塔河油田抽油机井抽油杆断脱原因分析及治理对策研究

李勇 LI Yong；张园 ZHANG Yuan

（中石化西北油田分公司塔河采油三厂，阿克苏 842016）

（No.3 Production Plant of Tahe Oilfield，Northwest Oilfield Branch of SINOPEC，Aksu 842016，China）

1 油田现状

塔河油田目前机采井占油井总数75%，其中抽油机井占机采井数84%，平均泵挂深度2400m左右，平均沉没度1200m左右，平均含水64.0%。抽油杆以H级抽油杆为主，一般采用三级杆柱组合，部分井配套采用了玻璃钢杆以及加重杆等四级杆柱组合。自2010-2012年6月，因抽油杆断脱原因检泵作业113井次，占抽油机井检泵总数近20%，主要表现为：抽油杆本体断裂、抽油杆接箍处断裂、脱扣等3种情况，其中抽油杆本体断裂69井次，占断脱井总数的61%；接箍处断裂10井次，占断脱井总数的9%，脱扣34井次，占断脱井总数的30%。频繁检泵严重影响生产，并造成较大经济损失，直接经济损失近2000万元。

2 抽油杆断脱原因分析

2.1 抽油杆断脱位置分析 塔河油田主要采用三级杆柱组合，以采油三厂为例，杆柱断脱深度在0-1000m范围内21井次，占54%，断点主要集中抽油杆柱的中上部。

进一步分析（如图1），1"杆和7/8"断点主要分布在距该级杆顶端200m内。主要是由于越靠近每级杆顶端，杆柱承受载荷应力越大。3/4"杆断点集中两个区间：一是距该级杆顶端200m以内；另一区间是距离该级杆顶端300m以上或泵挂附近，主要是由于下部抽油杆下行程为压力，上行程为拉力，在交变力作用下更易疲劳断裂。

统计采油三厂抽油杆断点位置与公扣距离关系分析（如图2），杆断的位置主要集中在靠近公扣的应力集中区域。而抽油杆镦粗凸缘附近杆柱断裂6井次，占杆柱断裂比例15.4%，分析认为抽油杆在上扣、卸扣过程中在抽油杆镦粗凸缘附近形成一定机械损伤或应力集中是杆断原因之一。

图1 抽油杆断点与各级杆位置关系图

图2 抽油杆断点与公扣距离关系图

2.2 泵挂深度影响分析 塔河油田泵挂深度深、杆柱负荷大、受力复杂，是杆断主要原因。统计不同泵深与断脱次数关系（如图3）。可知泵深≥2000m的油井杆断脱次数最多，占杆断井比例为95.6%。

图3 泵深与油杆断脱情况统计

统计采油三厂2800m泵挂不同沉没度杆断分布（如图4），杆断井主要集中在沉没度500m以内和大于1000m。在相同泵挂条件下，沉没度越小，悬点载荷越大，杆柱越易断裂；而当沉没度过大时，下行程因柱塞受浮力影响，杆柱受压拉交变应力影响也易断裂。

图4 不同沉没度下与抽油杆断脱情况统计

2.3 交变载荷影响分析 抽油杆受到的大小、方向随时间呈周期性变化的载荷称为交变载荷[1]。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，在运行一定时间后也会突然发生脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳破坏。统计分析采油三厂39口杆断井，其中交变载荷差值大于40kN的油井共计31井次，占杆断井总数的79.5%，说明交变载荷越大杆断风险越高。

图5

2.4 抽油杆使用年限分析 采油三厂目前暂未进行抽油杆分级管理，无法进行使用年限统计。但抽油杆断脱的39井次中，旧抽油杆断脱达30井次，占76.9%，说明旧抽油杆断脱风险大大高于新抽油杆。

2.5 腐蚀环境分析 塔河油田多为高含H2S油井，井下抽油杆腐蚀主要以H2S腐蚀为主。分析塔河油田H2S腐蚀后抽油杆断口特征可以看出，H2S引起的杆柱腐蚀主要有两种类型[2]，硫化物应力腐蚀和氢脆。以采油三厂为例，断裂井中H2S含量高于1000mg/m3的井占71.8%，平均为32660mg/m3，高含H2S井发生断裂的比例明显大于浓度低的井。所以，H2S腐蚀虽不是断裂的直接因素，但却是造成抽油杆断裂的促进因素。

综合分析，塔河油田抽油杆断脱原因主要有：①深抽井杆柱负荷大是杆柱断裂的主要因素，交变载荷高会大大加速杆柱断裂；②硫化氢对抽油杆的腐蚀是导致抽油杆断裂的促进因素；③旧抽油杆没有分批管理、定期检测，导致部分存在缺陷的旧抽油杆入井，是抽油杆频繁断裂的原因之一；④应操作不当，在抽油杆上扣和卸扣时形成的机械损伤或应力集中，也是造成抽油杆断裂的原因之一。

