宋成立,宋文文,李 巖,李 娜,梁明華,張華佳

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室,西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司,庫爾勒 841000)

某油田Y井完鉆深度為3 450 m，直井最大井斜2.2°，共計114根玻璃鋼抽油桿(總長約1 200 m)、225根鋼抽油桿(總長約1 800 m)，井溫96 ℃，含水率86%。該井發(fā)生抽油機故障停抽于上死點，組織檢抽作業(yè)時發(fā)現，起甩原井抽油桿柱至第113根φ25 mm玻璃鋼桿斷裂，起出部分長9.82 m，斷裂位置約在井深1 166 m處，全桿縱向裂開呈劈散狀，如圖1所示。起管柱至露出斷裂抽油桿后，上提抽油桿懸質量8 t增加至13 t后載荷又下降至8 t穩(wěn)定，后起甩玻璃鋼桿殘體及其他管柱，帶出φ38 mm柱塞完好，斷裂抽油桿上下桿柱無明顯偏磨，但抽油桿扶正器有明顯磨損，抽油桿接箍有明顯偏磨、磨亮現象，如圖2所示。

圖1 斷裂玻璃鋼抽油桿桿體宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured fiberglass sucker rod

玻璃鋼抽油桿是由玻璃鋼桿體和兩端帶螺紋的鋼接頭經高黏度環(huán)氧樹脂黏合劑黏接而成，桿體是由樹脂和玻璃纖維按一定比例通過拉擠工藝制作而成的[1]，具有質量輕、彈性大、耐蝕性好等優(yōu)點，在油田得到了越來越多的應用[2]，其常規(guī)性能參數要求如表1所示[3]。作者對該失效玻璃鋼抽油桿進行了一系列檢驗與分析，以明確該玻璃鋼抽油桿斷裂的主要原因并提出了防止此類事故再次發(fā)生的措施。

圖2 接箍偏磨宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of eccentric wear of coupling

1 理化檢驗

1.1 尺寸測量

利用游標卡尺(精度0.01 mm)對失效玻璃鋼抽油桿兩端完好桿體的直徑進行測量，兩段玻璃鋼桿累計長度1 300 mm，每隔130 mm選取一個截面，每個截面測量3次(相互間隔120°測量)，測量位置示意圖如圖3所示，測量結果見表2。

圖3 玻璃鋼抽油桿直徑測量示意圖Fig.3 Diagram for diameter measurement of the fiberglass sucker rod

表1 玻璃鋼抽油桿性能參數要求Tab.1 Performance parameter requirements of the fiberglass sucker rod

表2 玻璃鋼抽油桿直徑測量結果Tab.2 Diameter measurement results of the fiberglass sucker rod mm

1.2 玻璃化轉變溫度檢測

依據SY/T 6267—2018《高壓玻璃纖維管線管》，在玻璃鋼桿上取3個平行試樣，采用AQ200型示差掃描量熱儀檢測玻璃化轉變溫度，結果見表3。

表3 玻璃化轉變溫度檢測結果Tab.3 Test results of glass transition temperature

1.3 樹脂含量檢測

依據GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》，在玻璃鋼桿上取3個平行試樣，采用LE4/11/R6型馬弗爐進行燒蝕試驗，并根據下式計算樹脂含量

(1)

式中：wr為樹脂質量分數，%；m2為坩堝+試樣質量，g；m3為灼燒后坩堝+試樣質量，g；m1為坩堝質量，g。

表4 樹脂含量檢測結果Tab.4 Test results of resin content

1.4 力學性能試驗

1.4.1 拉伸性能

依據GB/T 13096—2008《拉擠玻璃纖維增強塑料桿力學性能試驗方法》，在同批次完好玻璃鋼抽油桿體上取3個試樣，試樣長度為700 mm，采用SHT4106型萬能試驗機對玻璃鋼抽油桿體進行拉伸試驗。試驗過程中對拉伸試驗夾具進行了改造，主要將鋁合金夾具更換為碳鋼夾具(鋁合金夾具硬度低，在試驗中極易發(fā)生變形)。隨著試驗中加載力的增大，桿體斷續(xù)發(fā)出響聲，在斷裂瞬間響聲最大且伴有樹脂碎片飛濺，試驗后桿體外表面均僅有少量纖維與桿體分離，但從中部鋸開后發(fā)現纖維均已發(fā)生縱向開裂，如圖4所示。試驗結果如表5所示，玻璃鋼抽油桿體的抗拉強度為588 MPa。

