田玉寶+吳照強(qiáng)

摘要：抽油桿是有桿抽油設(shè)備的重要部件，它將抽油機(jī)動(dòng)力傳遞給井下抽油泵。抽油桿的疲勞強(qiáng)度和使用壽命決定和影響著整套抽油設(shè)備。油田有桿抽油井在機(jī)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(hù)、措施作業(yè)井有上升趨勢(shì)。抽油桿斷脫事故嚴(yán)重影響了原油產(chǎn)量，增加了修井費(fèi)用，提高了原油成本。通過對(duì)油田抽油桿斷脫原因進(jìn)行分析研究，提出預(yù)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(chǎn)。

關(guān)鍵詞：抽油桿；桿柱；斷脫；抽油桿損壞；保證油井的正常生產(chǎn)

1、抽油桿現(xiàn)狀調(diào)查

1.1抽油桿結(jié)構(gòu)

抽油桿桿體是實(shí)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(tái)肩、扳手方徑、土緣和圓弧過渡區(qū)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(shí)卡抽油桿鉗用。

油田主要使用D級(jí)抽油桿，桿徑19mm，22mm，25mm三種。該級(jí)抽油桿碳鋼或合金鋼經(jīng)鐓粗整體熱處理，外螺紋滾壓加工，噴丸強(qiáng)化，油溶性涂料防護(hù)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(fù)荷的油井。

1.2抽油桿斷脫原因

油田有些區(qū)塊油井較深，隨著開采時(shí)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(duì)失效件分析明確失效類型，找出失效原因，采取改進(jìn)和預(yù)防措施，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量防止類似的失效在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)發(fā)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(duì)抽油桿失效類型作進(jìn)一步分析。

2、抽油桿斷脫原因分析

根據(jù)機(jī)械動(dòng)力學(xué)原理分析了抽油桿、在上、下沖程過程中每一點(diǎn)的受力狀況。

（1）、在上沖程過程中，桿柱每一點(diǎn)受力如下：向上的拉力；該點(diǎn)以下桿柱在液體中的重力；該點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，完成上沖程。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，桿柱每一點(diǎn)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(diǎn)的合力都是向下。桿柱每一點(diǎn)的受力如下：該點(diǎn)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(dòng)凡爾的摩擦阻力、該點(diǎn)以上桿柱在液體中的重力作用于該點(diǎn)形成的向下的壓力。下沖程時(shí)各點(diǎn)受力比較復(fù)雜，而且處于變化中，下沖程運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，還受到桿柱向上的慣性力的作用，各點(diǎn)合力向下，桿柱向下運(yùn)動(dòng)。中性點(diǎn)以上的抽油桿始終處于拉伸狀態(tài)，不會(huì)彎曲變形，而中性點(diǎn)以下的抽油桿，由于該點(diǎn)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(diǎn)以上桿柱的重力較大，作用于該點(diǎn)形成向下的壓力較大，下部桿柱在強(qiáng)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(qiáng)，上部的重力不會(huì)很快對(duì)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(yùn)動(dòng)，大大增加了中下部桿柱的彎曲程度，使抽油桿強(qiáng)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(shè)抽油桿柱在井下為理想的垂直狀態(tài)，在臨界彎曲狀態(tài)時(shí)，在抽油桿柱某一截面上存在一個(gè)中和點(diǎn)。下沖程時(shí)，中和點(diǎn)以下的抽油桿受壓力作用發(fā)生彎曲，中和點(diǎn)以上的抽油桿受拉力作用而不發(fā)生屈曲，該中和點(diǎn)截面既不受拉也不受壓。工作時(shí)，在底部只要施加不大的縱向壓縮載荷，就可能產(chǎn)生失穩(wěn)彎曲。

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

抽油機(jī)井桿柱在抽油的過程中，由于桿柱屬細(xì)長桿，受到軸向壓力的作用，會(huì)失穩(wěn)、產(chǎn)生彎曲，彎曲的形狀與軸向壓力的大小有關(guān)，隨著軸向力的變化，桿柱首先產(chǎn)生正弦彎曲，然后是螺旋彎曲，當(dāng)軸向壓力足夠大時(shí)，桿柱便會(huì)自鎖。

