抽油杆断脱原因分析及预防措施

杨元科(中国石油天然气集团公司玉门油田分公司油田作业公司,甘肃 玉门 735000)

抽油杆断脱原因分析及预防措施

杨元科(中国石油天然气集团公司玉门油田分公司油田作业公司,甘肃 玉门 735000)

抽油杆断脱使油井不能正常生产，影响油井产量。本文从抽油杆的断脱原因及预防措施进行了分析与讨论，并得出结论。对今后油井的正常生产具有一定意义。

油杆断脱;原因分析;预防措施

修井的目的和任务是恢复油井的正常生产，提高井的生产时率和利用率，以最大限度增加油井的产量，随着油田开发时间的延续，抽油杆的断脱现象时有发生，而且频率很高。给正常的生产带来了直接影响，尽管在斜井投产时，对抽油杆柱已进行了扶正防磨设计，避免了与油管直接偏磨而发生断脱。但由于抽油杆柱在斜井中受到循环应力、弯曲应力和旋转扭矩的工况远远较直井复杂。因此，从一定程度上讲，抽油杆在斜井中的偏磨断裂是不可避免的。针对抽油杆柱断脱问题，近几年来防治结合，不断的完善抽油杆柱扶正防磨工艺，优化抽油杆柱结构，使抽油杆断脱事故得到有效的控制。

抽油杆组成的抽油杆柱将地面抽油机的能量传到井下，带动井下抽油泵工作，在工作时抽油杆在油管中作上下往复运动，是一个复杂的振动系统，其工作条件是相当恶劣的。抽油杆通常都由圆钢制成，两杆的公扣之间用接箍相接，根据石油工业部标准SY5029-83规定，常用抽油杆的直径有16，19，22，25mm，标准长度为8000±500mm，抽油杆的钢材分为C，D，K三个等级。为了保证油井的正常生产，必须了解抽油杆失效的原因。

1 抽油杆断脱原因分析

1.1 目前抽油杆的组合有

φ25单级组合

φ22单级组合

φ19×φ22双级组合

φ19×φ22×φ25 三级组合

φ16×φ19×φ22×φ25四级组合

目前，本油田除青西、鸭儿峡外，常用的组合有φ19×φ22的双级组合和 φ16×φ19×φ22三级组合，以单北油田和水平井为例,由于抽油杆在斜井中承受循环应力、弯曲应力和旋转扭矩等力，所以在一定程度上来说抽油杆在斜井中断脱是不可避免的。

抽油杆在油管中上下往复运动，井内随着工作条件的不同，承受的轴向载荷也不同，与井斜、方位角、井深及油管壁摩擦有关。

当抽油杆在正常工作中时，由于和油管内壁相互摩擦，造成油杆偏磨，加上重力和各种应力的作用，以至于抽油杆发生断脱。另一种造成抽油杆断脱的因素为受力不均匀，造成抽油杆内外强度，应力差别。

1.2 对抽油杆疲劳损坏的分析

当抽油杆上下运动时，抽油杆柱顶端的载荷最大，同时是变化的。当整个抽油杆柱的截面尺寸相同时，在抽油杆顶端的抽油杆内产生的应力最大，而且应力是脉动变化的。在这一脉动应力作用下，工作一定时间以后，抽油杆柱顶部的某一薄弱环节就可能发生疲劳断裂。

在抽油杆柱的下部，抽油泵以上的抽油杆工作条件也是比较差的。抽油泵柱塞下行时，游动阀有一定的压力降，此压力降作用在柱塞面积上将产生一定的阻力。该阻力与柱塞和泵套之间的摩擦阻力相加即为抽油泵柱塞下行阻力，这一下行阻力需靠抽油杆的自重来克服。在自重作用下，抽油杆柱中有一部分将产生压应力。柱塞上行时，抽油杆中的应力又变为拉应力，因此这一部分抽油杆中将会产生方向相反的交变应力。

