（机械工程专业论文）抽油机井油管疲劳断裂机理和预防措施的研究.pdf

抽油机井油管疲劳断裂失效机理和预防措施的研究 摘要 近年来，人庆油田抽油机油管断裂事故日益频繁，给油田造成巨人的经济损火。目前，国内外对 油管断裂火效还未深入地进行研究。为此，本文针对人庆油田j 5 5 、2 名抽油机井油管的1 f 正常断裂 火效进行系统地实验研究和理论分析。 本文首先根据疲劳火效的基本概念、运用金属断口分析技术对油管断口的宏观和微观的特征进行 观察和分析，升结合油管的i ：作载荷特点和油管的断裂部位，判定抽油机井油管断裂属r 疲劳断裂火 效。 本文通过对专业生产厂家生产的和现场破断的油管进行化学成分分析、机械性能测试和金相组织 观察，认为，人庆油田在役油管的材质虽然存在某些闯题，但基本符合a p i 规范，即，油管材质质苗 不是引起油管非止常疲劳断裂火效的主要原冈。 本文通过对油管断口的宏观和微观形貌的深入观察与分析，获得了有关断裂火效发生和进程方面 的各个信息，全面掌握了油管疲劳断裂的征象。结合油管螺纹根部的戍力状态分析，明确了引起油管 非正常断裂失效的主要原因，即，多次大扭矩上、卸扣，再加上油管螺纹几何尺寸不合格( 按a p i 标准) 使油管危险截面处的螺纹根部( 也是应力集中部位) 处丁很高的应力水平；造成严重损伤，使其疲劳 强度急剧f 降，甚至产生“先天性”的疲劳源。这种油管f 井 作，在循环载荷的作h jr ，将迅速形 成疲劳裂纹，甚至“先天性”疲劳源直接扩展，结果造成远低于一般止常寿命的1 f 正常疲劳断裂失效。 此外，对油管断口的裂纹源区和扩展区的腐蚀迹象进行了低倍观察，并结合能谱分析，明确了腐蚀对 疲劳裂纹的形成不起明显作j j ，但对裂纹的扩展有一定的加速作用。 本文最后运州疲劳强度及寿命方面的描述和分析方法，对油管危险截面的螺纹根部的实际疲劳强 度进行估算，进而对油管疲劳裂纹形成和扩展的机理进行了进一步的探讨，并提出预防油管疲劳断裂 的各项措施。 关键词：抽油机井，油管螺纹，疲劳断裂，断口分析，火效机理，预防措施。 r e s e a r c ho rm e c h a n i s ma n dp r e v e n t i v em e a s u r e s o ff a t i g u ef r a c t u r eo ft u b i n gi ns u c k e rr o dp u m p i n gw e l l s a b s t r a c t i nt h ep a s taf e wy e a r s ，t h ea c c i d e n t so f t h et u b i n gb r e a ki ns u c k e rr o dp u m p i n gw e l l si nd a q i n go i lf i e l d h a v eb e e nh a p p e n i n gw i t hi n c r e a s i n gf r e q u e n c y t h ea c c i d e n t sh a v ec a u s e de n o r m o u se c o n i m i cl o s s e s s of a l t h es t u d yt ot h et u b i n gb r e a kh a sn o tb e e nm a d ei nd e p t ha th o m ea n da b r o a d 。s o ，i nt h i st h e s i s ，t h e e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa r em a d es y s t e m a t i c a l l yt ot h ei m p r o p e rf r a c t u r ef a i l u r eo ft h e j 5 52 名t u b i n gi nd a q i n go i lf i e l d o nt h eb a s i so ff u n d a m e n t a lf a t i g u ec o n c e p t ，t h eo b s e r v a t i o na n dt h ea n a l y s i st e c h n i q u eo ft h ef a t i g u e b r e a kf a c e ，l o o k i n gi n t ot h em a c r o s c o p i ca n dt h em i c r o s c o p i cf a t i g u ef e a t u r e so nt h et u b i n g sb r e a kf a c e ， c o m b i n i n gw i t ht h ew o r k i n gl o a da n dt h eb r e a kp o s i t i o no ft h et u b i n g ，w ec o n c l u d et h a tt h et u b i n gb r e a k b e