑振剛

【摘 要】本文從某油田某采油廠抽油機井油管失效的具體實際情況出發，分析抽油機井油管失效的特點及分布規律，發現油管非正常斷裂問題較為突出。通過分析研究油管非正常斷裂機理，結合薩南油田的開發特點，提出相應的治理及預防措施，減少抽油機井油管非正常斷裂失效故障的發生。

【關鍵詞】抽油機井；油管失效；非正常失效；螺紋與斷裂

1 引言

隨著油田抽油機采油的大量應用，抽油機井油管斷裂事故頻繁發生，給油田的正常生產管理帶來諸多困難，不僅使維護性措施工作量增大，原油成本增加，經濟效益降低，同時還影響原油產量。截至2002年12月，某油田共有抽油機井29377口井，年累計實施維護性作業10157井次，發現因油管問題檢泵2499井次，占年維護性措施工作量的24.6%，其中油管絲扣斷裂1007井次占油管失效問題總數的40.3%。第二采油廠從1997～2000年4年間，累計發生油管斷裂故障798井次，累計影響原油產量4.5×104t。油管斷裂率由1997年的11.5%上升到2000年的16.7%，有較明顯的逐年上升趨勢。因此，分析、研究導致抽油機井油管失效的原因，采取行之有效的防治措施，減少及預防抽油機井油管失效故障發生，對油田可持續發展有著極其重要的意義。

2 抽油機井油管斷裂失效類型及分布規律

根據近年來抽油機井作業施工情況來看，油管在井下工作過程中發生失效故障可分為三種類型：第一種是油管螺紋斷裂失效；第二種是油管螺紋因磨損、刺壞、粘扣、機械損傷，造成的脫扣或漏失；第三種是油管管體因腐蝕、偏磨造成的管體漏失失效。在三種油管失效問題中，由于油管斷裂失效影響油井產量多，增加作業施工難度大，油管掉井墩彎損失嚴重，給油田開發造成嚴重危害。

3 抽油機井油管斷裂機理分析

從近幾年斷裂油管使用時間的統計結果來看，斷裂油管的使用時間與斷裂率關系曲線有兩個高峰，第一個高峰在 2年內出現，根據力學理論，工件在交變載荷作用下，循環次數達到1×107次時為疲勞次數，工件在超過疲勞次數時損壞，均屬正常損壞。按抽油機井沖次為每分鐘9次，經計算，工作7年后循環次數可達到3.26×107次，已超過疲勞次數。因此，認為第二個高峰的出現是屬于油管的正常損壞，而第一個高峰的出現是由于各種因素造成的非正常斷裂失效，這是我們分析的重點。

3.1 油管材質質量與斷裂的關系

經調查，目前在油田上應用的油管主要是西德、西班牙、阿根廷、日本、上海寶鋼和江蘇承德等鋼管廠生產的，材質均為中碳結構鋼（J-55級油管）。按照API標準要求，J-55油管出廠狀態應為全長正火、正火+回火或淬火+回火熱處理工藝。而對油管抽樣檢測，發現部分J-55油管金相組織接近退火熱處理狀態，為此我們在同一根新油管上截取三段，進行熱處理狀態檢測。一個直接做金相觀察，另兩個加熱840℃后，分別進行正火和退火處理。

3.2 抽油機井現用偏Ⅲ型采油樹結構與油管斷裂的關系

前幾年，為了滿足油井環空測試要求，某油田在φ70 mm整筒泵及φ56 mm以下抽油泵的井上大量應用了偏Ⅲ型采油樹，為油田測試創造了條件。但從近幾年應用情況看，偏Ⅲ型采油樹不適用于φ140 mm套管的抽油機井上，主要原因是設計偏心距為18 mm，造成油管接箍與套管內壁干涉0.9 mm，使偏Ⅲ油管掛與第一根油管連接絲扣的根部產生較大的彎曲應力。為了證實這一分析，曾應用應力傳感器，對安裝偏Ⅲ型采油樹、采用φ140 mm套管并發生過油管斷裂的南某井，進行了油管載荷及應力測試，測試結果：彎曲應力為62.5 MPa、油管靜載荷應力為44.2 MPa，彎曲應力大于油管靜載荷應力，這也是導致這類井易發生油管斷裂的一個主要因素。