將試驗后的玻璃鋼抽油桿體再次拉伸，桿體發(fā)生了明顯的斷裂，呈縱向劈散形貌，如圖5所示，與失效的玻璃鋼抽油桿斷裂形貌類似。

圖4 玻璃鋼抽油桿拉伸試樣斷裂前后宏觀形貌Fig.4 Macro morphology before and after fracture oftensile sample of the fiberglass sucker rod:a) before the test; b) after the test; c) middle section

圖5 玻璃鋼抽油桿劈散宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of split and scatter of the fiberglass sucker rod

1.4.2 壓縮性能

依據GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》，在同批次完好玻璃鋼抽油桿體上取3個試樣，試樣高度為25 mm，采用UH-F500KNI型萬能試驗機對其進行壓縮試驗。試驗中隨著加載力的增大，試樣斷續(xù)發(fā)出響聲，在斷裂瞬間響聲最大且伴有樹脂碎片飛濺，最終試樣發(fā)生縱向開裂，如圖6所示，試驗結果見表6，其中平均壓縮強度為559 MPa。

表5 玻璃鋼抽油桿拉伸試驗結果Tab.5 Tensile test results of the fiberglass sucker rod

圖6 壓縮試驗后試樣宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of samples after compression test

表6 玻璃鋼抽油桿壓縮試驗結果Tab.6 Compression test results of the fiberglass sucker rod

1.4.3 硬度測試

依據GB/T 3854—2005《增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》，在玻璃鋼抽油桿體上取一個全截面試樣，試樣長度為50 mm，采用GY2J-934-1型巴氏硬度計，對試樣的橫截面和外表面分別進行硬度測試，其中壓點到試樣邊緣以及壓點與壓點之間的距離均不小于3 mm。試驗結果如表7所示，可見橫截面和外表面的硬度分別為75 HBa和80 HBa。

2 分析與討論

由上述理化檢驗結果可知，該玻璃鋼抽油桿的直徑、樹脂含量、彈性模量、硬度均滿足其性能要求，玻璃化轉變溫度遠高于工作溫度，不存在軟化變形的風險，但抗拉強度低于其性能要求，表明其力學性能出現異常。

表7 玻璃鋼抽油桿硬度測試結果Tab.7 Hardness test results of the fiberglass sucker rod HBa

具體斷裂原因分析如下：首先，該玻璃鋼抽油桿的受力狀態(tài)是不斷變化的，上行時，玻璃鋼抽油桿一般處于受拉狀態(tài)，而下行時，由于液流通過抽油泵的游動閥，對抽油泵柱塞產生向上的流動阻力，同時還有向上的摩擦阻力，即上部受拉，下部受壓，處于受壓位置的某根玻璃鋼抽油桿可能產生過大的縱向彎曲[5-6]，因此，玻璃鋼抽油桿承受著反復的拉伸和壓縮載荷。拉伸試驗結果也顯示，該玻璃鋼抽油桿在拉伸試驗后，纖維發(fā)生局部斷裂且縱向分離，再次拉伸后引起更多纖維斷裂且分離，呈劈散形貌，壓縮試驗也顯示其斷裂形貌呈劈散狀，均與其實際失效形貌一致。加之其本身抗拉強度低于要求值，極易在作業(yè)中發(fā)生斷裂失效。

其次，該井含水量較大，增大了玻璃鋼抽油桿的浮力使其屈曲的臨界壓力降低，進而容易彎曲而發(fā)生偏磨[7]，以及該井存在2.2°傾斜，玻璃鋼抽油桿與油管接觸而發(fā)生偏磨是不可避免的[8]，而實際也發(fā)現該玻璃鋼抽油桿接箍發(fā)生偏磨，由此會增加玻璃鋼抽油桿的受力而加速其發(fā)生斷裂失效。

因此，根據試驗結果和現場實際工況情況可以推斷，由于該玻璃鋼抽油桿抗拉強度低于要求值，并承受著反復拉壓作用，因此玻璃纖維逐步斷裂成劈散形貌。接箍與井壁的偏磨使玻璃鋼抽油桿體受力變大，加速了桿體的斷裂。

3 結論及建議

該玻璃鋼抽油桿抗拉強度低于要求值，材料不合格，在作業(yè)過程中承受反復拉壓作用后，玻璃纖維逐步斷裂成劈散形貌，接箍與井壁的偏磨加速了桿體的斷裂。

建議對玻璃鋼抽油桿在到貨抽檢時進行拉伸試驗，確保其滿足性能要求或根據實測玻璃鋼抽油桿承載能力來設定作業(yè)載荷。建議采用尼龍扶正、管桿旋轉、調整生產參數等方法防止玻璃鋼桿體與井壁偏磨的發(fā)生。