l o n g st ot h ef a t i g u ef a i l u r e b ym e a f | so ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s , t h em e c h a n i c a lt e s ta n dt h em e t a t l u r g i c a ls t r u c t u r e o b s e r v a t i o no ft h et u b i n gp r o d u c e db ys p e c i a l i z e df a c t o r ya n df r a c t u r e di no i lf i e l d ，w ec o n c l u d et h a tt h e m a t e r i a lq u a l i t yo f t h et u b i n gu s e di nd a q i n gh a ss o m ed e f e c t s ，b u ti ta c c o r d sw i t ht h ea p is t a n d a r db a s i c a l l y , i no t h e rw o r d s ，t h ei m p r o p e rf a t i g u eb r e a ko f t u b i n gi sn o tm a i n l yc a u s e db yt h em a t e r i a lq u a l i t yd e f e c t s t h ep r o c e s sa n dt h ef e a t u r e sa n dt h em a i nr e a s o o so ft h ei m p r o p e rf a t i g u ef r a c t u r eo ft u b i n ga l ef o u n d ， t h r o u g ht h em a c r o s c o p i ca n dt h em i c r o s c o p i co b s e r v a t i o no nt h et u b i n 9 1 sf r a c t u r e df a c e ，a n ds t r e s sa n a l y s i si n t h er o o to f t u b i n gt h r e a d ，t h a ti s ，t i g h t e n i n gu po rl o o s e n i n gs c r e ww i t hh e a v yt o r q u ef o rm a n yt i m e sa n dt h r e a d s i z en o ta c c u r a t i n gt oa p is t a n d a r dm a k et h r e a dr o o to f d a n g e r o u ss e c t i o n ( s t r e s sc o n c e n t r a t ! o np o s i t i o n ) h i g h s t r e s sl e v e l i tc a u s eh e a v yd a m a g ea tr o o t ，w h i c hm a k ef a t i g u es t r e n g t hl o w e rf a s t l y , s of a ra st op r o d u c e c o n g e n i t a ls o u r c eo ff a t i g u ec r a c k t h et u b i n gw i t ht h ed a m a g ei nt h eo i lw e l ls t a r to r i g i no ft h ef a t i g u ec r a c k q u i c k l yu n d e rc y c l el o a d ，o rc o n g e n i t a lc r a c k i se x t e n d e da n ds n a p se v e n t u a l l y m a c r o s c o p eo b s e r v a t i o na n d e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i st oc o r r o s i o no nt h eo r i g i na n de x t e n s i o na r e ao fc r a c ki sm a d e i ti sc o n c l u d e dt h a t c o i t o s i o nc a n tc a u s ef a t i g u ec r a c kd i r e c t l y , b u ti tc a na c c e l e r a t ec r a c k f i n a l l y , b ym e a n so f t h