悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响.doc

悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响周 阳 张 迁 解锡明 郭庆华 李庆梅（大庆油田有限责任公司第二采油厂）摘要：本文针对第二采油厂水驱抽油机井抽油杆断裂事故增多的现象，结合现场断杆井的统计情况，对断裂原因进行了分析。由于含水上升、参数大、油井结蜡等因素的影响，当抽油杆内产生的最大应力超过抽油杆的最大许用应力值使抽油杆产生疲劳破坏，并依此提出预防和减少断裂事故的防治措施。主题词：抽油杆；非对称循环应力；脆性断裂；疲劳破坏1 前 言随着油田开采进入高含水后期，开采难度增加，机械强采力度进一步加大，抽油机井抽油杆断裂事故的发生频率也随之增加，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅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。第二采油厂2001年18月份水驱抽油机井检泵1036井次，其中因抽油杆断裂施工122井次，占检泵井总数的11.8，与去年同期对比上升2.0个百分点，与去年年底对比上升2.4个百分点。因此，分析、研究抽油杆断裂的发生原因，采取有效的防治措施，预防及减少抽油杆断裂故障发生，对油田今后的可持续发展有着极其重要的意义。2 抽油杆断裂是非对称循环应力作用下发生的疲劳破坏122口因抽油杆断裂而检泵的井中有4口为斜井，因为斜井的特殊性，下面的分析中不包括这4口井。118井次抽油杆断裂井中使用刮蜡杆有53口井，占断杆总井数的44.9%，这部分刮蜡杆都分布在抽油杆柱上部；剩余66口普通杆，其断点主要集中在下部（表1）。表1 66口井普通杆断点分布表断点位置（m）1252650517576100100合计井 数 (口)1577221566从实际断点分布情况来看，我们认为抽油杆断裂不是在最大拉应力下发生，而是在交变应力作用下发生的疲劳破坏。如果在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆的断裂将主要发生在拉应力最大的上部。但是实际情况表明，在抽油杆柱的上部、中部、下部都有断裂故障的发生。另外，从现场实际观察发现，抽油杆呈脆性断裂，而不是塑性变形，这也是疲劳破坏的特点之一。抽油机井正常工作时，抽油杆柱承受着由到交变载荷的作用，因此，在抽油杆内产生了由到的循环应力：作者简介：周阳（1972-），女，工程师，现从事井下作业。 抽油杆柱顶部的最大应力；抽油杆柱顶部的最小应力；悬点最大载荷；悬点最小载荷；抽油杆柱的截面积。在材料力学中，通常把在交变应力下最小应力和最大应力之比称为交变应力的循环特性，用来表示，即：当1，即时，交变应力的循环特性为对称循环。当0，即0时，交变应力的循环特性为脉动循环。抽油杆内产生的从到的交变应力不属于上述两种特性，其循环特性为非对称循环。3 抽油杆疲劳破坏产生原因分析根据公式可以知道，当抽油杆柱确定后，其截面积就是一个确定的值，那么抽油杆柱产生的循环应力的大小就由悬点最大和最小载荷确定。目前国内多采用美国石油学会（API）推荐的方法，用修正古德曼图来进行抽油杆强度校核和杆柱设计。即抽油杆柱的最大许用应力计算公式为： 式中：抽油杆柱的最大许用应力； 抽油杆最小抗张强度；抽油杆最小应力； 使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数（小于或等于1.0）。要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏，抽油杆的最大应力不超过公式中的计算出的最大许用应力，即: 将公式代入公式中得： 公式即为计算满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷公式。查找118井次抽油杆断裂井施工前的井史数据，根据实际测得的最小悬点载荷和抽油杆柱数据，代入公式计算出满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷。目前第二采油厂水驱抽油机井均采用D级抽油杆，根据中华人民共和国石油天然气行业标准规定，D级抽油杆最小抗张强度为794965MPa。以最小抗张强度的下限值794MPa代入公式，计算出抽油杆强度所允许的悬点最大载荷，与实际测得的悬点最大载荷相比，发现有29口井实际测得的悬点最大载荷超过允许的悬点最大载荷。