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        腐蝕油井抽油桿桿柱組配方法研究

        2018-09-10 08:13:17孫喆
        大東方 2018年4期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        孫喆

        摘 要:目前采油廠桿斷躺井居高不下(42井次/月),成為制約躺井的最主要因素。本文對現(xiàn)場影響最嚴(yán)重的抽油桿腐蝕疲勞斷裂進行了分析,發(fā)現(xiàn)目前桿柱設(shè)計、校核方法在腐蝕油井已經(jīng)明顯不適應(yīng),為此提出了新的設(shè)計、校核辦法,并在現(xiàn)場試驗應(yīng)用了25口井,效果良好。

        關(guān)鍵詞:抽油桿桿柱組配;抽油桿腐蝕疲勞;斷裂韌度;抽油桿桿柱等壽命匹配原則

        一、目前桿柱設(shè)計方法評價

        (1)古德曼校核方法的原理

        古德曼假設(shè):1)、用A3C古德曼直線代替A3dC材料實際疲勞極限曲線;2)、對稱循環(huán)疲勞極限等于材料抗拉強度的三分之一(抗拉強度取下限);3)、假設(shè)抽油桿是無缺陷。

        基于上面的三條假設(shè),古德曼校核圖版是一個偏于安全的疲勞評價辦法,更多的是抽油桿桿柱設(shè)計的一個必要條件,而非一個充分條件。

        抽油桿校核公式:

        a、最大許用負(fù)荷據(jù)改進的古德曼應(yīng)力圖公式:

        PA=(a·T·F+b·Pmin)· SF,(N)

        SF—使用系數(shù)(寧海、勝坨油田油層礦化水為鹽水,D級桿和高強度El級桿為O.9,C級桿為0.65)

        b、抽油桿應(yīng)力范圍百分?jǐn)?shù):

        w=(Pmax-Pmin)/(PA-Pmin)X100%≤100%

        只要滿足應(yīng)力范圍<100%,即認(rèn)為抽油桿桿柱是可靠地,可以循環(huán)107。但這是一種理想環(huán)境下的校核,實際生產(chǎn)中抽油桿會因為各種原因存在缺陷,而且在復(fù)雜的腐蝕工況下抽油桿壽命也明顯偏短。

        (2)勝利采油廠抽油桿失效的特點

        1)抽油桿失效與應(yīng)力大小存在明顯關(guān)系,應(yīng)力范圍大于60%后,桿斷失效概率明顯增加。

        2)腐蝕工況下,低應(yīng)力斷裂問題

        2012年抽油桿大調(diào)查:全部358口井中,有腐蝕描述的共211口井,占58.9%,大調(diào)查的數(shù)據(jù)證明,勝利采油廠抽油桿腐蝕現(xiàn)象普遍存在。而腐蝕斷裂,主要變現(xiàn)為一種低應(yīng)力斷裂。

        以ST3-5-144油井為例。抽油桿組合:25mm*1178.94m,機型:R16-7.3-37HF(900),理論最大負(fù)荷:88.1KN,理論最小負(fù)荷:43.62KN,理論應(yīng)力范圍:64.47%,最大負(fù)荷差:7KN,最小負(fù)荷差:-11.4KN,實際應(yīng)力范圍:64.46%。

        該井抽油桿為2013年大修桿,使用319天后斷裂,形貌為典型的腐蝕疲勞斷裂。

        該井67根本體上部斷裂,斷裂處的最大負(fù)荷=44.527+24.46=68.987KN;名義應(yīng)力σ =136.23MPa;D級桿抗的拉強度793MPa;斷裂處應(yīng)力為抗拉強度的17%;

        D級桿的疲勞強度264MPa;斷裂處應(yīng)力為疲勞強度的51.5%;失效時的循環(huán)次數(shù)9X105。

        失效表現(xiàn)為:1、遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命;2、低應(yīng)力失效;3、應(yīng)力集中處斷(腐蝕坑)。

        (3)傳統(tǒng)疲勞設(shè)計的不適應(yīng)性

        第二次世界大戰(zhàn)時,美國近五千艘全焊接自由輪,發(fā)生過一千多起脆性破壞事故。其中238艘完全報廢。當(dāng)時大量研究工作都以傳統(tǒng)的力學(xué)性能指標(biāo)為依據(jù),采用了足夠大的安全系數(shù),但依然不能解決問題。