ea n a l y s i sm o t h e do f f a t i g u es t r e n g t ha n dl i f e ，t h ea c t u a lf a t i g u es t r e n g t ha tt h er o o t o f t h r e a dd a n g e rs e c t i o ni se s t i m a t e d ，a n dd i s s c u s s e sm e c h a n i s mo f o r i g i na n de x t e n s i o no f c r a c kd e e p l y , a n d p r o v i d et h em e a s u r e st op r e v e n tf a t i g u eb r e a ko f t h et u b i n g k e yw o r d s ：s u c k e rr o dp u m p i n gw e l l ，t u b i n gt h r e a d ，f a t i g u ef r a c t u r e ，b r e a kf a c ea r i ay s i s ，f a i l u r em e c h a n i s m ， p r e v e n t i v em e a s u r a 浙江大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 抽油机井油管失效情况统计 秆油是国家的重要的经济命脉。我国石油产量的三分之一以上来自大庆油田。人庆油田白从1 9 8 3 年全面转为抽油机井采油以来，就逐渐出现了油管破坏和失效的情况。尤其是近几年来，油管火效的 比率在逐年上升。 表1 1 大庆采油一厂9 4 年9 7 年返1 ：井的原因分类 油管抽油杆其它原因 年度返一【井数 比例比例比例 火效井数 失效井数 返j ：井数 1 9 9 42 9 17 82 6 85 61 9 2 1 5 75 4 1 9 9 52 0 64 32 0 93 21 5 51 3 1 。6 3 6 1 9 9 64 1 41 5 43 7 21 0 02 4 21 6 03 8 6 1 9 9 74 0 2 1 3 9 3 4 61 0 62 6 4 1 5 73 9 注：1 此表为作业公司施i ：保修期( 一年) 内的返工情况。 2 比例是指占返1 ：井的比例。 油管抽油杆其它原因 年度检泵井数比例比例比例 失效井数失效井数 检泵井数 1 9 9 2 8 4 3 1 8 72 2 28 0 9 5 5 7 66 8 3 1 9 9 37 7 32 2 82 9 51 0 l1 3 1 4 4 45 7 4 1 9 9 49 8 82 0 52 0 79 49 56 8 96 9 8 1 9 9 59 9 l2 9 02 9 31 3 81 45 6 35 6 7 注：比例指r 检泵的比例。 表l 一3 人庆各采油厂9 5 年油管失效情况 单位 一厂二厂 四厂 六厂八厂合计 检泵井数( 口)1 2 8 09 9 l4 5 69 5 3 3 7 l4 0 5 l 油管失效井数( 口)3 4 32 9 0l l o2 2 0l l l1 0 7 4 l 吁检泵比例( )2 6 82 9 32 4 12 3 12 9 92 6 5 从以上二表的数据可以看出，由于油管问题而进行检泵的井数已超过总检泵井数的四分2 一，甚 至达到三分之一。这表明，多年来油管问题已严重影响了抽油机井的止常i ：作，从而影响了人庆油田 原油的高产、稳产。同时，由于油管失效使得各项费用( 包括各项材料费、修井作业费和人r 费等) 火幅度增加，给油田造成很人的经济损失。 表l 4 大庆油田由于油管失效而造成的经济损失 年度1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 5合计 全局井数( 口) 1 2 7 4 11 4 1 9 5 1 5 9 4 01 7 0 9 3 1 8 8 2 97 8 7 9 8 检泵井数( 口)4 0 8 64 7 6 15 2 2 46 1 6 36 2 8 4 2 6 5 1 8 油管火效井数( 口)1 0 8 31 2 6 21 3 8 41 6 3 31 6 6 57 0 2 7 经济损火( 万元) 1 0 8 3 01 2 6 2 01 3 8 4 01 6 3 3 01 6 6 5 07 0 2 7 0 油管失效井数按i 与检泵井数的2 6 5 推算。 油管火效经济损失按每口井1 0 万元( 现场调研数据) 计算。 第一章绪论 从表卜_ 4 可以看出，人庆油田每年由丁油管失效所造成的经济损失达1 亿多元，并逐年 上升趋 势，油管火效问题己成为人庆油田生产急待解决的突出问题。 1 2抽油机井油管失效类型 油田现场将油管失效分为：油管断裂、油管漏失和油管脱扣三种类型。从人庆采油二厂i ：程技术 人队同收人龉的火效油管，经观察发现，失效部位均在螺纹处；油管上没有发现严重的腐蚀痕迹。油 管在螺纹处火效有三种类型：油管断裂、螺纹刺坏和螺纹粘扣。