抽油杆断脱原因分析

张菁

[摘 要]随着采油作业的进行，抽油杆柱断脱事故频繁发生。断脱失效的影响因素主要包括机械偏磨、腐蚀破坏、疲劳破坏。

[关键词]抽油杆；断脱；磨损；腐蚀；疲劳

中图分类号：F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0304-01

[Abstract]As the oil recovery operation， sucker rod failures occur frequently broken off. Factors break off partial failure include mechanical wear， corrosion damage， fatigue damage.

[Key words]suck rod； break off； eccentric wear； corrosion； fatigue

在现场进行采油工作时抽油杆由于长期受力不均，被采出液中各种成分的长期腐蚀，加上杆柱与井筒间本身的偏磨，及其容易发生断脱失效。导致抽油杆柱断脱失效的原因是多方面的，下面主要从机械偏磨、腐蚀破坏、疲劳破坏三个方面进行剖析。

1. 机械偏磨引起断脱

在抽油杆工作过程中，抽油杆柱与油管壁相互碰撞引发偏磨，降低抽油杆的稳定强度，造成抽油杆磨损断裂，油管漏失，引发多种事故。实际油田生产中偏磨形象极为常见，对生产造成了很大的影响，是抽油杆柱失效的一个主导原因。

1.1 底部受压弯曲致使杆管偏磨

分析抽油杆柱工作时的受力情况及运动状态，上冲程和下冲程时差异较大，抽油机在运行过程中，抽油杆柱在交变载荷的作用下会产生弹性的弯曲变形，这种纵横弯曲和失稳变形都会造成抽油杆偏磨失效。

（1）上冲程时，液柱载荷由油管转移到抽油杆上，中和点以下的这一段油管因卸载而发生弹性收缩产生螺旋弯曲，造成抽油杆、油管相互接触摩擦，同时增加了抽油杆上行时对油管的横向压力，加剧杆管的偏磨损伤[1]。

（2）下冲程时，液柱载荷转移到油管上，抽油杆载荷突然减少，发生弹性收缩而产生弯曲形变。下行时抽油杆柱除了要承受在液柱中的重力，还将受到柱塞与泵筒间摩擦阻力及液流通过柱塞产生的阻力和井液对杆柱的浮力。因此抽油杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一既不受拉又不受压的中和点，中和点以下，容易发生弹性形变，引发杆、管相互接触摩擦形成偏磨。

抽油杆柱与井筒之间的相互接触摩擦所造成的偏磨影响因素也比较复杂，其中包括泵深、含水率、沉没度、冲次、管柱的原始压缩弯曲等。

1.2 井斜引起的机械磨损

斜井的条件下，抽油杆的综合拉力将产生了一个水平分力，在水平分力的作用下，往复运动的抽油杆就会与油管壁接触，产生摩擦。一般弯曲度越大，磨损越严重，不仅抽油杆接箍与油管内壁产生磨损，而且抽油杆的本身也会产生磨损。在斜井造斜点的附近，油管一定呈弯曲形态，且抽油泵一般安装在造斜点以下。因此，在造斜点处，抽油杆与油管必然发生接触摩擦。

1.3 采出液影响造成杆管偏磨加剧

含水升高造成井内液体密度增高，也就增加了抽油杆柱收到的浮力，降低了屈曲临界压力，因此抽油杆柱更容易弯曲，也就增加了偏磨的可能性。当杆与管相接触发生滑动摩擦，水的摩擦系数远远大于油的摩擦系数，因此采出液的含水率越高，则偏磨越严重。产出液混合均匀状态下，含水率高于74.02%时产出液将由油相变为水相，润滑剂由原油变化为水，失去了原本的润滑效果，摩擦力增大，偏磨速度加快。

另外，含水率升高后会加重抽油杆柱的腐蚀，采出液中的腐蚀成分与表面金属会发生化学反应。腐蚀与偏磨并不是简单的叠加，相互作用，破坏性更强。

1.4 油井参数对偏磨的影响

油井的各个生产参数如冲程、冲次、沉没度以及泵径等都会对偏磨造成一定的影响。在实际生产时，抽油杆下行会受到井液的阻力、与杆管以及柱塞与泵筒之间的摩擦阻力作用。如油井冲次过快，会导致抽油杆下行速度滞后于驴头的运动速度，驴头再对抽油杆产生压力，使中和点以下的杆几乎全部处于受压屈曲变形状态，弯曲变形的抽油杆又会与油管发生接触，又进一步加剧了偏磨的严重性。