油稠、泵径大、下行速度快时，下行阻力会很大，需很长的抽油杆柱自重才能克服这一阻力。因此，抽油杆的下部工作条件很复杂，有可能在工作中首先疲劳损坏，造成脱扣。

其次，使用年限超过3年的抽油杆，在长期的井下工作中，在抽油杆表面形成创伤、刻痕、断纹、压凹、磨损、点蚀。在损伤部位形成应力集中，使抽油杆的疲劳强度和安全使用系数降低，因而发生断裂几率大大增加。

1.3 化学腐蚀因素

抽油杆柱是浸泡在采出液中的。而采出液中经常包含有盐水、H2S、CO2、等腐蚀介质，使抽油杆柱腐蚀。

在一些井中，特别是含水较高的一些井中，矿化度相对而言就比较高，可能对金属有腐蚀作用，抽油杆的丝扣和偏磨的部分被腐蚀，是造成抽油杆可能脱扣的原因之一。在地层水中含有H2S电解融于水中，生成一种酸，腐蚀油杆，H2S与铁作用，生成原子氢，腐蚀油杆丝扣和偏磨严重的部分，造成油杆脱扣。

1.4 供排匹配状况分析

抽油杆柱发生断裂的油井，供排矛盾突出，产建井表现突出，在地层供液能力有限的情况下，抽汲参数偏大，主要是冲次和泵径偏大。通过平均水平比较，可以更加清楚地看出。

当泵的举升能力超出地层流体流入井底的流量时，通常发生液击。在这种情况下，在上冲程时泵筒不能完全充满液体，当下冲程开始时，游动凡尔应当打开却没有打开，柱塞承担了全部流体载荷开始了下冲程。接着，当柱塞撞击泵筒中的液面时，突然的撞击力就沿着杆柱传到了地面。在液击期间产生的大量动载荷对井下杆柱产生有害的影响，杆柱遇到导致杆断的纵向弯曲，增加了油杆与油管的偏磨。

综合上述分析认为，在地层供液能力有限的情况下，冲次和泵径偏大，液击工况的发生，也是油油杆断裂的一个主要原因。

1.5 蜡卡

油井随着温度和压力下降以及轻质组分不断逸出，原油溶蜡能力随之不断降低，原油中的蜡便以结晶析出，聚集并沉积在油管内壁、抽油杆表面。出现结蜡情况，直接影响油井产量，严重时迫使油井停产。因此严重结蜡也是导致油杆脱扣的原因之一。本油田更为突出.

1.6 强度校核分析

2005年查，一年共发生抽油杆断裂80多井次，抽油杆断裂修井占小修井的比例为约为16%左右。

从现场断裂抽油杆的断面观察，表面光滑，无缩径，呈现典型的疲劳断裂特征，说明抽油杆断裂跟抽油杆实际承受的最大和最小载荷构成的循环载荷有很大关系。为了找出抽油杆疲劳断裂的原因，从强度校核进行分析：

采用美国API方法计算。

抽油杆材料的最小抗拉强度，D级杆为794MPa；

抽油杆安全使用系数，由液体腐蚀程度决定，一般取0.7-0.9。考虑本油田抽油杆使用年限长、井下作业损伤等因素，可适当降低安全使用系数.

合理的应力比范围大于0.5小于1，并且接近1。对多级组合杆柱，合理的抽油杆组合比例不仅应保证各级抽油杆的应力范围比大于0.5小于1，而且各级杆的应力比值应该比较接近，也就是应符合强度原则。

要保证抽油杆不发生疲劳损坏，各级杆的最大应力不应超过该级杆的许用最大应力。

通过强度校核分析：

（1）泵深超过1250m时，采取φ19单级组合，抽油杆易发生断裂；

（2）采用φ16mm×φ19mm二级组合，φ16mm与φ19mm抽油杆的组合比例应保持在φ16mm（69%~64%）+φ19mm(31%~ 36%)的范围，当φ19mm抽油杆的使用数量超过69%，φ16mm抽油杆的使用数量少于31%，抽油杆柱易发生断裂；

（3）采用φ16mm×φ19mm×φ22mm三级组合，各级杆柱组合比例应保持在φ16mm（51%~43%）+φ19mm(26%~30%)+φ22 mm(23%~27%)的范围，否则各级杆柱组合比例失调，破坏了等强度原则，抽油杆柱运行不安全。