很显然，油管漏火是油r 螺纹刺坏引 起的，油管脱扣是由丁螺纹粘扣引起的。 一油管断裂 井r 油管梓由接箍把一根根油管连接而成，其作朋是把地r 储集层的油气输送到地面输油管网”1 。 通过对油田现场调研得知，破断油管的位置大部分是在油管柱的中上部。表l 一5 中的数据是采油八厂 各年度破断油管在油管拄中的位置的比例。破断油管的断裂位置均在油管的r 公扣尾部与接箍旋合的 第一扣处，见幽l 一1 、图l 一2 。 年度油管挂短接第1 _ 2 0 根 第2 l 4 0 根第4 0 根以f 1 9 9 23 3 34 6 71 7 8 2 2 1 9 9 32 3 96 5 7l o 40 1 9 9 43 0 o5 1 41 4 24 3 1 9 9 51 5 3 5 6 72 0 77 2 注：破断油管的位置是指从井口数第几根油管。 图1 1 油管断裂 图1 2 油管断口部位 油管在上扣时，需。宛的上扣士h 矩才能与接箍达到合理的旋合位置。我们对1 5 5 、7 3 5 5 1 m m 的 普通油管，在a p i 规定的扭矩f 上扣后，在油管螺纹的小端附近区域受力最人，齿面产生较人的塑性 变形，齿根处沿整个罐厚范围内己发生全面屈服；其大端受力次之，其齿面也产生了较人的塑性变形， 在与接箍结合的第一扣处的螺纹根部表面产生一定屈服；油管螺纹的中部受力较小，其齿根处仍处丁 弹性状态。油管柱卜到井中i ：作后，受拉拉交变载荷作用，在油管螺纹人端与接箍结合的第一扣 的齿根处，所受的轴向拉力最人，使其成为危险截面。而油管在实际上扣时，往往是过御矩上扣，油 管螺纹的受力进一步加人，使危险截面的齿根处产生更火的变形，造成严重缺陷。再加上油管在r 井 后往往要受到附加弯矩的作j l f j ，相应的齿根处的廊力水平增高，从而使危险截面受拉的一面的齿根处 产生裂纹。在交变戍力的作川f ，裂纹扩展，直至最后断裂。 2 浙扛大学硕 ：研究生学位论文 二油管螺纹刺坏 由丁- 油管螺纹密封不严，在螺纹段的一侧，高速高压的原油沿着油管轴线冲刷螺纹，将部分螺纹 齿冲刷掉并冲出儿条沟槽( 如图l 3 所示) ，严重者将油管内壁也冲刺透。分析其原闪为，油管或接 箍螺纹的儿何尺寸超著；油管和接箍连接时，润滑脂加注不均匀，甚至不加润滑脂，使油管和接箍螺 纹的密合性不好。油管在抽油过程中由于其内部压力高于管外套压，造成原油沿泄漏处对螺纹进 r 冲 刷，导致油管螺纹刺坏。针对油管螺纹刺坏问题，现场己采取了一些措施，如采州液压管钳代替手r 上扣以加人上扣扭矩等措施。这些措施能在一定程度上缓解油管螺纹刺坏问题。但如前所述，上扣州 矩过人，将使油管螺纹危险截面的齿根处的塑性变形加大，造成不良后果。因此，戍合理控制上扣扣 矩，使油管在合适的状态下正常t 作。 三油管螺纹粘扣 油管螺纹粘扣原冈，是由丁油管上扣时不对中而上错扣，或没有在螺纹上涂抹润滑脂使螺纹之间 干磨。油管材料硬度较低，螺纹挤压的结果就会使螺纹发生粘扣( 冷焊) ，从外观一t - 看就象螺纹被磨平 一样。如图1 4 所示。 图1 3 油管螺纹刺坏 图l 一4 油管螺纹粘扣 从现场调研结果看( 表1 6 是人庆采油一厂近儿年各种油管火效类型所【i 的比例) ，油管断裂1 1 l 油管火效的比例相当人，其次是油管漏失，油管脱扣只d i 很小的比例。冈此，油管断裂成为汕管火效 的一个主要形式，也是本文土要要研究的。 表1 6 采油一厂返j r 井油管失效类型 年度油管火效数油管断裂 比例( ) 油管漏失比例( )油管脱扣比例( ) 1 9 9 47 83 64 6 22 63 3 31 62 0 5 1 9 9 54 32 04 6 51 84 1 95 1 1 6 1 9 9 61 5 45 63 6 48 45 4 649 0 1 9 9 71 3 96 34 5 35 53 9 62 l1 5 1 注：比例是指 i 油管火效数的比例。 1 3 破断油管运 - 1 ：1 失效的技术资料及分析 在主要从人庆采油_ 二厂同收来的大量破断油管中选取数十根( 其中包括以后将要进行断口观察 的) ，将它们的运行和失效的原始资料列入表卜一7 中。 第一章绪论 表1 7 失效油管原始资料表 油管起上次作油管断免修期油管总寿 失效施工新、 券 呼泉型呼 用时间业时间裂时间( 灭)命( 灭)管序次数修复管 1 4 3 l - 4 2 3整筒3 8 9 5 1 29 5 1 29 6 31 0 31 0 33 71 修复管 25 丁4 1 3 9 衬套5 6 9 3 19 5 89 5 1 i5 61 0 3 58新管 31 7 7 5 8 3衬套5 68 9 99 5 89 6 62 8 02 4 6 08 7 新皆 44 丁3 1 2 8整筒7 09 4 59 5 1 29 6 37 86 7 09 4新管 52 5 丙1 3 6 整筒7 0 8 9 89 5 79 6 42 6 l2 7 8 94 4新管 62 - j 2 丙1 5 1整筒7 0 8 8 8 9 5 99 6 31 8 02 7 8 0 3 9新管 72 - 6 i , q1 3 8整筒7 0 9 5 9 9 5 99 6 31 6 71 6 7 