3 抽油杆断脱治理对策研究

3.1 合理选用抽油杆，提高强度等级 在无酸性的环境中，按工作应力选择抽油杆等级，对于深井要选用超高强度抽油杆（H级抽油杆）。超高强度级别抽油杆抗硫化物应力开裂性能一般，所以高含H2S油井应使用材料强度相对较低的抽油杆或专用抗腐蚀抽油杆。

如果腐蚀严重的超深井，则需要采用新型耐腐蚀抽油杆。一般采取以下三种作法：一是调整抽油杆用钢化学成分，如降低C含量和加入适当的耐蚀性元素如铝、铬等；二是热处理后保证抽油杆各部分组织均匀；三是保证抽油杆用钢的质量，防止表层脱碳、内部裂纹等缺陷。

3.2 实施防腐工艺，降低腐蚀影响 ①加注缓蚀剂。抽油杆腐蚀属于一种电化学反应[3]，一旦发生腐蚀后腐蚀速度会越来越快，抽油杆断脱概率成倍增加，而事实证明缓蚀剂能有效延缓腐蚀。因此，对工况恶劣的井应定期向井内加注缓蚀剂。②在抽油杆表面加保护层。抽油杆的表面加金属熔覆保护层，是提高抽油杆耐蚀耐磨性能的方法之一。当磨损严重时，单独使用自熔合金很难满足要求，加入一定比例碳化钨、碳化钛、碳化硅和碳化铬等碳化物的硬质相，可较大幅度的提升涂层的性能。

3.3 优化设计，调整工作制度 ①优化设计及工作参数。在合理预测地层产能的基础上，优化杆柱设计，适当降低使用系数。准确计算中和点位置，配套抽油机减载器、防脱器等工具，降低悬点载荷，改善抽油杆受力情况。同时根据油井情况合理的设置抽油机井工作参数，深抽时尽量采用小泵径、长冲程、慢冲次，降低载荷，减轻抽油杆震动和交变载荷影响，有效降低断脱率。②合理控制沉没度。沉没度过小，柱塞与液面易产生液击，最大最小载荷差增大，抽油杆螺旋扭矩大，容易造成抽油杆断脱；沉没度过大，浮力过大，也会造成下部杆承受拉压应力易断裂。因此，应合理控制油井沉没度（500-1000m），通过调整工作参数或间抽模式，保证抽油杆在合理应力范围内工作。

3.4 健全抽油杆管理制度 ①严格控制抽油杆出厂质量。为实现源头控制，必须严格进行抽油杆质检，控制抽油杆出厂质量，严禁不合格抽油杆进工区。②建立抽油杆检测及分级管理制度。引进抽油杆无损探伤技术[4]，加强对旧抽油杆和修复抽油杆的检测，保证入井抽油杆质量。同时建立抽油杆信息台账，对新旧杆分级分类储存，详细记录抽油杆使用年限、次数、井号和使用工况等，为后期合理选择抽油杆提供依据。③加强施工质量管理。在搬运和存放过程中做好防护，保证抽油杆不弯曲变形、不磕碰撞击，发生变形或损伤的抽油杆不入井。在修井过程中严格监督工程质量，保证上扣预紧力，最大限度的避免人为损伤。

4 结论及认识

①目前塔河油田抽油杆断脱的主要原因为泵挂深、载荷大、H2S腐蚀以及抽油杆施工过程中造成的机械损伤。②相对于新抽油杆，旧抽油杆断脱率大大高于新抽油杆，特别是在高含H2S井中，因此健全旧抽油杆管理制度。③根据油井状况优选抽油杆，优化杆柱组合及抽油机井工作参数，合理控制沉没度，可提高抽油杆使用寿命。④采用加注缓蚀剂及抽油杆表面镀保护层等防腐措施，能有效控制油井腐蚀造成的杆柱断脱。⑤严格控制抽油杆出厂、储存、搬运、修井等各个环节的质量，尽量消减一切人为影响因素。

[1]孙国锋等.抽油杆断裂原因及防治措施探讨[J].中国高新技术产业,2011,11.

[2]陈淑艳等.抽油杆的疲劳失效分析与控制[J].中国西部科技,2006（11）.

[3]李其.抽油杆表面裂纹及剩余寿命的可靠性研究[J].哈尔滨工程大学,2006（05）.

[4]李风海.抽油杆断脱机理分析及防断脱技术的应用[J].内蒙古科技与经济,2005,07（18）：94-95.