（材料加工工程专业论文）抽油机井油管螺纹疲劳寿命的研究.pdf

中文摘要 论文题目； 专业： 硕士生： 指导教师： 抽油机井油管螺纹疲劳寿命的研究 材料加工工程 胡芳婷( 签名) 冯耀荣( 签名) 张国正( 签名) 缢! 鲴屋 捅要 近年来，大庆油田抽油机井油管断裂事故日益频繁，给油田造成巨大的经济损失， 为此本文针对油田常使用的0 0 7 3 0 2 x5 5 1 m m j 5 5 不加厚油管进行系统的试验研究、理论 分析和有限元模拟。 本文为进行油管断裂的失效分析，对大庆油田现场运回的油管进行化学成分分析、 机械性能测试、金相组织观察，其各项机械性能基本符合a p is p e c5 c t 标准。油管螺 纹参数检测中发现有部分参数不符合a p is p e c5 b 和5 c t 标准要求，认为油管的螺纹加 工工艺有待改进。随后本文结合抽油装置及其工作原理和大庆油田所提供抽油机井作业 参数对油管载荷特点和受力状态进行了分析，以此确定油管疲劳试验中的载荷和应力 比。 同时本文还对油管疲劳寿命分别采用了四点关联法、通用斜率法和三参数幂函数法 进行了预测，发现在这三种方法中三参数幂函数法与油管疲劳试验结果较为接近，从而 构造出油管应变疲劳寿命曲线。利用此曲线，对油田中已使用过的旧油管在变载荷条件 下的剩余寿命进行了预测。另外在认为油管总寿命是由裂纹萌生区寿命和扩展区寿命构 成的理论基础上，对各区域疲劳寿命进行了预测并找到了影响各区域寿命的因素。 本文分别对在上扣扭矩作用下和在拉伸载荷作用下油管螺纹扣牙力的分布从理论 和有限元法两个角度进行了计算，根据计算结果否定了上扣扭矩导致裂纹萌生的猜想， 而认为拉伸载荷才是产生裂纹的根本原因。在此基础上，用有限元法对疲劳寿命进行了 预测，计算结果与试验结果较为接近，从而肯定了该有限元法的可靠性。因此，在有限 元螺纹几何参数进行单项和双项参数改变后，仍然使用此法进行疲劳寿命预测，以发现 各参数对疲劳寿命的影响趋势，进而在加工和修复油管时采取相应的措施。 关键词：抽油机井油管螺纹疲劳寿命 论文类型：应用基础 n 英文摘要 s u b j e e t ：t h er e s e a r c ho ff a t i g u el i f eo ft h et u b e st h r e a di np u m p i n gw e l l ss p e c i a l t y ： t h ep r o j e c to ft h em a t e r i a lp r o c e s s i n g n a m e ： i n s t r u c t o r ： fenghyuaofraonngg(nsiggnsagtunraezhangg u o z h e n g ( s i g n a t u r ；e ：；i l l ! i ! l l i l ! l i l | l k ) 蔓望辚：整，寸m r ：琵锄4 盆4 ，q 苏e 兜矿 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea c c i d e n t so ft h et u b i n gf r a c t u r ei np u m p i n gw e l l si nt h ed a q i n go i l f i e l dh 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 t l y , w h i c hh a dc a u s e de n o r m o u se c o n o m i c l o s s c s f o rt h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ea c a d e m i ca n a l y s i sa n dt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nh a v eb e e nc a r r i e ds y s t e m a t i c a l l yo n 0 7 3 0 2 5 5 1 r a m j 5 5t u b i n g i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oa n a l y z et h ef r a c t u r eo ft h et u b i n g ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ， m e c h a n i c a lc a p a b i l i t yt e s t s ，m e t a l l o g r a p h i co f t h et u b i n gh a v eb e e nd o n ef o rt u b i n gf r o ms i t e a n dw ef o u n dt h e s ea c c o r d i n gw i t ha p in