1 81修复管 81 6 9 6 0整筒7 08 8 59 5 1 29 6 39 62 8 4 54新管 9 1 7 6 6 3村套5 6 9 4 1 09 4 1 09 5 1 7 27 2 4 8l修复管 1 0 1 6 4 5 6 3衬套5 6 9 6 49 6 1 29 7 7 1 8 34 5 1 1 1新管 1 l南8 - 1 0 - 6 4 5整筒7 09 3 99 6 1 29 7 31 1 01 2 8 28 9新管 1 23 丁5 - 1 2 6 整筒7 0 8 6 1 09 7 29 7 7 1 3 83 9 1 8 6新管 1 3南2 5 - 2 3 2整筒7 0 9 2 49 7 29 7 8 1 6 71 9 4 6 2 5新管 1 4高1 6 7 5 6整筒7 09 6 1 29 6 1 29 7 61 5 61 5 6ll修复管 1 5i 盎1 8 5 5 6整筒7 09 2 59 5 39 5 81 2 81 1 7 08 1新管 1 61 7 7 5 8 3 衬套5 6 8 9 49 5 99 6 62 8 02 4 6 08 7新管 1 7 1 8 8 5 6 3整筒7 0 9 7 89 7 89 8 7 3 5 03 5 0 l l修复管 1 8 2 3 i - q1 4 7衬套5 6 9 5 49 8 89 8 9 4 41 2 4 44 8新管 1 91 7 5 6 2整筒7 09 7 39 8 49 8 1 0 1 6 35 7 03新管 2 02 - 4 撕1 2 5 衬套5 6 9 2 49 5 49 8 6 1 1 5 02 2 5 0 l新管 2 l3 丁5 1 2 6 整简7 0 9 7 79 7 79 8 3 2 4 52 4 5 61修复管 - 2 22 3 丙1 4 7衬奁5 69 5 49 8 69 8 85 21 2 0 08 6新管 2 3i 丁6 山1 3 7衬奁5 68 8 1 l9 6 99 8 45 7 03 6 9 0j新管 2 41 6 6 4 4 29 7 39 8 19 8 1 23 3 06 3 51 42修复管 2 5 1 6 6 - 5 1 3整筒7 0 9 0 49 8 1 l9 9 1 6 03 1 9 01 85新管 2 6 1 7 1 5 0 9 8 8 9 8 8 9 9 1 1 5 01 5 011修复管 2 71 7 】5 4 3整筒7 09 8 j 09 8 j 09 9 ，21 2 01 2 09 71新管 2 8 1 8 8 5 6 3 9 8 8 9 8 8 9 9 1 1 5 01 5 01 0 l修复管 ， 3 9 3 丁2 山1 3 2 9 8 7 9 8 79 9 22 1 02 1 01 0 ll修复管 3 02 - 4 山1 4 0整筒7 09 7 39 7 1 09 8 1 24 4 65 3 01 0 0修复管 3 l5 1 1 2 4整筒7 09 2 79 9 19 9 5】2 02 4 9 01 65新管 3 21 8 0 5 0整筒7 09 i 1 29 8 99 9 3 1 8 02 6 4 5 氟z 节 5新管 3 3 1 7 9 - 6 64 4 8 8 8 9 7 1 29 9 44 8 53 8 9 024新管 3 41 7 9 5 6整筒7 09 1 1 09 8 89 9 11 5 02 6 4 51 35新管 3 56 - 2 i 6 4 6整筒7 09 8 59 9 19 9 6 1 5 03 9 5 1 0 0 2修复管 3 6 5 - 1 0 丙6 5 6整筒7 0 9 7 8 9 8 1 29 9 51 5 06 3 584新管 3 73 一1 1 - 内6 2 1衬套5 69 8 39 8 99 9 4 、2 1 0 3 9 5 7新管 3 85 2 1 4 3 4整筒7 09 5 79 9 19 9 49 0 1 3 6 5 7 3新管 4 浙江人学坝j 研究生学位论文 3 98 2 史2 9整筒7 0 9 4 79 8 79 9 11 8 01 6 4 094新管 4 02 丁2 9 4 0整筒7 09 8 1 0 9 9 49 9 4 1 91 8 01 0 63 新管 4 i1 6 2 3 0整筒7 09 0 8 9 8 1 09 9 19 0 3 0 7 04 i 6新管 t 4 23 丁4 内1 4 3整筒7 08 8 89 8 1 l9 9 41 5 03 8 9 0 79 新管 4 32 丁6 丙1 4 6整筒7 0 9 6 79 7 79 9 25 7 59 4 01 0 03修复管 沣：失效管_ | 于是指从j f u 往f 数第几根油管 对表1 7 的失效油管原始资料的统计数据进行归纳、分析，提山如f j l 点初步认识： 1 油管的寿命分布具有一定的规律性 上述4 3 根破断油管的寿命分布以直方图的形式表示如图1 5 所示。从图中可以明显地看山，破 断油管的寿命人部分集中在两年以内( 约i i i 破断油管总数的4 4 ) 和八年左f i - ( 约1 i 破断油管总数的 3 5 ) 。