用D级抽油杆最小抗张强度的上限值965MPa代入公式计算，还有3口井实际测得的悬点最大载荷超过允许的悬点最大载荷。这些井在悬点最大载荷和最小载荷的作用下，抽油杆产生了非对称的循环应力，由于各种因素影响，悬点最大载荷和最小载荷发生相应的变化，抽油杆内非对称的循环应力也随之相应变化。当应力循环中的最大应力值超过了抽油杆柱许用的最大应力值时，经过一定的应力循环次数后，首先在应力最集中的地方（如刮蜡杆挡环处、抽油杆丝扣处、应力槽处或抽油杆上的缺陷处）开始形成极细的裂纹，然后随着应力循环次数继续增加，裂纹逐渐扩展。当裂纹不断扩展到使抽油杆不能承受所加的载荷时，抽油杆就会突然断裂。在裂纹扩展的过程中，由于应力的交替变化，使裂纹两边的表面时而张开，时而压紧，因而彼此磨擦和挤压，逐渐形成光滑区。当抽油杆突然断裂时，形成的断口即为粗糙区，这就是在现场观察到的抽油杆断头的脆性断裂。4 油井的各项参数对悬点载荷的影响4.1 原油含水对悬点载荷的影响118井次抽油杆断裂井分布在不同的含水级别内 (表2)。表2 不同含水级别抽油杆断裂井统计表含水()95全厂井数(口)512120198283413625732695154杆断井数(口)143510172526180占总井()2.732.502.533.534.124.003.552.590占杆断井数()11.92.54.28.514.421.222.015.3从表中可以看出，含水高于70以后，发生断裂的比例增多。采出液的密度随着原油含水的上升而增加。那么，采出液密度的增加又会对悬点最大载荷、最小载荷以及抽油杆强度所允许的悬点最大载荷产生怎样的影响呢？依据悬点最大载荷、最小载荷计算公式： 其中：每米抽油杆的质量，kg/m;抽油杆长度，m； 抽油杆截面积，m2；油水混合液密度，kg/m3；柱塞截面积，m2；抽油机使用冲程，m；抽油机使用冲次，n/min；Wr抽油杆在空气中的重力，N；Wt作用在柱塞上液柱载荷，N；Ird悬点最大惯性载荷，N。以高164-48井2000年11月井史生产数据及实际管柱结构为例，在其它条件不变时，计算悬点最大载荷值、悬点最小载荷值、以及在最小悬点载荷时抽油杆强度所允许的悬点最大载荷随含水的变化规律（表3）。高16448井，日产液43t，日产油7t，含水83.1%，使用冲程3m，使用冲次9n/min，70mm整筒泵，全井使用22mmD级抽油杆，泵深938.74m。表3 高16448井在不同含水级别各项载荷计算结果表含水(%)(kg/m3)(KN)(KN)(KN)(KN)-(KN)(KN)-(KN)586725.7331.3261.9122.7039.2174.9713.061087425.7031.5762.1422.6839.4674.9612.821588125.6831.8362.3722.6539.7274.9512.582088825.6532.0862.6022.6239.9774.9312.342589525.6332.3362.8222.6040.2274.9212.103090225.6032.5963.0522.5740.4874.9111.863590925.5832.8463.2822.5540.7374.9011.624091625.5533.0963.5122.5240.9974.8811.384592325.5333.3563.7422.5041.2474.8711.145093025.5033.6063.9622.4741.4974.8610.905593725.4833.8564.1922.4541.7574.8510.666094425.4534.1064.4222.4242.0074.8310.426595125.4334.3664.6522.3942.2574.8210.187095825.4034.6164.8722.3742.5174.819.947596525.3834.8665.1022.3442.7674.809.708097225.3535.1265.3322.3243.0174.799.458597925.3335.3765.5622.2943.2774.779.219098625.3035.6265.7922.2743.5274.768.979599325.2835.8766.0122.2443.7774.758.73100100025.2536.1366.2422.2144.0374.748.49从表中数据可以看出，随着油井含水值上升，悬点最大载荷增加，最小载荷降低，两者之间的差值-增加。