o r mb a s i c a l l y b u tt h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f t h et u b i n gc a n n ta d a p tt ot h en o r m s ot h em a c h i n i n gc o n d i t i o no ft h et h r e a ds h o u l db e i m p r o v e d s u b s e q u e n t l y , t h el o a d so nt u b i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l yd u r i n gu p a n dd o w ns t r o k ei np u m p i n gw e l l sc o m b i n i n gt h eo p e r a t i o no f f e r e db yaf a c t o r ya n dt h e nw e c o n f i r m e dt h el o a d sa n ds t r e s sr a d i oi nt h ef a t i g u ee x p e r i m e n t a t i o n i nt h i st e x t ，f o u rp o i n t s r e l a t i v i t y , c u r r e n c ys l o p c a l c u l a t i o na n daf o r m u l ao f t h r e e - p a r a m e t e rp o w e rf u n c t i o nw a su s e da n df o r e c a s tl i f e w cf o u n dt h el a s tw a yw a sc l o s e t ot h ee x p e r i m e n t a lf a t i g u el i r ea n dc o n s t r u c t e dt h es t r a i n - l i f ef a t i g u ec u r v e s b yt h ec u r v ew e c a np r e d i c tt h es u r p l u sl i f eo fo l dt u b i n gi nt h eo i lf i e l du n d e rc h a n g i n gt h el o a d s b a s i n go n t h et h e o r yt h a tt h et u b e s1 i f ei st h ec r a c k sg e r m i n a t i o na n de x p a n s i o n w ep r e d i c t e de a c h a r e a sl i f ea n df o u n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f e a c ht e r m i nt h i sp a d e r , t h et e e t h s t r e s s e so ft u b e st h r e a dw e r ec a l e u l a t e db yt h e o r i e sa n dt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o du n d e rt o r q b ew r e n c hm o m e n ta n dd r a w i n g1 0 a d i nt h el i g h to fr e s u l to f c a l c u l a t i o nw en e g a t e dt h es u p p o s i t i o nt h a tt o r q u ew r e n c hm o m e n tp r o d u c e dc r a c k sa n d e n s u r ed r a w i n gl o a dt h a td oi t o nt h i sb a s i sw ep r e d i c t e dt l l et u b e sl i f eb yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d w h i c hw e r en e a rt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s oi n d i v i d u a la n dp a i ro ft h r e a d s p a r a m e t e r sw e r ec h a n g e di nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h