现场对人量的断管的寿命也进行了统计，得到与图1 5 趋势相似的油管寿命分布曲线，如图 1 6 所示。如果我们把油管在八年左右火效看作一般的止常火效，那么，油管在两年以内失效则为1 e j l 常火效。油管的1 r 止常火效问题是本文的研究课题，非l e 常火效的油管则是本文研究的士要对象。 ( 棍 o 123456 7 8 ( 年) 图1 5 油管寿命分布直方图 2 破断油管在管柱中的位置分布具有一定的规律性 图l 一7 的横坐标表示破断油管在管柱中的 位置，其数据表示从井口处往r 数的油管根数。 从幽上可以看出，在管杠中前瓦十根油管范同 | j j ，破断油管的位置比较连续，并且其数堵约i i t 总破断油管数鼍的7 4 ，其中，在前十根油管范 同内破断的相对比例比较人，- o i 前5 0 根油管范 同l j 破断的油管数量的5 3 。而在前十根油管中， 与井口相连的第一根油管破断的相对比例也较 人，i 前十根油管范同内的破断油管数量的4 5 ； 在第8 0 根剑第9 0 根油管范嗣内破断的油管数量 i f i 破断油管总数的2 2 。 图1 6 油管寿命分布曲线 断警寿龠( 年) 图1 7 破断油管在管柱中的位置分布图 多数破断油管处丁油管梓的中上部，并且越往上部破断的比例越高。出现这种情况的主要原冈是： 上、f 部油管承受载荷不同，在油管杠上部的油管承受的重力等静载荷利磨擦力笛动载荷均比r 部 人。井口的安装精度不够，使得油管枉不能处丁- 铅直的位置，从而在油管梓的上部，造成一附加弯 矩。实测的井口数据也证明了这一点，并且越靠近井口处其弯矩越人。 在油管样的r 部也山现一定比例的破断现象，这主要因为在油井的中r 部常山现狗腿度，使此处 断管荇矗口v 第一章绪论 的油管也产生一定的附加弯矩，使油管易于破断。 3 油井沉没度如果低丁5 0 米，属于供液不足的情况，抽油过程中易丁抽真空，产生液击，造成 油管t 况恶劣。 4 5 6 泵的动载变化仅是7 0 泵的6 4 ，7 0 泵对油管会产生更人的动载变化。但是，我竹j 从对油管 所受的载荷分析中可知，油管在，i i 作过程中，所受的应力幅较小，因此，泵型没有决定性的影响。 5 凡是修复管在投放使_ l j 后，无论其它条件如何，其寿命均非常短，都在一年以内，这反映山现 场油管扣的加l ：质姑存在比较人的问题。 6 人部分破断油管的免修期均较短，只在* 年以内。这表明，油井作业对油管扣的损伤较人。 1 4 国内外有关研究的概况及本课题研究的目的意义 一国内外有关研究的概况 国外对抽油机井油管火效问题的报道较少，这主要是由于，同钻梓、套管相比，抽油机井油管的 l ：况相对好一些，其损坏情况不如钻柱和套管严重。从资料上看j ，国外油管火效事故多是由环境冈 素引起的。例如，美国一些油井含较多的h ，s ，称含硫油井( s o u r ) ，油管发生硫化物麻力腐蚀开 裂( s u l f i d es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ) 的情况较多。为了防j 卜这种事故的发生，美国t 珊学会通过研究 相继推山c 7 5 、c 一8 5 、c 9 0 和c 9 5 系列耐蚀性高强度钢作为油管h j 钢。这类钢的屈服强度比n 级钢 低，并要求较高的同火温度和限制冷加l 。j ：序，以提高s s c c 抗力。美国还有另种油升，不含h ，s ， 而含较多的c o ，称为脱硫油井( s w e e t ) ，油管的问题不在丁开裂，而主要是腐蚀。对丁h ，s 和 c ( 一共存的油井，由于低合金钢很难适于这种环境，因此研究提出高级材料( 例如，h a s t e l l o y 哈斯 特洛伊：l n c o n e l冈科内尔合金系统) 制作抽油机油管。在加拿人，抽油机井油管的破坏也主要是 凰s 和c o ，引起的麻力腐蚀开裂，防止的对策主要是向油井中注入缓蚀剂。 国内一些油田( 长庆、占林、中原、四川) 也发现了日，s 和c 0 2 所造成的油管腐蚀破坏事故”i 。 儿年米，人庆4 m 学院和人庆一些采油厂合作，对抽油机井油管的，大效问题进行凋研和现场测试 显示山，抽油机井油管承受多种载荷作埘，轴向拉拉疲劳断裂是主要的破坏形式。 在抽油机井油管破坏方面，尤其是夫于疲劳断裂问题，现在的认识是很肤浅的，尚有许多关键问 题不清楚。冈此只有从理论和实践上进行系统深入的研究，对疲劳断裂的类型、特征、规律和机理搞 清之后，才有可能对抽油机井油管的破坏建立起一种新的、深入的认识，从而才能提出相应的疲劳抗 力指标和制定有效的预防措施，并且最后达剑比较完善地解决抽油机井油管疲劳断裂问题，人幅度降 低抽油机井油管火效率的目的。 二本课题研究的内容及目的意义 近儿年抽油机井油管火效节上升趋势，造成巨人的经济损火，已成为影响油田生产的一个突山的 问题，这是本课题立题的依据。造成近儿年来抽油机井油管频繁失效形势的主要是运行寿命为1 2 年 的1 f 止常断裂火效，这是本课题主要的研究内容。 通过深入的研究，进一步搞清抽油机井油管非止常断裂失效的性质、机理，对抽油机升油管非止 常断裂失效问题形成明确的认识，进而揭示非止常断裂失效的原冈，提出相应的抗力指标及预防措施。 