抽油杆柱故障原因分析及防治对策

李秉路 甘琦 刘安兵 刘杰 潘兵涛(长庆油田公司第一采油厂，陕西 延安 716000)

1 抽油杆断脱现状

通过对侯市区多年杆柱故障井次统计，前期所占比例逐年上升，经过2005-2011年的综合治理，大范围的更换有问题的油杆，尤其是偏磨的油杆都换为铸塑抽油杆。近两年杆柱故障比例逐年下降，占全部小修井次总和的12%以下。2011年油井小修451井次，其中杆柱故障46次，占小修井次的10.2%，而抽油杆断脱井31口，占杆柱故障井的67.3%，光杆断脱井2口，占杆柱故障井4.3%。由于油井井筒的生产环境十分恶劣，使抽油杆使用寿命大幅度缩短，严重制约有杆采油技术的发展。因此想要延长油井免修期就必须解决抽油杆断脱问题。

2 抽油杆断脱原因分析

通过对抽油杆断脱数据的分类统计，分析认为影响抽油杆正常工作的主要因素:（1）抽油杆疲劳；（2）偏磨；（3）介质的影响。实际上常常是由于两种或多种因素的并存造成了抽油杆的损坏。

2.1 抽油杆疲劳引起断脱

抽油杆工作中浸入各种介质，承受多种载荷，有抽油杆自量、液柱重量、和液柱的惯性载荷、工作中还会有摩擦阻力、杆柱振动载荷和冲击载荷。所以抽油杆在工作中承受着各种不对称的变动载荷。

在各种载荷作用下，抽油杆会发生疲劳，虽然抽油杆承受的最大疲劳应力小于材料的强度承受力，但是长年累月重复作用，在抽油杆的个别部位，当达到临界点时，将会产生裂纹，最终导致断裂。

2.1.1 “木桶效应”

由于抽油杆使用不会细致划分年限和级别，导致其机械性能差异大，断裂以后只更换断裂抽油杆，导致“木桶效应”，很多抽油杆实际使用寿命已超过疲劳循环基数。

从单井分析，发生多次断脱的油井抽油杆断脱位置基本上都在同一类型的抽油杆上，以Ф16mm油杆发生断脱居多。这说明同一口油井中，总是同一批抽油杆发生断脱，即同一使用年限的抽油杆达到了使用年限，即使其它型号的抽油杆还可以用，由于“木桶效应”导致了全井失效，缩短了检泵周期。

2.1.2 疲劳载荷

抽油杆的疲劳寿命取决于最大应力和应力幅度，最大应力和应力幅度越大，疲劳寿命越短。事实证明，抽油杆纵向弯曲主要发生在抽油杆柱的下部。主要是因为采用的是由粗到细的杆柱组合，下部抽油杆抗弯刚度较小；其次是在下冲程时，井筒内的摩擦阻力过大，抽油杆下部所受压载过大。

从统计情况来看，抽油杆的断脱位置主要集中在Ф19mm和Ф16mm抽油杆柱的中下部，主要原因是油井达到一定的井深，泵深较大，杆柱中Ф16mm抽油杆比例偏大，其重量、刚度和强度不能克服活塞下行的阻力，杆柱承受的拉应力大，疲劳破坏严重，油井断脱率高。

2.2 偏磨的影响

2.2.1 井斜对管杆偏磨的影响

由于采用丛式井组开发，井身结构并不是一条直线，大井斜角是偏磨的主要原因。在钻井过程中，钻头与井口的同心度变化较大。从井斜示意图可以看出，钻井轨迹是一条无规则的曲线。

井口与井底偏移较大，受钻井过程中的纠斜、防斜等措施的影响，往往会产生“狗腿度”，当弯曲度过小时，油管内壁和抽油杆接箍产生摩擦，油管偏磨面积较大，上、下冲程中是单面摩擦。

侯市长10层油井井身剖面设计均为直—增或直—增—稳，从完钻井的井深剖面分析来看，大部分剖面为直－增－降类型。统计82口井，其中直—增或直—增—稳为30口井，直－增－降为52口井。最大井斜角绝大多数小于30度，直－增－降类型一般进入油层200-300m前开始降斜，进入油层段井斜角均小于10度，井身剖面呈一“S”型，而这种井身剖面使管杆容易产生偏磨。

当“狗腿”度较大时，抽油杆的中性点以下为两面受摩擦，上冲程时，抽油杆与油管内壁的一面产生摩擦，下冲程时，由于管杆内各种摩擦阻力和重力作用，抽油杆发生弯曲，从而另一面受到摩擦。在实际生产中，若防磨措施不完善不合理，则导致抽油杆发生断裂。

2.2.2 供液不足的影响

当油井抽汲排量不匹配时，整个井筒在往复运动过程中产生“液击”。在液击期间产生的大量动载荷对井下杆柱产生导致杆断的纵向弯曲；增加了油杆与油管的偏磨，同时发生干磨，最终发生断裂。

2.3 介质的影响

2.3.1 砂蜡的影响

侯市区原油蜡质含量超过10%，结蜡较为严重，抽油杆上附着着大量蜡质，液流的流动空间减少，抽油杆的载荷增加，在生产过程中由于增载变大，抽油杆承受的各种应力增大，使抽油杆在外力的影响下发生断裂。

