黃德勝（大慶油田采油十廠南江分公司）

引言

造成抽油機(jī)井作業(yè)的原因很多，根據(jù)A區(qū)塊近幾年的作業(yè)資料可以得到，抽油桿斷脫是造成油井作業(yè)的主要原因之一，平均占作業(yè)井總數(shù)的40%左右，控制抽油桿斷脫意義十分重大。

要采取有效地措施，降低抽油桿斷脫發(fā)生的機(jī)率，必須找到影響抽油桿斷脫的原因，下面將分析抽油桿斷脫的原因。

一、抽油桿斷脫的原因

影響抽油桿使用壽命的因素很多，在生產(chǎn)實(shí)際中可能因一個原因就導(dǎo)致抽油桿的斷脫，但絕大多數(shù)的斷脫是在多個因素共同作用，且各個因素相互滲透、相互促進(jìn)的情況下發(fā)生的。

1.管桿偏磨造成抽油桿的機(jī)械磨損

管桿偏磨是油井生產(chǎn)過程中不可避免的，它不僅發(fā)生在斜井和定向井中，同時在直井也存在。

（1）井眼軌跡彎曲造成管桿偏磨

由于地層條件和鉆井工藝等因素的制約，油井井眼軌跡存在一定的井斜角和方位角，且多向變化。井眼軌跡是一條方向復(fù)雜多變的三維空間管道，由于抽油桿具有一定的剛性和彈性，抽油桿在彎曲的空間管道中做上下往復(fù)運(yùn)動，必然會造成抽油桿的彎曲，與油管產(chǎn)生多個接觸點(diǎn)，發(fā)生摩擦，導(dǎo)致機(jī)械磨損。

（2）直井中抽油桿彎曲變形造成偏磨

直井抽油桿彎曲產(chǎn)生于下沖程。在下沖程過程中，固定凡爾關(guān)閉，游動凡爾打開。抽油桿柱承受在液柱中的重力，方向向下；桿柱與液體之間的向上的摩擦力；液體通過排除閥的液流阻力所產(chǎn)生的向上的反作用力；下行時特別是在活塞游動凡爾打開的瞬間，受到泵內(nèi)液體及泵筒內(nèi)壁對活塞的向上的阻力；前半個沖程，加速度方向向下，存在向下的慣性力，后半個沖程，加速度方向向上，存在向上的慣性力。在以上力的作用下，整個桿柱上部受拉，下部受壓，拉壓之間必然存在一個既不受拉也不受壓的中性點(diǎn)。根據(jù)工程力學(xué)的壓桿失穩(wěn)原理，在中性點(diǎn)附近，抽油桿出現(xiàn)失穩(wěn)，產(chǎn)生彎曲，彎曲到一定程度可使抽油桿與油管內(nèi)壁發(fā)生接觸，造成偏磨。這種偏磨通常發(fā)生在靠近泵端的位置，泵上200 m以內(nèi)出現(xiàn)的可能性最大。

2.交變載荷引起抽油桿的疲勞破壞

疲勞破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應(yīng)力的作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程；是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展都是多次應(yīng)力循環(huán)損傷積累的結(jié)果[1]。

抽油桿的工作環(huán)境較為特殊，其受力也比較復(fù)雜。在、上下沖程過程中，抽油桿的受力各不相同。

抽油桿的軸向拉力，隨抽油桿的位置不同而不同，上部的抽油桿受力比較大，下部的抽油桿受力比較小。一般情況下，抽油桿除受在液體中的重力、活塞以上液柱載荷及慣性力外，還受由于抽油桿的彈性而引起的振動力、由于液體和活塞運(yùn)動不一致或泵未充滿等各種因素引起的沖擊載荷以及柱塞與泵筒，抽油桿與油管，抽油桿與液柱之間的摩擦力的作用。而且上下沖程抽油桿的受力大小差異大，上沖程中抽油桿受力大，下沖程中抽油桿的受力小。因此，抽油桿是在交變載荷的作用下做周期性的往復(fù)運(yùn)動【2】。

抽油機(jī)正常工作時，抽油桿某一處所受的應(yīng)力為：

p——抽油桿所受的合力fr——抽油桿柱的截面積

從式（1）中得知，應(yīng)力與抽油桿的截面積成反比，桿徑越小，所受應(yīng)力越大。由于抽油桿接箍除螺紋桿徑變化大，在該處存在應(yīng)力集中；同時，在抽油桿管偏磨嚴(yán)重處，因機(jī)械磨損導(dǎo)致桿徑發(fā)生變化，也會出現(xiàn)應(yīng)力集中。在懸點(diǎn)最大載荷和最小載荷的作用下，抽油桿會產(chǎn)生不對稱的循環(huán)應(yīng)力，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，循環(huán)應(yīng)力中的最大值就可能超過抽油桿柱的極限應(yīng)力，在應(yīng)力集中的地方開始形成裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致抽油桿的斷脫。

3.生產(chǎn)參數(shù)的影響

沖程和沖次是抽油機(jī)井兩個十分重要的生產(chǎn)參數(shù)，不但影響油井的產(chǎn)量，同時還影響到抽油桿的受力。

驢頭帶動抽油桿和液柱做變速運(yùn)動是存在加速度，因而存在慣性力，而根據(jù)《采油工程》懸點(diǎn)最大、最小載荷計(jì)算公式，有：

其中Pr—抽油桿柱在空氣中的重力Pl—作用在柱塞上的液柱載荷

λ—曲柄旋轉(zhuǎn)半徑r與連桿長度L之比 s—抽油機(jī)沖程

n—抽油機(jī)沖次

從式（3）、(4)得到，抽油機(jī)的沖程、沖次影響懸點(diǎn)最大、最小載荷，且沖次變化造成的影響效果比沖程大，因此重點(diǎn)考慮沖次的影響。

上沖程開始時，游動凡爾關(guān)閉，抽油桿加載；下沖程開始時，游動凡爾打開，抽油桿卸載。沖次越高，抽油桿加載卸載的頻率越高，使抽油桿產(chǎn)生疲勞的可能性更大。

另外，沖次越高，抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動的周期越短，偏磨井中桿管摩擦的次數(shù)就越多，對抽油桿造成的機(jī)械磨損也就越大。

二、抽油桿斷脫的預(yù)防措施

1.加大扶正器和防偏磨接箍的使用

對容易發(fā)生偏磨的井，尤其是斜井和定向井，盡量增加扶正器和防偏磨接箍的使用，對造斜段加大扶正密度。同時，采用高強(qiáng)度耐磨扶正器，減少扶正器的磨損速度，提高扶正效果。

2.優(yōu)化抽油桿柱設(shè)計(jì)

一般情況，下部抽油桿柱受到的載荷小，使用的是強(qiáng)度較小的∮16的抽油桿柱。對下部抽油桿頻繁出現(xiàn)斷脫的井，可以采用強(qiáng)度較高的∮19的抽油桿柱；同時還可以適當(dāng)使用加重桿，既增大了抽油桿柱的強(qiáng)度，又增大了抽油桿柱的下行力，使中性點(diǎn)位置上移，避開桿徑較小的部位。

[1]朱波.機(jī)械采油管桿偏磨原因分析與治理研究[D].哈爾濱工程大學(xué).15.

[2]王顯豐.佟雪松.抽油桿斷脫的原因及預(yù)防措施.[J].化學(xué)工程與裝備.2009（第9期）.