国内外尚朱见对抽油机井油管断裂失效问题进行全面系统研究的报道，本课题的研究结果将对国内处 丁中后期采油的备油田具有实际的参考和借鉴作用，同时也将对涉及到的一些理论问题达剑更深的理 解和认识，具有一定的学术上的意义。 6 浙江大学硕士研究生学位论文 第二章抽油机井油管受力状态分析 为了对油管断裂进行火效分析，就必须搞清油管的载荷特点和受力状态。由丁油管在井中受力状态 十分复杂，没有专fj 的实验装置对油管的受力状态进行模拟实验。冈此，本人只是对油管的受力状态 作一卜简单分析。 2 1 油管受力特点分析 油管在抽油过程中，主要承受如卜载荷：油管重量、井液浮力、液柱作用力、柱塞与衬套之间的 摩擦力、抽油杆与油管之间的摩擦力、液柱与油管之间的摩擦力和液面冲击力脚l _ _ _ i 。其中，油管重 昔和，f = 液浮力为静载荷，油管重鬣是沿油管轴线向下作用的恒力井液浮力是沿油管轴线向上作h 的 相对稳定的恒力。其余载荷均为动载荷。在抽油上冲程时，液柱不作_ 【 j 在油管上，在r 冲科时，液梓 重最才作用在油管上，方向向f 。柱塞与衬套之间的摩擦力和抽油杆与油管之间的摩擦力，住上冲程 时作用方向向卜，在r 冲程时作用方向向f 。液柱与油管之间的磨擦力在上冲程时方向向上，在卜冲 程时消失。在供液不足的油井中，下冲程时。由于泵充满程度差而出现柱塞与液面的撞击，产生向卜 作用在油管端部的液面冲击力。在上冲程时，液面冲击力消失。由此可以看出，油管承受的载荷在方 向和大小上均具有交变的特点。 由于抽油过程中，油管承受动载荷，造成油管可能发生振动。油管在井中振动时，受剑一定的阻 尼作用，将发生有阻尼振动。其振动的力学模型可以简化成上端固定，f 端自由的细棒的纵向振动。 图2 - 1 为人庆i i 油学院矿机教研室在大庆油田某油井的井口处用电阻应变片测得的轴向应力波形。液 面高度分别为h = 5 0 3 m 和h = 6 3 4 m ，油管长度l = 1 0 9 0 5 m ，抽油冲次n = 9 次。由图中可以看山，油 管在f 冲科时轴向麻力发生4 次振荡，说明油管在抽油过程中的确会产生有阴尼振动。油管在动载荷 f 发生有阴尼振动时，其轴向应力为一种不对称循环的交变麻力。在f 冲程时，油管受的轴向戍力最 人，为拉应力。在上冲程时，油管受的轴向应力最小，一般为拉应力；在井底部有可能为压应力。油 管承受的轴向载荷可以简化成图2 2 的形式。 vr v r h = 5 0 3 m mh = 6 3 4 m m 图2 1 井口处油管轴向应力波形 应力 时间 一个冲科中油管麻力变化曲线 图2 2 油管轴向应力波形简化曲线 油井由丁钻井时井斜而存在一定的狗腿度。当油井的狗腿度较大时，会给油管造成一个附加 弯矩载荷，而且由此产生的油管拉应力会增人很多。大庆轭油学院矿机教研室对此附加弯矩造成的应 力做过计算。当井i - 1 0 0 米处存在1 4 0 狗腿度时，井口油管的轴向应力为1 0 5 m p 。而狗腿度油管的最 人轴向麻力为2 0 3 m p 。可见，当油井1 t 7 在较人狗腿度时，会给油管造成很大的附加应力。由油管断 口的观察中发现( 见第五章) ，裂纹源区和扩搌区总是位于断口圆周的一侧，而瞬断区位丁- 断口的另一 7 第一章抽油机j f 油管受力状态分析 侧。这说明断口整个圆周上受力不均，在裂纹源区和扩展区一侧的应力水平较高，最先耐生裂纹并发 生扩展，在瞬断区一侧麻力水平较低，当裂纹扩展到这里时，才最后发生瞬时断裂。这可以推测出油 管在此处承受变曲载荷，造成断口圆周两侧的麻力分布不均。 2 2 油管螺纹连接处受力特点分析 油管螺纹处不但要承受轴向拉伸载荷，而且还要承受油管上扣时的预紧力。由丁油管螺纹连接的 特点，使其应力大小及分布规律比油管管体处复杂。油管螺纹为等缧距的管螺纹。r 降厩对油管螺纹 处的受力特点作一简要分析。 油管端部由丁加i ：了螺纹，使其有效承载截面积减小。造成该处平均麻力水平比管体处高。螺纹 根部存在应力集中现象。其应力集中系数约为k = 2 3 。这又使得螺纹根部的戍力水平比本体高山儿倍。 再加上油管螺纹加【：l ：艺缺陷等其它因素，就使得油管绝丈多数在螺纹连接处发生断裂，而不是在管 体处断裂。 油管螺纹连接完后r 到井中，在承受轴向拉力载荷时，由于油管螺纹与接箍螺纹存住变形颦之芹， 使螺纹扣牙力分布不均，书现两端高中间低的抛物线状，即螺纹旋合的第一、二扣和最后一、_ 二扣牙 力最人，见图4 - 3 1 删。实际测鼙发现，油管螺纹锥度略小于接箍锥度。而且由现场取同的油管断头破 开后检查中，也发现油管螺纹最后) l t n 与接箍螺纹旋合严密，颜色发亮，而前几扣与接箍螺纹旋合时 存在极小间隙，颜色发暗。冈此，油管螺纹旋合的最后一、二扣牙力最人，最易发生断裂失效。由现 场取同的油管断头的断口位置观察中，也发现绝大多数油管断口均位于螺纹旋合的最后一、二扣处。 扣 面 比 压 图2 3 轴向载荷下螺纹旋合扣牙力分布示意图 当井卜存在狗腿度而使油管承受弯曲载荷时，油管螺纹段和接箍也同时承受弯曲载荷。人量实验 研究表明f 2 9 】。当螺纹段的接箍与油管弯曲强度比接近于2 5 时，油管与接箍对弯曲载荷的承载能力相 等，均不易弯曲断裂。