        這些事故和采油廠抽油桿失效存在共同的特點:1)、設(shè)計時采用了較大的安全系數(shù),依然脆斷嚴(yán)重;2)、脆斷處宏觀應(yīng)力小于材料的屈服強度;3)、脆斷從應(yīng)力集中處開始,特別是缺口和裂紋;4)、厚截面、高變形速度,易引起脆斷。

        二、腐蝕油井抽油桿設(shè)計、校核辦法研究

        (1)斷裂力學(xué)基本觀點

        觀點一:抗裂紋發(fā)育的能力是由材料本身決定的。斷裂韌度是材料的一種嶄新力學(xué)性能,它反映了材料抵抗裂紋開裂擴展的能力,是由材料本身決定的。

        觀點二:裂紋擴展是由于缺陷引起的,且存在門檻值。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強度大于ΔKth時,裂紋開始發(fā)育。相同應(yīng)力下,材料的ΔKth的大小決定了允許存在腐蝕坑的大小。

        觀點三:抽油桿的壽命主要受腐蝕坑產(chǎn)生的時間影響。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強度大于ΔKth時,裂紋開始發(fā)育,一旦裂紋發(fā)育,裂紋發(fā)育速率是原先的100倍以上。

        裂紋擴展時間一般在幾個月,因此抽油桿的壽命主要取決于腐蝕坑產(chǎn)生的時間。

        (2)腐蝕油井桿柱校核及組配辦法研究

        描述裂紋尖端應(yīng)力場強弱的力學(xué)參數(shù)量稱為應(yīng)力強度因子K1。

        σ:名義應(yīng)力

        Y1:正則系數(shù),無量綱

        a:裂紋尺寸

        當(dāng)裂紋增加到一定尺寸或名義應(yīng)力達(dá)到一定水平時,裂紋就會起裂并失穩(wěn)擴展。

        裂紋起裂擴展時的K1值完全由材料性質(zhì)決定的常數(shù),記為K1c,即:斷裂韌度。

        根據(jù)該理論:正常油井生產(chǎn)時,必須滿足K1當(dāng)材料一定時,K1c的大小是確定不變的。1)、應(yīng)力越大,允許存在腐蝕坑就越??;2)、腐蝕坑越大,允許存在的應(yīng)力就越小。

        抽油桿桿柱上、下部分,腐蝕工況的不同造成上、下部分壽命的不同。

        以ST2-4C310油井為例。

        該井下行阻力25.2KN,上部和下部最大負(fù)荷相差58.11KN。最上端應(yīng)力144.7MPa,最下端應(yīng)力39.2MPa。

        a上/a下=39.22/144.72=1/13.6。

        即下端腐蝕速率是上端的13.6倍時,上、下端壽命相等。實際情況,下端腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上端腐蝕速率。

        由22mm加粗到25mm后,應(yīng)力降低,允許腐蝕坑增大1.7倍,壽命增加570天。因此,為實現(xiàn)上下壽命匹配,腐蝕油井下部抽油桿應(yīng)該加大尺寸。

        三、抽油桿降應(yīng)力試驗情況

        (1)降低抽油桿使用應(yīng)力

        由25mm增大到28mm后抽油桿應(yīng)力范圍降低20%左右。通過增大抽油桿直徑可以有效降低應(yīng)力范圍。

        (2)提高抽油桿抗腐蝕能力

        KH級抽油桿性能:KH級抽油桿的技術(shù)指標(biāo),即:在力學(xué)性能上要滿足H級抽油桿的要求,在耐腐蝕性上滿足K級抽油桿的水平要求。針對勝利采油廠井況,選擇了KH高強度防腐桿進行試驗。KH高強度防腐桿主要是調(diào)高了Ni的含量到1.65-2.0%,有效提高其抗腐蝕性能。

        (3)降應(yīng)力試驗效果評價

        目前,KH桿在井應(yīng)用25口,以大泵應(yīng)用為主。目前最長在井292天,效果繼續(xù)觀察中。

        以ST2-6-295為例。自2010-9-6改83泵以來,已經(jīng)桿斷14井次,平均桿斷周期101天。改用28mm桿后,應(yīng)力范圍明顯下降,目前有效期達(dá)到230天。

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