2 抽油杆断脱防治措施

2.1 定向井扶正防磨工艺

玉门油田定向井的井眼轨迹主要分三种类型：直井段到增斜段、直井段—增斜段—稳斜段、直井段—增斜段—水平段，进入油层的井斜角一般20°～50°之间，尤其第三种类型，出现了拐点，甚至形成严重的“狗腿”，生产时抽油杆柱的受力状况变得非常复杂，增大了杆管偏磨的可能性，严重时会影响油井正常生产。因此定向井的防磨问题对于提高油井利用率和采油时率、延长油井生产周期意义重大。

为解决抽油杆与油管偏磨这一定向斜井采油的关键问题，玉门油田根据油井实钻井眼轨迹图，从凭经验到结合定向井工况诊断及参数优选软件，实现了定向井全方位扶正防磨。

所用扶正器有以下四种类型：

（1）尼龙扶正器（又称刮蜡器）

（2）固定式扶正器

（3）两瓣式扶正器

（4）滚轮扶正器（又称导向轮）。

前三种扶正器同油管内壁之间靠滑动摩擦接触，实现抽油杆柱的扶正防磨。滚轮扶正器是靠滚动摩擦接触油管内壁实现抽油杆柱的扶正防磨，其在定向井扶正防磨措施中有其它扶正器不可替代的作用，故其不仅有扶正防磨的作用，还有降低抽油机悬点载荷的作用，还可定期更换滚轮。

这四种扶正器在定向斜井中均有使用，都能较好的起到扶正防磨作用。

2.2 优化杆柱结构

玉门油田抽油杆在泵深小于1000m时，采用了Φ19mmD级抽油杆一级组合；当泵深大于1000m时，一般采用φ19mm×φ22 mmD级抽油杆两级组合。

2.2.1玻璃钢杆应用

玻璃钢杆具有自身重量轻、弹性好、强度高、耐腐蚀、表面不易结蜡等优点，因此采用玻璃钢抽油杆抽油可使悬点负荷大幅度下降，避免抽油机和抽油杆柱超载，降低抽油杆柱失效频率。

2.2.2标准光杆、拉杆应用

普通抽油杆替代作光杆和拉杆在高含水油井中易腐蚀、磨损快，易受卡瓦牙伤害，经常发生断裂。为此，推荐应用KD级防腐耐磨标准光杆和标准拉杆.应可以降低光杆和拉杆断裂造成的井下作业强度.

2.3 更换老化、腐蚀抽油杆

针对抽油杆老化，腐蚀也是造成老井抽油杆断裂的一个重要原因，见意结合修井作业时对不合格抽油杆进行更换。

2.4 配套防气工具，减少气体影响

目前受气体影响造成抽油杆频繁断裂，针对这种状况，建议用配套且已应用成熟的井下油气分离器。

3 认识与建议

(1)以上措施，建议在玉门油田推广。

(2)对于老井，因在修井施工中，由于更换油管杆，井下数据有偏差，为了消除隐患，建议在修井设计中注明：斜井段、拐点位置，以便在修井施工中核实井下数据。

(3)对于新井投产，建议作业施工队严格按设计方案组配井下工具。

(4)在急剧弯曲的井眼断，设计高强度的油杆大小头，优化组合。这样，垂直油杆与大小头在同一平面内受力均匀，消除了因拉力不均而从丝扣处脱扣的危险。

(5)在含有腐蚀性介质的油井中注入缓蚀剂，以延长抽油杆的寿命。

(6)上扣时打好备钳，防倒扣油杆落井。

(7)上扣扭矩应符合标准，不应过松或过紧。

[1]崔振华等著.《有杆油油系统》.北京：石油工业出版社，1994.

[2]罗英俊等箸.《采油技术手册》（修订本）.北京：石油工业出版社，1989.

[3]王鸿勋，张琪等著.《采油工艺原理》，石油工业出版社，1981.

杨元科（1978-）男，土族，青海乐都人，工程师，主要从事油气田开发工作。