同时，随着悬点最小载荷 的降低，抽油杆所允许的悬点最大载荷也降低。4.2 工作参数对悬点载荷的影响调查118 井次杆断井的冲次使用情况：抽油杆断裂井中使用最大冲次的25井次，占全厂使用最大冲次抽油机井总数的13.2%，使用中档冲次的67井次，占全厂使用中档冲次抽油机井总数的3.4%，使用最低冲次的26井次，占全厂使用最低冲次抽油机井总数的1.6%，可见使用冲次过快的危害性是不容忽视的。依据公式，可以看出抽油机井使用冲程、使用冲次的变化都会引起悬点载荷的变化，下面仍以前面提到的高16448井的生产数据为例来计算一下在其它条件不变时冲程和冲次的变化会对悬点最大载荷和最小载荷产生的影响。表4 冲程变化时对悬点载荷的影响含水(%)S(m)N(n/min)（KN）（KN）-（KN）（KN）-（KN）83.12963.8523.2840.5775.2511.3983.12.5964.6622.7941.8775.0110.3583.13965.4722.3043.1774.789.31表5 冲次变化时对悬点载荷的影响含水(%)S(m)N(n/min)（KN）（KN）-（KN）（KN）-（KN）83.13662.7723.9338.8475.5612.7983.13965.4722.3043.1774.789.3183.131269.2520.0249.2473.694.43从上表计算数据可以看出当抽油机井冲程增大或冲次增大时，悬点最大载荷增加，悬点最小载荷降低，而且冲次增加时，悬点最大载荷增加值和最小载荷减少值要高于冲程变化时的增加和减少值。4.3 结蜡对悬点载荷的影响统计118井次抽油杆断裂井的施工情况，共执行刮蜡工序77道，光管热洗3道，热洗车热洗3道,说明断裂事故发生前这些井结蜡比较严重。油井在生产过程中，如果油管内结蜡严重，抽油杆下行过程中在结蜡井段的摩擦阻力增大。上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷方向向下，故增加悬点载荷；下冲程中作用在悬点上的摩擦载荷方向向上，故减小悬点载荷。也就是说，结蜡严重引起摩擦载荷的增大，而摩擦载荷又增加悬点最大载荷，降低悬点最小载荷。例如：9月上旬对南15更26井进行低压测试，两次的测试结果表明，该井悬点最大载荷为67KN，最小载荷为9KN，测电流值：上电流为36A，下电流为19A。认为该井结蜡严重，造成悬点最大载荷过大，最小载荷过低。经过热洗车洗井后，又进行了低压测试，洗井后悬点最大载荷降到41KN，下降了26KN，最小载荷升到18KN，上升了9KN。由此可见，结蜡对悬点载荷的影响很大（表6）。表6 南1-5-更26井洗井前后悬点载荷测试结果对比表项目第一次测试结果第二次测试结果平均值最大载荷(KN)最小载荷(KN)最大载荷(KN)最小载荷(KN)最大载荷(KN)最小载荷(KN)洗井前6910658679洗井后431639204118差值269又根据公式进行计算，得出：洗井前当悬点最小载荷为9KN时，满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷为68KN，只比所测得的悬点最大载荷大1KN，这时已将达到抽油杆的疲劳强度，如果不采取相应的措施就将出现疲劳破坏；洗井后当悬点最小载荷增加到18 KN时，满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷为73KN，比实际测得的悬点最大载荷大32KN，这时完全能够满足抽油杆的疲劳强度。综上所述，原油含水上升、使用参数变大、结蜡等因素都将导致抽油机井悬点最大载荷增加的同时，悬点最小载荷减小。随着悬点最小载荷的降低，满足抽油强度所允许的最大悬点载荷也降低。所允许的最大悬点载荷降低，悬点最大载荷增加，两者之间的差值就会逐渐缩小，当两者之间的差值缩小到0或者悬点最大载荷超过抽油杆强度所允许的最大悬点载荷时，抽油杆柱内所产生的循环应力最大值就将超过抽油杆柱许用最大应力值，再经过一定的应力循环次数后，就会在应力集中的地方产生疲劳裂源，从而引发抽油杆的疲劳损坏。5 防治措施依据抽油杆断裂事故发生的原因，结合现场实际情况，提出有针对性的防治措施：（1）合理优化管柱结构设计,采取大泵径、长冲程、低冲次的设计思路。对于连续使用2年以上的抽油杆，施工要求上下倒换或降级使用，并且抽油杆上部严禁使用抽油杆短节，如果确实需要，应将短节连接在同级抽油杆的底部，最大限度地减少生产管理对抽油杆使用寿命的影响。（2）加强抽油杆柱强度设计，适当的应用超高强度抽油杆。 目前超