当两者的弯曲强度比与2 5 著值很人时，其承载能力就不相等，其中一个就比 另一个容易发生弯曲断裂。f 丽对油管与接箍螺纹旋合的最后一、二扣( 断口部位) 处的弯曲强度比 进行一f 计算。 8 k = 【( d , 4 - d 1 4 ) d l 】【( d 2 4 - d 2 4 ) ，d 2 4 】 式中：k 为弯曲强度比 d 为接箍外径 d 为断口处拉箍内螺纹的最人内径 d ：为断口处油管外螺纹的最小外径 ( 2 - 1 ) 1 。 、 一 浙江大学颂十研究生学位论文 d 2 为油管内径 计算数据及结果列于表面2 1 中 表2 1 接箍与油管的弯曲强度比 项目 d l ( m m )d l ( r a m ) d 2 ( m m )d 2 ( m m ) k 数值8 9 07 2 5 6 9 56 2 o3 2 由弯曲强度比计算结果可知，接箍与油管的弯曲强度比火于2 5 。这就使得油管对弯曲载荷的承 载能力比接箍低，油管与接箍连接就接近于一种悬臂梁状态，使得油管螺纹旋合的最后一、_ 二扣麻力 水平平最高，最易发生断裂火效。 9 第三章谍题研究的踱劳理论概念依据和技术方法 第三章课题研究的疲劳理论概念依据和技术方法 本课题研究是从疲劳破坏的一些基本概念和规律出发，针对抽油机井油管破坏的具体情况，采川 相廊韵分析技术和方法来进行的。 3 1 疲劳失效的基本概念和一般表述 一、疲劳破坏的几个基本概念 疲劳破坏是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一 定循环次数后产生裂纹并突然发生完全断裂的过程1 4 l 。 疲劳破断是损伤积累的结果9 j 。在恒应力或恒应变下，疲劳将由三个过程所组成：( 1 ) 裂纹的形 成；( 2 ) 裂纹扩展到临界尺寸；( 3 ) 余下截面的不稳定断裂( 瞬断) 。冈此，疲劳断裂过程不同于一般 的静载断裂过程，它是损伤积累到一定程度，即裂纹扩展到一定程度后才突然断裂。在断裂前要经过 一定次数的应力循环和相当的时间，因此，疲劳断裂是与时间有关的断裂，表现为具有一定的循环寿 命。 零构件的疲劳破坏都是从局部( 应变集中部位) 的最大应变处起始，并且局部塑性变形是疲劳裂 纹形成和扩展的先决条件。 材料抵抗疲劳载荷的抗力比抵抗一般静载荷的要敏感的多。疲劳抗力不仅决定丁- 材料本身，而且 敏感地决定丁构件的形状、尺寸、表面状态、服役条件和所处环境等。 疲劳的研究，可归纳为两个方面：一个是宏观方面，即从分析疲劳应力或应变着手，研究疲劳载 荷f 的力学规律，建立起一系列疲劳抗力指标，为正确选材和安全设计提供直接或间接资料。另一方 面是从微观机制着手，研究在疲势载荷下金属内部的组织结构的改变和断口形态，寻找疲劳裂纹产生 的原冈和裂纹扩展的机制及影响冈素，从而寻找提高疲劳抗力的途径。目前的趋向是把宏观千微观结 合起来，综合研究金属疲劳断裂问题。 二、疲劳载荷谱 载荷随时间变化的历程称为载荷谱。所研究构 件部位的麻力( 或应变) 随时间变化的历程，称为 麻力( 或席变) 谱，有时也统称为载荷谱。 实际l ：程结构承受的疲j ，载荷有时是很复杂 的，其基本载荷谱等幅载荷谱见图3 1 1 6j 。 应力循环( s t r e s sc y c l e ) 恒幅载荷中，麻力 随时间作周期性变化的个完整过程。 平均麻力( m e a ns t r e s s ) 仃。应力循环中最 人廊力和最小麻力的代数平均值，它是应力循环中 不变的( 静态) 分姑，其人小为： b 索 氆 - 时一f 图3 1应力循环 铲半， 麻力幅( s t r e s sa m p l i t u d e ) 盯。应力循环中最人应力和晟小应力代数差的一、l 二，宦是廊力循环 中的变化分肇，其人小为： 1 0 由上面两式可知 咿产 浙江大学硕士研究生学位论文 盯一2 + 矿( 3 ) 盯m2 仃m 一吒 上式表明，任意交变鹿力都可看作相当r 平均应力盯。的静荷应力与应力幅为a ：的对称循环交变 麻力的叠加j 。造成机械零部件疲劳破坏的根本原因在于它承受的应力中，存在有交变虑力分鬣盯。， 当然，静载廊力分量盯，也将对疲劳破坏产生重大影响悼l 。将应力幅盯。和平均麻力盯。联系起来考虑 疲劳火效问题，许多学者提出了适用于不同情况的仃。与盯，关系的表达式，刚以对疲劳火效进稃的推 断和疲劳强度的估算。 应力比( s t r e s sr a t i o ) r 应力循环中最小应力和最大应力的代数比值，即 r ：! ! ：! 坠( 4 ) 盯曲拽 参见幽2 一l ，当应力比r = - i 或平均应力盯。= 0 时，为对称循环应力：当r = l 时，为静载； 当一1 r o 时，盯。 盯一；当盯。 仃。所以，考察零件承受戍力水平时，不仅 麻了解其循环戊力振幅，同时还需要了解其平均应力水平。在同一种盯。的条件f ，仃。值越人，盯。a x 值越高，则疲赞断裂寿命越短。 三、疲劳极限与零件的疲劳寿命 由光滑试样旋转弯曲实验所得到的典型的疲劳曲线( 即s n 曲线) ，如图3 2 f ”。图中的实线 是麻变时效硬化低碳钢和廊变时效硬化的其它材料观察到的应力_ 寿命曲线。在恒幅加载条f l ：卜， 这些合金的s - n