在臨界彎曲狀態(tài)時(shí)，在抽油桿柱某一截面上存在一個(gè)中和點(diǎn)。下沖程時(shí)，中和點(diǎn)以下的抽油桿受壓力作用發(fā)生彎曲，中和點(diǎn)以上的抽油桿受拉力作用而不發(fā)生屈曲，該中和點(diǎn)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(duì)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(jì)算軸向力時(shí)，主要考慮泵柱塞與泵筒之間的摩擦阻力及流過游動(dòng)凡爾的阻力。

當(dāng)產(chǎn)出液粘度比較高時(shí)，液體通過游動(dòng)凡爾產(chǎn)生的阻力往往是造成抽油桿柱下部彎曲的主要原因，對(duì)懸點(diǎn)載荷也會(huì)造成不可忽略的影響。油管內(nèi)壁和抽油桿接箍產(chǎn)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(nèi)壁與抽油桿接箍產(chǎn)生摩擦，油管內(nèi)壁與抽油桿本體也產(chǎn)生摩擦，油管偏磨面積較小，磨損較嚴(yán)重。抽油桿上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)與油管內(nèi)壁發(fā)生偏磨，而且油管因抽汲力的作用，產(chǎn)生蠕動(dòng)，與套管也發(fā)生偏磨。有時(shí)桿、管接箍被磨平，造成管柱漏失，嚴(yán)重時(shí)桿、管斷脫落井；有時(shí)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(jī)在往復(fù)抽吸過程中，接箍與抽油桿的接觸端面在變動(dòng)載荷作用下松動(dòng)卸開來，造成抽油機(jī)柱分離，導(dǎo)致整個(gè)抽油設(shè)備的失效。

1）預(yù)緊力不足的影響

當(dāng)預(yù)緊力足夠大時(shí)，接箍端面與抽油桿臺(tái)肩側(cè)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(tài)，外螺紋接頭受到的循環(huán)載荷幅度有所減緩，外螺紋接頭不會(huì)失效；如果預(yù)緊力不足，抽油桿外螺紋接頭不僅受到較高的應(yīng)力幅度的作用，也受到外螺紋接頭在解雇中搖動(dòng)所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，則可能發(fā)生早期失效。

2）造成預(yù)緊力不足的因素

a、裝配抽油桿桿接頭時(shí)，事先沒有將外螺紋接頭和接箍清洗干凈。

b、預(yù)緊力達(dá)不到要求。油田常用19mm，22mm，25mm抽油桿上緊接頭時(shí)推存力矩為1193NM。

使用規(guī)格24的管鉗帶緊應(yīng)達(dá)到：

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

使用規(guī)格36的管鉗帶緊應(yīng)達(dá)到：

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

3）抽油桿、接箍磨損

對(duì)于斜井、彎井或加壓過大井，抽油桿與油管相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨損嚴(yán)重，常將抽油桿或接箍的側(cè)面磨去一大塊，造成接箍損壞，導(dǎo)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(duì)策

實(shí)踐證明，建立科學(xué)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(duì)抽油井系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過預(yù)測(cè)油井的產(chǎn)能，考慮一定的工作年限，合理確定下泵深度；從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面進(jìn)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(shí)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(shí)間，準(zhǔn)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(yīng)更換整個(gè)抽油桿柱，防止新舊混用。

3.3在運(yùn)輸過程中加強(qiáng)管理。

用專車?yán)\(yùn)抽油桿，盡可能避免運(yùn)輸過程中的損傷。

3.4建立嚴(yán)格的回收檢測(cè)、修復(fù)管理制度

對(duì)于抽油桿不僅僅要清洗分類、肉眼觀測(cè)，還需要對(duì)使用過的和更換的抽油桿進(jìn)行表面缺陷、內(nèi)在質(zhì)量和螺紋連接性能、抗拉強(qiáng)度等項(xiàng)目進(jìn)行全面檢測(cè)。對(duì)可修復(fù)的缺陷進(jìn)行修復(fù)，經(jīng)檢查和修復(fù)的合格抽油桿繼續(xù)下井使用，而對(duì)不合格的予以報(bào)廢。這不僅可以充分利用抽油桿，而且還會(huì)消除事故隱患，減少抽油桿斷脫率，降低躺井，為油田創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)企業(yè)，2011（31）：107-108.