深井抽油杆防断综合治理试验及效果评价

2015-08-10王晓飞冯立勇曾波清王学宝

石油化工应用 2015年9期

王晓飞，冯立勇，韩涛，闫杰，曾波清，王学宝

（中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750006）

有杆泵采油是红井子作业区的主要采油方式之一，截止2014 年12 月本区有杆泵油井共计578 口，平均泵深2 057.13 m，沉没度215.8 m，液量5.0 m3，含水51.9 %，在用抽油杆为HL 和HY 两种级别，其杆柱组合基本都是Φ22 mm×Φ19 mm×Φ22 mm 三级组合而成。自2012 年以来，红井子作业区抽油杆断脱频繁，成为井筒治理的难题。 2012-2014 年统计资料显示，抽油杆断裂主要表现为抽油杆本体断裂、抽油杆丝扣处断裂和抽油杆接箍处断裂三种情况，且上部Φ22 mm 抽油杆断裂主要集中在井口下0 m～300 m。针对存在的问题开展抽油杆断综合治理，效果显著。

1 抽油杆断裂概况

自2011 年红井子作业区投入开发以来，本区抽油杆断频出，断脱部位在抽油杆本体、节箍。尤其是2013年，抽油杆断裂发生105 井次。

2010-2014 年油杆断裂井次与泵挂散点统计，自2010 年以来发生的326 井次杆断裂，其泵挂深度均在2 000 m～2 500 m。

长庆油田第三采油厂红井子2010-2014 年油杆断裂井的平均泵挂深度、冲次、含水都大于全厂及东线作业区的平均值，泵挂深度、冲次、含水是造成本区油杆疲劳断裂，腐蚀（偏磨）疲劳断裂的主要因素。

表1 基本生产数据对比表

表2 红井子作业区2010-2014 年油杆断裂钢级对比

红井子作业区2010-2014 年不同钢级油杆的断裂井次（见表2），发现发生断裂的油杆主要是HL 级油杆。

对红井子作业区2010-2014 年Φ22 mm 油杆断裂位置的统计，发现Φ22 mm 油杆断裂的主要位置是井口下0 m～300 m，占68.9 %。

综上所述，本区油杆使用存在主要问题是由于泵挂深度、冲次、含水造成油杆疲劳断裂，腐蚀疲劳、偏磨断裂，发生断裂的油杆主要是HL 级油杆，上部Φ22 mm抽油杆断裂主要集中在井口下0 m～300 m。

2 油杆断裂原因分析

抽油杆在抽油机运行过程中承受动载荷、摩擦载荷、柱塞以上液柱重力和自重等多种载荷，在交变载荷[1]的作用下做周期性的往复运动，易产生金属极限疲劳，并且由于井下条件的复杂性易造成抽油杆机械磨损、腐蚀损坏，从而造成断裂等故障[2]。

2.1 疲劳断裂

2.1.1 交变载荷下的疲劳断裂油井在交变载荷的作用下，抽油杆产生了非对称的循环应力，当应力循环中的最大应力值超过抽油杆柱许用的最大应力值时，经过一定的应力循环次数后，首先在应力最集中的地方（偏磨、腐蚀处、抽油杆丝扣处、应力槽处或抽油杆上的缺陷处）开始形成极细的裂纹，然后随着应力循环次数继续增加，裂纹逐渐扩展[3]。当裂纹扩展到使抽油杆不能承受的载荷时，抽油杆就会突然断裂。在裂纹扩展的过程中，由于应力的交替变化，使裂纹两边的表面时而张开，时而压紧，因而彼此磨擦和挤压，逐渐形成光滑区。当抽油杆突然断裂时，形成的断口为粗糙区（见图1）。

图1 油杆断裂截面图

红井子作业区2010-2014 年，抽油杆断裂326 井次，其中抽油杆本体断裂202 井次、节箍断裂36 井次、丝扣断裂88 井次。数据表明在抽油杆柱的上部、中部、下部都有断裂故障发生，而不是集中在拉应力最大的上部，所以本区油杆是在交变载荷下发生的疲劳油杆断面调查发现，抽油杆呈脆性断裂，而不是塑性变形，这也是疲劳断裂的特点，所以交变载荷是导致油杆疲劳断裂的原因之一。