es a m ew a y t of i n de a c hp a r a m e t e r h o wt oa f f e c tt h et u b e sl i f e a n dt h e nw ec a nt a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sw h i l ep r o c e s s i n g a n dr e p a i r i n g k e y w o r d s ：p u m p i n gw e l l ，t u b e ，t h r e a d ，f a t i g u el i f e ， t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 主要符号表 油管的密度 重力加速度 油管截面积 抽汲液密度 油管长度 光杆冲程 主要符号表 s硬化指数 b 疲劳强度指数 c疲劳延性指数 盯，疲劳强度系数 s ，疲劳延性系数 仃，断裂强度 冲次 抽油杆柱长度 井内液体的动力粘度 油管内径与抽油杆直径之比 油管内径 抽油杆直径 最大应力 最小应力 井液运动的加速度 应力比 抗拉强度 屈服强度 断面收缩率 弹性模量 硬化系数 晶粒度等级 v i i 平均应力 弹性应变范围 塑性应变范围 真应变范围 疲劳裂纹扩展速率 应力强度因子 临界应力强度因子 初始裂纹长度 应力幅度 理论应力集中系数 螺纹根部顶端的相对应力梯度 大小 一个无量纲系数 螺纹沟底半径 牙型高度 螺纹沟底直径 螺纹断面外径 p g 4 所 r ， b e 如 曲 缸如一州 艏 腊 时 e q 爿 ，峨 噍 d 行 t h m 吐 4 a r 吒 妒 o h g 主要符号表 k m断裂韧度 疲劳寿命，循环次数 a 。 临界应力尺寸r螺纹锥度 m 疲劳强度系数的负倒数 s 紧密距 卢疲劳缺口敏感系数t径向力 工 对翌孽孥纹圭蛰扭矩值不准确e 中径 程度的安全系数 。 厶尺寸系数 f 螺纹表面系数 a 牙型角 d z手紧啮合平面处的截面直径 p上扣扭矩 丑 螺纹升角 一 手紧平面处螺纹根径 如有效螺纹表面积 p 。当量摩擦角 厂摩擦系数 ， 锥度角 泊松比 d 。【f 】每个牙型的中径 p 螺距 牙型齿高 屯大螺纹大端中径 d 孙螺纹小段中径 三大、小端中径之间的长度 v i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：型茎西 日期：呈堕：堡1 3 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复 制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论 文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 塑盍竭 日期：竺堡垒! i ) 日期：型堕：鲨，l 弓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 抽油机井油管失效情况 随着油田开发过程中抽油机机械采油的大面积应用，抽油机井油管失效事故频繁发 生，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅使维护性措施工作量增大、原油成本增 加、经济效益降低，同时还影响原油产量。根据大庆油田某采油厂数据统计，截止2 0 0 2 年1 2 月底，大庆油田共有抽油机井2 9 3 7 7 口井，年累计实施维护性作业1 0 1 5 7 井次，发 现因油管问题检泵2 4 9 9 井次，占年维护性措施工作量的2 4 6 ，与2 0 0 1 年同期对比下 降1 9 个百分点，其中油管螺纹断裂1 0 0 7 井次，占油管失效问题总数的4 0 3 。由大庆 油田各采油厂从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年抽油机井维护性作业施工情况来看，4 年间累计发生 油管断裂故障7 9 8 井次，影响原油产量总计4 5 万吨。油管断裂率由1 9 9 7 年的1 1 5 上 升到2 0 0 0 年的1 6 7 ，呈明显的逐年上升趋势。因此，针对以上情况，分析、研究导致 抽油机井油管失效的主要原因，进而采取行之有效的防治措施，以减少及预防抽油机井 油管失效故障发生，对油田今后的持续发展有着极其重要的意义。 1 - 2 抽油机井油管失效类型 根据近年来大庆油田抽油机井作业施工情况来看，油管在井下工作过程中发生失效 故障可分为三种类型“1 ： 第一种是油管管体由偏磨造成的管体漏失失效。油管偏磨主要是由于井斜、油管蠕 动及长度、偏心井口等因素造成的，现已采取一些措施预防，例如安装油管锚、下油管 扶正器。1 等，都有效的减轻了这种失效。 第二种是油管螺纹因刺坏、粘扣、磨损而造成的脱扣或漏失。造成这种失效的原因 通常是由于油管的密封不严、上扣时不对中或没有在螺纹上均匀的涂抹螺纹脂等。1 。