2.3.2 含水率上升的影响

（1）含水率上升使摩擦力变大

含水越高，井液密度越大，摩擦力越大，偏磨越严重。同时如果井液含水较低，呈现油包水，那么就会在杆管之间形成很好的润滑，磨损就会减弱。侯市区随着开发时间的延长，含水率逐渐增大，杆柱断裂现象逐年增加

（2）含水率上升使抽油杆腐蚀严重

侯市区从1992年开发至今，油井含水逐步上升，并且部分井是污水回注井，从而使抽油杆所处的环境越来越复杂。2013年因套管腐蚀隔采井共计25口。

侯市区开采层位主要是长6层，油井产出水的矿化度较高，尤其是Cl-多，水中溶解了O2、CO2、H2S等气体后，水的腐蚀性大大增强。使得碳钢的腐蚀速率大幅度提高，井液呈弱酸性，抽油杆长期在腐蚀介质作用下，金属表面不能形成起保护作用的钝化膜，反而形成闭塞电池，抽油杆表面腐蚀点逐渐增多。在各种作用力下，腐蚀点处形成腐蚀裂纹，从而使杆径不均匀、材料强度降低，达到临界点发生断裂。

3 防治对策

抽油杆是机械采油的基础物料，其断裂是各种因素导致的最终现象。如疲劳、偏磨、介质影响等等，必须结合综合因素对症下药。

3.1 加强科学管理

3.1.1 分类管理，保证下井的杆柱质量

由于现场应用中，无法对井筒内抽油杆进行新老区分，也无法做到断一根抽油杆全井更换新抽油杆，所以抽油杆科学、合理分类管理尤为重要。

3.1.2 检泵过程中抽油杆次序颠倒

在检泵过程中往往是起出抽油杆位置和下入抽油杆位置一直，导致抽油杆一直受同样的作用力，最终导致断裂。建议在以后作业过程中，同一级别抽油杆下入次序进行颠倒，降低抽油杆的疲劳系数，从而延长抽油杆的使用寿命。

3.2 防偏磨治理对策

3.2.1 严把钻井完井质量关

井径不规则，将直接影响油井的生产；固井质量不合格可能造成窜槽，水泥返高太深，上部套管失去了水泥环保护，造成套管损坏产生漏失，含水上升，使偏磨加剧。对于低渗油藏由于动液面较深，应尽量使造斜点下移。

3.2.2 扶正防磨措施

侯市采用的扶正防磨措施有扶正器，铸塑杆，双向保护接箍。（1）扶正器

应用防偏磨扶正器是降低抽油杆摩擦阻力，延长抽油杆使用寿命的有效手段，根据井斜加装防偏磨扶正器能够较大减缓偏磨，从而减少抽油杆断裂频次。

（2）铸塑抽油杆

铸塑抽油杆是在三扶四限抽油杆的基础上把扶正块固定在固定的位置上，以增强其刮蜡和扶正作用，减少因扶正块活动而造成的脱落、卡泵事故。

（3）双向保护接箍

采用双向保护接箍既能保护接箍防止接箍的偏磨腐蚀，又能减少接箍表面对油管内壁的磨损。侯市区重点开展防偏磨工艺优化，将泵深优化至距油层中深350米以上，减少杆柱载荷；在造斜点部位和全角变化率较大的部位使用双向保护接箍；优化后油井偏磨导致的杆柱故障几率明显下降。

3.2.3 杆柱组合优化

正确设计抽油杆柱是保证抽油杆正常工作的前提。如果抽油杆柱的抗疲劳强度不够，就可能发生抽油杆断脱事故；

（1）避免油管弯曲

加长尾管仅能减轻管柱弹性弯曲，这在该区新投的油井应用较广。侯市老区块总体上尾管数都在2-3根，而在长10油藏新投井，尾管数基本上都是6-8根，占到新投产井数的80.22%。

（2）避免抽油杆弯曲

在油井投产设计时，抽油杆下部可使用15%的φ22mm加重杆，使中和点下移，减少抽油杆偏磨。近年来杆柱优化工作主要是将一级组合Ф19mm普通钢或Ф19mm+Ф16mm组合调整为Ф22mm+Ф19mm+Ф16mm或Ф22mm+Ф19mm，同时减少Ф16mm抽油杆的用量。侯市区在2008年-2013年优化杆柱175800m，效果良好。

3.2.4 地面参数优化

侯市区地层供液能力普遍较差，目前侯市有14.1%的油井长期处于供液不足的生产状况，为实现合理发挥油井生产潜力的同时，有效降低杆断频率，侯市区近年来不断加大油井地面参数的调整力度。

侯市区到目前为止共安装低转速电机249台，满足抽油机可将冲次调到最小，以减少“液击”造成的抽油杆损坏，降低了断杆频率。

针对产液能力低，抽汲参数偏大井，在保持产液量不变的情况下，由短冲程、高冲次，改为长冲程、低冲次，增加偏磨面积，减少偏磨次数。

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