2.1.2 拉伸频次下的疲劳断裂当油井下泵深度一定，冲程、泵径不变的情况下，随着冲次增加，悬点最大载荷不断增大，最小载荷不断减小，造成杆柱所受应力差不断加大，造成杆柱疲劳损坏。所以冲次过大也会造成油杆疲劳断裂。拟合曲线求得最大值2.0×107次，油杆断裂井次在拉伸频次达到2.0×107次时达到峰值，即2.0×107是油杆疲劳的临界值，本区平均冲次3.9 次，油杆在使用约1 年（ 11 个月18 天）后进入疲劳期。本区油井平均冲次3.9 次，致使油杆拉伸频率较频繁，所以拉伸频次也是导致油杆断裂的原因之一。

2.1.3 深井疲劳断裂油杆断裂位置与泵挂深度散点图（见图2），图2 表明随着泵挂深度的增加油杆断裂井次增加，且本区的油杆断裂主要集中在泵挂深度为2 000 m～2 500 m，所以深泵挂也是导致油杆疲劳断裂的原因之一。

图2 油杆断裂位置与泵挂深度散点图

对比断裂抽油杆生产年限发现，连续生产1 年以内的抽油杆断裂发生179 井次，占46.4 %；连续生产1年～2 年的抽油杆断裂发生23.8 %；连续生产2 年～3年的抽油杆断裂发生77 井次，占20 %。

2.2 腐蚀疲劳、偏磨断裂

2.2.1 腐蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断裂：零件在交变载荷和腐蚀介质的联合作用下发生的低应力断裂[4]。油杆在运动过程中，首先应力集中在腐蚀坑，形成腐蚀疲劳的裂纹源，之后在交变应力作用下，裂纹不断扩展，最终油杆断裂。

2.2.2 偏磨断裂井眼轨迹表现出不同程度的方向变化，油杆在井眼轨迹内运动时受力较复杂，同时容易在造斜点、最大倾角处和油管发生偏磨。

油杆偏磨主要表现为接箍磨薄、磨破甚至磨掉导致油杆断脱；油杆本体磨细断裂；油杆丝扣磨穿导致油杆断脱。根据对本区2010-2014 年油杆偏磨断裂的具体部位和原因的统计，发现偏磨导致的油杆断裂共计105 井次，占油杆断裂总井次的32.2 %。

3 红井子作业区深井防断综合治理及效果

针对红井子采油作业区断脱频次，从两方面进行了综合治理：

3.1 加强监督

（ 1）对每口断脱油井进行分析，核实断脱原因，分析主导因素，有针对性的开展治理；

（ 2）井下作业监督加强现场监督，确保每口井治理对策能够落实到位；

（ 3）对存在质量问题的抽油杆停用，防止带病入井。

3.2 技术政策调整

3.2.1 调整杆柱组合针对杆柱组合不合理的，进行优化。

（ 1）泵深≤1 500 m 时，按照φ22 mm 55%+φ22 mm 45 %；（ 2）1 500 m≤泵深≤1 800 m 时，φ22 mm 45 %+φ19 mm 40 %+φ22 mm 15 %；（ 3）1 800 m≤泵深≤2 000 m 时，φ22 mm 40 %+φ19 mm 48 %+φ22 mm 12 %；（ 4）泵深≥2 000 m 时，φ25 mm 10 %+φ22 mm 30 %+φ19 mm 50 %+φ12 mm 10 %。

累计优化调整组合123 井次。

3.2.2 更换质量存在问题的抽油杆针对HL 级抽油杆钢级差，频繁出现丝扣断的情况，对HL 级抽油杆进行更换。

（ 1）对泵深超过1 500 m 的油井，上部抽油杆全部更换HY 级抽油杆；（ 2）对于使用3 年以上的HL 级抽油杆全部更换HY 级抽油杆。

3.2.3 开展化学三防治理针对井筒环境复杂，腐蚀结垢严重的油井，开展化学三防专项治理，累计优化调整加药井102 口，新增加药井167 口。3.2.4 防磨治理

（ 1）针对偏磨严重的油井，增加扶正防磨措施，累计增加扶正器1 026 个；（ 2）使用新型防偏磨节箍，防止节箍偏磨造成的断脱，累计使用354 个。

3.2.5 开展降载治理

（ 1）对泵效低、产量低的油井及时进行参数优化，在提升泵效的同时，降低抽油机悬点复合，降低抽油杆符合；（ 2）地面参数优化后，降低油井循环次数，延长抽油杆使用寿命。