目 前，对于这些失效油田上己采取了一些相应措旖解决，例如对于油管螺纹粘扣问题，现 场采用对液压管钳的上扣扭矩和上扣速度加以控制，并加垫以加强密封措施等“1 ，已初 见成效。 第三种是油管螺纹断裂失效。由于抽油机井采油工艺的特殊性，使井内油管、抽油 杆长期在交变载荷下工作，加之井内液体腐蚀、作业施工起下管柱，造成油管连接螺纹 断裂。断裂油管多数处于油井的管柱中上部，断裂部位均在油管的下端外螺纹处。对于 大庆油田油管断裂失效，一些学者认为油管螺纹齿底的原始加工刀痕是造成裂纹萌生的 主要原因“1 。发生这种失效，比其它两种失效类型损失更大，因油管和油泵落入井底， 多数都会报废，给打捞也造成一定难度”1 。同时我们发现这种失效发生的随机性大，概 率也大，对油田开发造成的危害最为严重。大庆油田螺纹断裂事故日渐频繁，基本情况 如下： 1 ) 每年断裂油管1 0 0 0 多井次； 西安石油火学硕士学位论文 2 ) 井内上部1 4 0 根油管断裂比例最大： 3 ) 5 6 m m 和7 0 m m 泵径油管柱断裂最严重，占断裂总数的8 0 1 ； 4 ) 油管断裂寿命在3 年和7 年处是高峰期； 5 ) 修复油管断裂比例比新油管断裂比例大； 6 ) 断裂失效性质为疲劳断裂失效； 7 ) 断裂位置在油管外螺纹第l 、2 扣处。 针对破断油管多处于油管柱中上部情况，我们知道主要原因是由于： ( 1 ) 上、下部油管承受载荷不同，在油管柱上部的油管承受的重力、静载荷和摩擦 力以及动载荷等均比下部大【_ 7 1 ，使其易于破断。 ( 2 ) 井口安装精度不够，使得油管柱不能处于铅直的位置，从而在油管柱的上部， 造成附加弯矩。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大。 其次5 6 r a m 泵的动载变化仅仅是7 0 m m 泵的6 4 ，7 0 r a m 泵对油管会产生更大的动 载变化。但是我们从以往对油管所受的载荷分析中可知，油管在工作过程中，所受的应 力幅较小【8 j ，因此泵径对裂纹源的形成并没有决定性的影响。 对于油管断裂寿命，按抽油机井冲次为每分钟9 次，经计算，工作7 年后循环次数 可达到3 2 6 1 0 7 次，已超过疲劳次数，工件在超过疲劳次数时损坏，均属正常损坏。而 在2 3 年失效是由于各种因素造成的“非正常失效”，这将是我们分析的重点。 现场中修复油管再投入使用后，无论其他条件如何，其寿命均非常的短，都在一年 以内，这反映出现场油管螺纹的加工质量存在比较大的问题。 对于油管断裂失效性质以及断裂位置的确定，将有助于我们分析油管“非正常失效” 的起因、预测其疲劳寿命及发现螺纹各参数对疲劳寿命的影响等问题的解决，本课题研 究的重点也在此。 1 3 抽油机井油管断裂机理分析 1 3 1 油管材质质量与断裂的关系 大庆油田所用的j 5 5 级油管，材料为中碳锰钢，满足油管在静载荷下的强度要求。 对于j - 5 5 油管材料的硬度，在a p i 标准中没有具体要求，但是考虑硬度是反映金属材料 机械性能的一项重要指标，硬度低容易形成疲劳裂纹源，硬度过高则有利于裂纹的扩展。 在a p is p e c5 c t 中，j 5 5 油管应被全长正火、正火+ 回火或调质处理。在以往油管的金 相组织中的观察中发现，退火热处理过的油管材料的金相组织中，珠光体和铁素体均匀 分布，而且组织呈带状，同新油管的原金相组织较接近。而正火热处理过的油管材料的 金相组织中，珠光体呈网状分布，并且带状组织消失，晶粒细小。在使用中少数油管金 相组织由于处于退火状态，导致组织晶粒粗大、硬度降低，有利于疲劳裂纹的萌生及扩 展，降低油管的机械性能。1 。虽然部分j 5 5 油管存在硬度偏低、晶粒组织粗大等问题， 2 第一章绪论 但是研究发现这些并不足以造成油管的非正常失效，即不是造成目前油管断裂频繁发生、 呈上升趋势的主要原因。 1 3 2 腐蚀在油管疲劳断裂中的作用 油管柱的内腔始终充满着油水介质，外壁浸泡在距井底大约1 0 0 米以内的油水介质 中，油水介质中水的含量大约占8 5 ，因此，在与油水介质接触的油管壁上，腐蚀现象 不可避免。但是通过以往对破断油管断口的宏观观察发现，裂纹是从螺纹根部起源，并 逐渐向内扩展的，也就是说，油管柱内腔的油水介质不会对裂纹源的形成起作用。且破 断油管均处于油管柱的中上部，并且越往上部破断的比例越高，这表明油管与套管之间 的油水介质对裂纹源的形成作用不大。 在大庆地区的油井中，有腐蚀作用的日，s 、c d 气体含量较低，而抽油机井油管的工 作环境比起注水井管、抽油机井套管都要好许多，再加之j 5 5 材料的抗h ，s 应力腐蚀性 能较好，因此大庆油田油管没有明显的腐蚀“。针对大庆油田情况，我们主要按机械疲 劳的模式来研究抽油机井油管断裂机制问题。 1 3 3 油管几何尺寸在油管疲劳断裂中的作用 在以往的试验中表明，螺纹几何尺寸合乎标准、形爹觎范的螺纹，其重复上卸扣的性 能较好，在标准扭矩下可以多次上卸扣，而螺纹表面只有轻微的损伤，如再多次上卸扣 时损伤的扩展速度较慢，油管使用寿命也较长。