1.5 井口回压对偏磨的影响

油井的井口回压会增加抽油杆工作时的悬点载荷，增加井口回压时相当于增加了抽油杆的重力，使上冲程悬点载荷增加，而下冲程降低。井口回压过高，悬点载荷增大，同样也可造能成泵的漏失，在井偏角的作用下，会导致抽油杆与油管偏磨加剧。因此在实际生产中，应使回压调节至适中，以减缓偏磨损坏。

1.6 油井结蜡对偏磨的影响

抽油杆或油管结蜡会造成堵塞，减小二者之间的缝隙，油管内径与抽油杆外径比值减小，于是结蜡点处的液体摩擦力大于其它部位受到的摩擦力，液体通过游动阀时的阻力增大，导致该部位的抽油杆柱易产生弯曲形变，从而发生偏磨。

2 腐蚀破坏引起断脱

在采油作业中，油井大部分为中高含水井，下部抽油杆长期侵在水中，处于H2S、 CO2、 溶解氧及其他导电性钻井液的极易被腐蚀的环境中，且抽油杆受到流体流动和磨粒磨损的作用，腐蚀加剧并极易产生腐蚀疲劳、冲刷腐蚀等。

2.1 二氧化碳的影响

地层水中含有大量的CO2，当水中有游离的CO2存在时，溶于水中形成碳酸使水呈酸性。由于弱酸只有一部分电离，所以随着电化学反应的进行，溶液中的氢离子会被逐渐消耗，之后弱酸继续电离来保持电荷平衡。钢材受游离二氧化碳腐蚀生成的产物都是易溶的，溶解在井液中而不能在金属表面形成致密保护膜，于是反应会持续进行。

2.2 硫化氢的影响

含硫油气田的中常常含有H2S，硫化氢气体溶于水形成氢硫酸具有一定的腐蚀性。H2S对金属材料的腐蚀主要包括两种类型：一是电化学腐蚀，即H2S溶液与抽油杆表面钢材发生原电池的电化学反应，正极产生的氢气渗入钢材内部，使材料韧性变差，产生微裂缝，从而导致钢材变脆，即大家常说的氢脆。二是硫化物的应力腐蚀，所谓的应力即指残余应力和拉应力，在两者共同作用下，由氢脆产生的细小裂纹不断扩散，致使钢材最终破裂，断脱危险产生。

2.3 溶解氧的影响

氧气在水中有一定的溶解度，溶于水的O2可以加快金属被腐蚀的速率。溶液中极限扩散电流的密度会随着溶解氧的浓度增大而提高，同时离子化反应的速度也会随之会加快，直接导致氧去极化腐蚀的速度会提高。因此，溶解氧的浓度大小对金属的腐蚀速率有着不可忽略的影响[2]。

3 疲劳破坏引起断脱

疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力的作用下，逐渐发生变化和损伤积累、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，并不是立即发生的，都是经过长时间的累积而引发的。

3.1 抽油杆工作条件引起疲劳破坏

在工作过程中，抽油杆承受着不对称循环载荷的作用，且杆柱的载荷随深度变化而变化，中和点以上主要承受的是下部杆自重产生的拉力，在中和点以下的抽油杆柱承受上段的向上的拉力及下部的上顶力。所以受力由拉应力变成压应力，同时可能发生弯曲变形，增大了扭力及摩擦力，使得下部抽油杆工作条件变得更为恶劣。

3.2 负荷变化引起疲劳破坏

光杆在实际工作中，上、下冲程时的负载是有一定差异的。抽油杆所承受的

载荷变化与光杆的冲程与抽油机悬点负荷密切相关。由于载荷的转移，在上冲程开始时，杆柱的载荷会突然变化，并且冲次越高负荷越大，突变越强。当受到的突变载荷超过了疲劳极限之后抽油杆会产生微小形变，长期反复拉伸或压缩将产生裂纹，裂纹逐渐扩散应力疲劳破坏越来越强。

参考文献

[1] 刘春花.抽油杆偏磨机理及防偏磨对策研究[D]：（硕士学位论文）.东营：中国石油大学（华东），2009.

[2] 李向东.抽油杆断脱原因及防治措施[J].今日科苑，2010（6）：63.