3.3 抽油機井載荷與油管斷裂的關系

針對油管斷裂主要集中在φ56 mm和φ70 mm整筒泵上的實際，對采用φ56 mm、φ70 mm 泵的油管受力狀況進行了分析，發現φ56 mm泵在抽油泵工作過程中，作用在活塞上的液柱重量僅在下沖程時作用在油管上，它是油管承受循環載荷的主要原因。除活塞上較大的液柱重量使載荷變幅增大外，泵筒內徑大于油管內徑，使得油管在上沖程時受到一個向上的力，更進一步加大了循環載荷的變幅，造成了φ70 mm整筒泵油管的疲勞安全系數在所有泵型中是最低的。通過對各種泵徑疲勞安全系數的初步計算，進一步證實了上述分析的結果

3.4 液壓油管鉗使用與油管斷裂的關系

井內管柱是由成百根管件靠螺紋連接而成，螺紋連接質量的好壞，也直接影響油管的使用壽命，目前油田上油管連接主要靠液壓油管鉗對油管進行上、卸扣，實驗證明油管螺紋經過大于1400 N·m扭矩上扣后，螺紋牙的左右側面角度發生變化，相對油管軸線偏倒，這樣的油管下入井內，螺紋牙勢必不能良好地接觸，甚至出現線接觸的可能性，使油管螺紋的密封性能下降，經測定當螺紋牙左右側面角相差大于1°時，油管絲扣將出現泄漏現象。對7根油管用液壓油管鉗上扣試壓檢驗，在每次試壓前對油管進行多次上卸扣，共試壓17次，結果發現如果后一次上扣扭矩小于前一次扭矩，油管出現滲漏的可能性達75% 當搬動換向閥手柄，使換向閥開度突然由最大變到0，再由0變到最大，液壓管路的突然切斷，能引起液體壓力沖擊，同時也會使扭矩的大小發生沖擊變化。

4 防治技術的研究及應用效果

在對油管斷裂機理作初步分析的基礎上，我們加大了油管斷裂治理的力度，采取了有針對性的防斷治理措施，并取得了一定效果。在調查油田在用偏心采油樹的基礎上，經過不斷地研究、分析、改進、完善，我們研制應用KYPⅣ-Ⅱ型井口裝置。這種采油樹整體采用六通體設計，一次鑄造成型，內部采用二次偏心設計，井口主體上采取法蘭連接，通過變徑鋼圈可實現與現有不壓井工具正常連接。由于該種井口裝置采用兩次偏心結構設計，抽油機在正常生產時，井下油管與套管的偏心距為11 mm，使油管接箍與套管內壁之間保持6.1 mm間隙，保證井下油管不產生彎曲應力。在測試時將油管掛轉動1800，井下油管與套管可產生17 mm的偏心距，使油管接箍緊貼套管內壁一側，并保持0.1 mm間隙，保證測試儀器順利起下。并且油管掛密封效果、測試解卡等性能均好于偏Ⅲ型采油樹。

5 結 論

（1）油管加工及修復質量，直接影響油管在井內的使用壽命，因此必須加強油管生產、修復質量及檢測手段。油管掛結構設計不合理，造成油管與套管內壁發生干涉，使油管產生彎曲應力也是引發油管絲扣斷裂的主要因素。因此，必須對現有偏心井口油管掛結構進行改進。能夠徹底消除目前在用偏Ⅲ型井口裝置存在的弊端，并且可以改善螺紋連接處剛度的均勻過度性，能夠有效地解決油管掛處螺紋的斷裂問題。

（2）將偏Ⅲ型采油樹油管掛，改成外加厚式油管掛，進一步提高油管掛螺紋的連接強度，也是目前解決在用偏Ⅲ型采油樹易發生油管掛根部絲扣斷裂問題的有效措施。合理確定油管上扣扭矩，采取合理扭矩控制措施；制定科學有效的作業施工操作規程，減少因各種人為因素對油管螺紋造成的傷害，均能夠有效地延長油管使用壽命，降低油管斷裂率。

作者簡介：

石永光 男；出生年月 1969/10/21；籍貫江 蘇省泗陽縣；參加工作時間 1988/7；學歷 大專；工種 采油；工作單位 大慶油田采油五廠二礦；

（作者單位：大慶油田有限責任公司第五采油廠第二油礦）