而几何尺寸不规范的螺纹，在较小的扭 矩下，经过几次上卸扣就会产生较大的损伤，甚至发生粘扣、断脱现象，螺纹变形严重， 发生疲劳断裂【i ”。同时，螺纹齿根处若存在加工缺陷、齿根圆角不规范将进一步提高齿 根处的应力集中程度，并将有助于裂纹的形成【矧。因此，油管螺纹的几何尺寸是衡量油 管疲劳寿命一项重要技术指标，在本文中，将对油管螺纹参数对油管疲劳寿命影响的趋 势进行较为系统的研究。 1 3 4 抽油机井现用偏型采油树结构与油管断裂的关系 前几年，为了满足油井环空测试要求，大庆油田在中7 0 r a m 整筒泵及中5 6 唧以下抽油 泵的井上大面积应用了偏1 型采油树“，为油田测试创造了条件。但从近几年应用情况 看，偏i 型采油树不适用于中1 4 0 r a m 套管的抽油机井上，主要原因是设计偏心距为1 8 r a m ， 造成油管接箍与套管内壁干涉0 9 m m ，使偏i 油管挂与第一根油管连接丝扣的根部产生 较大的弯曲应力。在压力传感器的测试下发现该弯曲应力大于油管静载荷应力，这也是 导致这类井易发生油管断裂的一个主要因素。 1 3 5 液压油管钳使用与油管断裂的关系 井内管柱是由成百根管件靠螺纹联接而成，螺纹连接质量的好坏，也直接影响油管 的使用寿命，目前油田上油管连接主要靠液压油管钳对油管进行上、卸扣，以往实验证 西安石油大学硕士学位论文 明油管螺纹经过大扭矩上扣后，螺纹牙的左右侧面角度发生变化，相对油管轴线偏倒， 这样的油管下入井内，螺纹牙势必不能良好地接触，甚至出现线接触的可能性，使油管 螺纹的密封性能下斛”】。以往油田上对液压油管钳的上扣压力，人为地定在5 m p a 以内， 但是在现场上，由于每个液压油管钳的工况不同，工人的操作情况不同，所以液压油管 钳的上扣压力与上扣扭矩也不同。试验结果表明扭矩虽然能够控制在一定的范围内，但 是由于液压传动的动力特性，油管钳的实际泵压和扭矩仍有一定的波动，这对油管疲劳 寿命造成了一定的影响。 1 4 抽油机井油管断裂防治技术的研究及应用效果 在对油管断裂机理作初步分析的基础上，油田中已加大了油管断裂治理的力度，采 取了有针对性的防断治理措施，并取得了一定效果，主要有以下几种措施。 1 4 1 研制应用k y p 一型井口装置 在调查油田在用偏心采油树的基础上，经过专家们不断地研究、分析、改进、完善， 已研制并在油田中应用了k y p i v i i 型井口装置，这种采油树整体采用六通体设计，一次 铸造成型，内部采用二次偏心设计，井口主体上采取法兰连接，通过变径钢圈可实现与 现有不压井工具正常连接。由于该种井口装置采用两次偏心结构设计，抽油机在正常生 产时，井下油管与套管的偏心距为1i m m ，使油管接箍与套管内壁之间保持6 i m m 的间隙， 保证井下油管不产生弯曲应力。在测试时将油管挂转动1 8 0 0 ，井下油管与套管可产生1 7 r a m 的偏心距，使油管接箍紧贴套管内壁一侧，并保持0 i m m 间隙，保证测试仪器顺利起下， 并且油管挂密封效果、澳4 试解卡等性能均好于偏i i i 型采油树“。根据大庆油田某采油厂 提供资料显示从2 0 0 0 年开始到2 0 0 3 年累计应用在4 5 口井中，这些井在未采取措施前油 管断裂率6 7 5 ，平均检泵周期1 8 9 天，措施后年油管断裂率2 4 ，倒装油管断裂率降低 到0 ，平均检泵周期延长到5 2 1 天，并继续有效，取得了较好的防断效果。 1 4 2 应用偏外加厚油管挂及更换2 5 0 型井口装置 大庆油田中中5 6 m m 泵及巾7 0 m m 整筒泵井经常出现第一根油管在偏心油管挂丝扣连 接处发生断裂的问题，经过对在用的偏i i i 型井口装置结构进行分析研究，在不改变偏i 型井口装置整体结构的基础上，对偏i 油管挂与油管的连接丝扣进行改进，将其原中6 2 m m 普通油管丝扣改成巾6 2 m m 外加厚扣型，同时将偏心距由1 8 m m 调整到1 7 m m 。截止目前大 庆油田共应用偏i i i # b 加厚油管挂1 1 4 0 口井，这些井自应用外加厚油管挂以后没有一口再 出现第一根油管丝扣在油管挂根部断裂问题。资料显示，倒装油管断裂率由1 9 9 9 年实施 前的5 1 降到2 0 0 3 年的0 5 ，下降了4 6 个百分点。对于应用中7 0 m m 整筒泵、由6 2 m m 油管、偏i 型井口装置的非监测井，油田上采取了更换中7 6 m m 油管及2 5 0 型井口装置措 施，截止目前共实施1 3 5 口井。这样增加了油管的疲劳安全系数，减少了油管断裂发生 的概率。 4 第一章绪论 1 4 3 推广使用油管锚定装置 油管锚作为一种成熟工艺应用于抽油机井上，将油管、套管锚定在一起，不但可以 消除因油管弹性变形所造成的冲程损失，而且还可以减轻由于上下冲程形成的交变载荷 所引起的疲劳损伤，延长了油管使用寿命。”。 1 4 4 改进修复油管螺纹加工工艺，提高修复质量 大庆油田某采油厂机械维修大队在油管修复工程中在螺纹加工工艺上，以往一直采 用q 1 3 1 9 型普通螺纹车床，螺纹加工精度很难保证，2 0 0 2 年该厂针对此问题对旧油管修 复车间进行扩建，增加了漏磁探伤工序，配备了s o i 一4 0 1 型数控管螺纹车床2 台及各种 检测设备，此外在旧油管修复时将两端螺纹全部切掉，重新用数控车床梳扣，并更换新 接箍，使修复油管的质量得到了进一提高。该厂从五月份开始应用新工艺修复的油管， 到目前共更换修复油管1 8 4 x1 0 4 米，均未出现问题，而去年同期更换修复油管后半年 内出现管断井1 0 口。 1 4 5 合理调整抽汲参数 随检泵措施及时调整抽汲参数，在满足供排关系协调的条件下，尽量采用大泵径、 长冲程、低冲次设计“。 1 4 6 限定液压油管钳的上扣扭矩 油管液压动力钳是一种重要的井下作业生产工具，它的应用提高了生产效率，降低 了工人劳动强度，但是由于老式液压油管钳没有分项定压控制装置，上卸油管螺纹扭矩 得不到控制，经常超高，对油管螺纹造成严重损害。目前油田在用的液压油管钳都装有 上卸扣分压、定压装置，使油管上卸扣压力及扭矩得到了控制，这种液压油管钳对油管 上扣时，如果油管不正或者油管螺纹达不到技术标准要求时，液压油管钳就自动停止工 作，起到了保护油管螺纹的作用，这在油田应用后油管螺纹损坏现象得到有效控制。 1 4 7 规范作业施工操作标准 为减少各种人为因素对油管螺纹造成的伤害，油田中加强了三级质量监督网络工作， 重新规范了作业施工操作标准；保证井架游动滑车与井口对中，前后不能超过5 c m ，左 右不超过2 c m ；杜绝新旧油管混用；加强油管运输过程中的螺纹保护工作，以此来有效 延长油管使用寿命。 上述措施的实施，使油田抽油机井油管断裂率、维护性作业率、检泵率均有所下降， 平均检泵周期延长，大量减少了旌工费用、油管柱材料费用和停产原油损失，创收了较 大的经济效益。可见，油管断裂原因分析及防断裂措旌研究，是延长抽油机井检泵周期、 提高油田开发效益的一项有效手段。 西安石油大学硕士学位论文 1 5 国内外有关研究的概况及本课题研究的意义和来源 从检索和查阅国内外的资料显示，国内外在抽油机井油管疲劳断裂机理及预防措施 等方面都做过较系统的研究，在上文中已有所概述，对于油管疲劳裂纹的形成、扩展和 瞬断全过程也取得了一定的认识和研究成果。以往的研究和试验中还发现，油管裂纹都 是起源于油管螺纹尾部和接箍结合的第啮合齿的根部，且此处是应力集中部位。在这 些已有的研究成果中，我们发现目前国内外对于油管疲劳寿命预测以及下井使用过修复 后的旧油管在变载荷作用下的剩余使用寿命有关报道还不多，本课题在原有理论的基础 上就此提出了新的观点和看法，且从断裂力学的角度对油管裂纹形成的各个区域疲劳寿 命也进行了进一步研究。 为提高油管螺纹疲劳强度，国内外相关人士对此提出了一些处理工艺对螺纹改进， 主要有以下几个方面【i h ： a 螺纹表面形变强化，可以消除螺纹残余应力、环形加工刀痕和降低螺纹表面粗糙 度。 b 螺纹表面高频淬火，可以减小螺纹表层亚晶粒尺寸，提高螺纹表面的硬度和耐磨 性。 c 螺纹表面化学处理，使螺纹表面产生残余压应力，并使螺纹深层分布合理。 d 螺纹表面激光强化，可以极大的细化表层材料晶粒，提高表面强度和残余压应力。 e 螺纹表面镀层，可以减少粘扣现象，提高密封性能，防止裂纹的萌生。 这些措施已有效的减少了部分油管断裂的情况，但国内j , b 4 ：h 关研究认为油管螺纹的 几何尺寸是衡量油管疲劳寿命一项重要技术指标，对标准螺纹配合形态和理想公差带下 配合的受力分析已被做过大量的研究，但对于抽油机井油管圆螺纹结构在非标准配合状 态下的疲劳寿命分析尚未见报道。本课题利用有限元软件对螺纹各项参数分别进行单项 和双项参数改变并对其疲劳寿命预测，找到各参数对疲劳寿命影响趋势。 本课题主要来源于中国石油天然气集团公司管材研究所大庆油阳有限责任公司抽 油机井油管判废技术研究这一大型科研项目。通过本课题的深入研究，将对国内处于 中后期采油的油田在生产和使用等方面提出相应的改进措施，提高油管的使用寿命和效 能，具有实际的参看和借鉴作用，获得应有的经济效益和社会效益，同时也将涉及到的 一些理论问题达到更深的理解和认识，具有一定的学术意义。 6 第二章抽油机井油管受力状态与实物疲劳试验 第二章抽油机井油管受力状态分析与实物疲劳试验 为了对油管断裂进行失效分析，我们从大庆油田某采油厂运回十组油田中较为常用 的m 7 3 0 2 x 5 5 1 m m j 5 5 不加厚油管试样，每组试样由2 根外螺纹油管管体和一个接箍组 成，分别为其由1 # 至i 0 # 进行编号，其中l # 4 # 、8 # 1 0 # 为该厂修复后的旧油管，一端 已被上扣，5 # 7 # 为新油管。两端均未上扣。首先对各组试样材质、螺纹参数等进行了 测试，其次根据该厂所提供抽油机井作业工况，对油管载荷特点和受力状态进行了分析。 据此，我们对油管试样进行了实物疲劳试验，结合试验结果对其疲劳失效机理进行了初 步分析。 2 1 油管材质分析与螺纹参数检测 2 1 1 化学成分分析 从每组试样中分别截取油管的一端，取样后在美国d e l l - 2 0 0 0 直读光谱仪做化学成 分分析，结果见表2 - i ： 表2 - i 油管化学成分分析结果( w t ) 元素碳硅锰磷硫络钼镍钒钛铜 编号 cs im npsc rm on ivt ic u 1 #0 3 6 o 2 7i 4 00 。0 1 40 0 1 60 0 9 40 0 2 30 0 4 50 0 0 50 0 0 80 0 6 2 #o 3 6o 2 71 4 20 0 1 2o 0 1 70 0 6 80 0 2 40 0 5 50 0 0 50 0 0 80 1 2 3 #o 。3 50 。2 71 3 8o 0 1 4 0 0 1 40 0 8 00 0 3 4 0 0 4 20 ，0 0 50 0 0 90 0 7 4 #0 3 5o 2 61 3 9o 0 1 30 0 1 60 0 4 3o 0 1 8 0 0 3 80 0 0 50 0 0 8o 0 6 5 #0 4 00 2 51 4 0o 。0 1 50 0 0 40 0 7 2 0 0 2 2 0 0 5 00 0 0 60 0 1 4o 1 1 6 # 0 3 4o 2 51 2 80 0 1 70 0 0 40 0 8 l0 0 2 60 0 4 10 0 0 50 0 1 4o 1 i 7 t 4o 。3 60 。2 61 。2 90 0 1 70 0 0 4o 0 8 l0 0 2 5 0 0 4 30 0 0 50 0 1 40 1 l 8 # o 3 8 0 2 81 4 2o 0 1 30 0 0 70 0 5 80 0 2 00 0 5 00 0 0 70 0 0 30 1 4 9 # o 。3 7o 2 61 4 30 。0 1 60 。0 0 50 0 6 90 0 2 10 0 4 90 0 0 70 0 0 30 1 2 1 0 #0 3 8o 2 41 3 9o 0 1 70 0 0 50 0 7 60 0 2 20 0 6 60 0 0 90 0 0 3o 1 5 根据结果对照文献 2 0 可以看出，这些油管的材质属于中碳锰钢，相当于中国钢号 的3 0 m n 2 和3 5 m n 2 ，硫、磷含量也均小于0 0 3 ，可以说这些油管的化学成分含量符合 a p is p e c5 c t 规范要求。 2 1 2 机械性能试验 在每组试样的另一端取样采用w e - 6 0 0 a 万能材料试验机做力学性能试验，拉伸试样 采取 9 r a m 3 0 0 m m 板条状试样，冲击试样采用v 型缺口夏比冲击试样，1 # 4 # 取样大小 为5 m m x l o m m x 5 5 m m ，5 # l o # 取样大小为3 3 m i n x l o m m x 5 5 m m 的，取样方向均为纵向，试 西安石油大学硕士学位论文 验温度为室温。试验结果如表2 2 ： 表2 - 2 油管力学性能试验结果 项目拉伸冲击试验硬度试验 抗拉强度屈服强度收缩率 翁号 ( 卯a。鼬p 趋 口( ) j ( o 。c ) h b s l # 7 2 1 4 3 92 7 73 6 82 1 5 2 5 $ 7 4 54 8 7 2 4 6 2 9 02 3 4 3 # 7 3 94 7 22 6 7 3 7 3 2 1 5 4 #7 0 34 3 12 5 84 0 22 1 5 5 #7 3 64 7 72 3 43 0 82 2 4 6 #7 l l4 7 62 1 03 1 02 2 4 7 # 7 6 9 4 8 11 8 02 4 72 3 6 8 #7 8 55 2 62 0 o1 3 32 4 6 9 # 8 0 45 5 4 1 8 62 0 32 4 6 1 0 #7 9 85 4 91 8 61 2 02 4 7 平均值 7 5 l 4 5 72 2 42 7 52 3 0 a p is p e c 5 1 7 3 7 9 5 5 21 8 1 4 9无 5 c t 规范 拉伸曲线如图2 - 1 所示 a l ，i n 图2 - ij 5 5 油管拉伸曲线 由该曲线可以看出油管拉伸过程中存在明显的屈服点和屈服段，属于中强度钢，各 项机械性能数据基本符合a p is p e c5 c t 规范要求。 2 l3 金相组织分析 油管材料金相组织见图2 2 ，由图片可以看出，油管材料的金相组织均为p ( 珠光体) + f ( 铁素体) 。图中灰色组织为珠光体，白色组织为铁素体，大多数试样材料的珠光体和 铁素体组织均匀分布，即珠光体组织体积约占整个体积的5 0 6 0 ，3 # 、4 # 油管的组织 一 一。 一 一 了j ，5 j i 1 f t ，自口m_口fj_i 一 一 一 岔 _ 一王 扩 弋 一 | 箸 一 一 ，。，孵w陛汪 第二章抽油机井油管受力状态与实物疲劳试验 呈明显的带状分布，5 # 、6 # 试样组织也有带状分布的倾向。这些带状组织被认为是油管 在成型加工时形成的，而加工完后又未进行任何热处理来消除这种带状组织，所以仍然 可以观察的到。 ( a ) 1 # 组织2 0 0 x ( c ) 3 煳织2 0 0 x ( b ) 2 # 组织2 0 0 x ( d )4 # 组织 2 0 0 x ( e ) 5 # 组织 5 0 0 x ( f )6 # 组织5 0 0 x ( g ) 7 # 组织 5 0 0 x ( h )8 # 皇日织5 0 0 x 9 西安石油大学硕士学位论文 ( i ) 9 # 组织 5 0 0 x ( j ) 1 0 # 组织5 0 0 x 图2 - 2 油管材料金相组织 观察中尚未发现较大的夹杂物，其非金属夹杂物含量评定和晶粒度结果见表2 3 ： 项目 蓊考 夹杂物晶粒度 1 #a 2 0 ，b o 5 ，d 0 5 。7 5 级 2 # a 2 0 ，b o 5 ，d o 5 。6 级 3 # a 2 0 ，b o 5 ，d o 5 。7 5 级 4 #a 2 0 ，b o 5 ，d o 5 。7 级 5 # a 1 0 ，b 1 0 ，c o 5 ，d 1 0 。1 0 级 6 # a o 5 ，b o 5 ，c o 5 ，d 1 0 。9 级 7 # a 1 0 ，b 2 0 ，c o ，5 ，d 1 0 。9 5 级 8 # a 1 0 ，b 1 0 ，c o 5 ，d 1 0 。8 5 级 9 # a 1 0 ，b 1 0 ，c o 5 ，d 1 0 。8 5 级 1 0 #a o 5 ，b o 5 ，d 1 0 。8 5 级 夹杂物评级标准按照g b l 0 5 6 1 8 9 ，其中a 代表硫化物，b 代表三氧化二铝，c 代表 硅酸盐，d 代表球状氧化物，一般等级2 0 均为正常。晶粒度评级标准按照g b 6 3 4 9 2 0 0 2 ， 可以看出1 # 4 # 试样晶粒度相对偏低。 2 1 4 螺纹参数的测量 油管螺纹的几何尺寸是一项重要的技术指标，其不规范将直接影响油管寿命，因此 测量螺纹参数的显得极为必要。在a p is p e c5 b 和5 c t 套管和油管规范中，规定了螺纹 径向尺寸、轴向尺寸和油管接箍等各项参数。不加厚油管和接箍及其油管螺纹手紧上扣 基本尺寸如图2 3 0 “、2 4 。2 1 所示： 1 0 第二章抽油机井油管受力状态与实物疲劳试验 图2 - 3 不加厚油管和接箍 冬繁 心甲埘i f 一黼飘攀甲谢 l - 臂墙葶皋学断 广桷龙出：一， 2 r 拙舒 一，- 一 l - 口一 1 l if 。 帆：o、俄， 酒q b 吲1 ： - 1 v。，一 | j ； 拉管髫 瑚期 _ - 。一2 一士l 图2 4 油管圆螺纹手紧上扣基本尺寸 在室温条件下，分别用a p i 石油螺纹单项参数检测仪和a p i 石油专用螺纹量规对十 组试样中尚未上扣的螺纹进行测量，由于8 # 1 0 t ： - - 组试样油管与接箍有多处碰伤和拉 伤，且螺纹处有少许黄褐色固体物质( 在有机物浸泡三天后也未能完全消除) ，以至这三 组试样中外螺纹的紧密距、厶和内螺纹的紧密距、w 不能正常测量，其余各项测量结果 如表2 4 ： 表2 - 4 油管内、外螺纹测量结果 卜检测项目 螺纹牙型 紧密距螺距偏差锥度t厶接箍外径接箍长度 高度偏差 s ( m ) l 2 5 4 i i l i n ( t 衄m )( m ) 矿( m m ) n ，( 吼) 产品编害( r u m ) l g h ( 外螺纹) 一2 5 6+ 0 0 2 56 2 5+ o 1 3 05 4 6 6 f 2 # h ( 外螺纹) 一4 7 8+ 0 0 5 17 1 0 + 0 0 5 05 4 3 8 3 # a ( 外螺纹) 一1 4 6+ 0 0 5 16 5 o+ 0 1 0 05 4 0 0 4 # a ( 外螺纹) 一4 1 8+ o 0 5 16 6 o+ o 0 5 05 3 4 2 | 5 # a ( 外螺纹) l - 1 20 0 1 36 2 50 0 5 14 9 7 4 | 6 # a ( 外螺纹) 0 8 00 0 2 56 3 oo 0 5 14 8 7 0 | 7 # h ( 外螺纹) o 6 80 0 2 56 1 504 8 6 4 f 5 # b ( 外螺纹) o 6 00 0 2 56 2 005 0 0 0 | 西安石油大学硕士学位论文 6 # b ( 外螺纹)o 2 20 0 2 56 2 004 8 7 4| f 7 # b ( 外螺纹) 1 1 8 0 0 2 56 3 ，o05 0 3 6 8 # a ( 外螺纹) 0 0 1 37 1 o一0 0 2 5 i|l 9 # a ( 外螺纹) 一0 0 2 56 2 0o 0 2 5 l o # a ( 外螺纹) 0 0 1 37 5 00 0 2 5 f 1 # a ( 内螺纹) 1 l6 8+ 0 0 5 0 5 9 0 0 0 1 3 f8 9 ，1 61 3 1 3 4 2 # a ( 内螺纹)8 4 60 0 2 56 1 50 0 2 5f8 9 2 21 3 1 2 8 3 # a ( 内螺纹) 6 5 2 + 0 0 2 56 2 5 0 0 1 3 78 9 0 01 3 1 6 0 4 # a ( 内螺纹) 8 0 4+ o 0 2 56 3 5 0 8 9 1 01 3 1 6 2 5 # a ( 内螺纹)4 1 5 0 6 4 0 0 8 9 0 01 3 l _ 9 0 6 # a ( 内螺纹)4 0 00 0 1 3