腐蚀油井抽油杆杆柱组配方法研究

孙喆

摘 要：目前采油厂杆断躺井居高不下（42井次/月），成为制约躺井的最主要因素。本文对现场影响最严重的抽油杆腐蚀疲劳断裂进行了分析，发现目前杆柱设计、校核方法在腐蚀油井已经明显不适应，为此提出了新的设计、校核办法，并在现场试验应用了25口井，效果良好。

关键词：抽油杆杆柱组配；抽油杆腐蚀疲劳；断裂韧度；抽油杆杆柱等寿命匹配原则

一、目前杆柱设计方法评价

（1）古德曼校核方法的原理

古德曼假设：1）、用A3C古德曼直线代替A3dC材料实际疲劳极限曲线；2）、对称循环疲劳极限等于材料抗拉强度的三分之一（抗拉强度取下限）；3）、假设抽油杆是无缺陷。

基于上面的三条假设，古德曼校核图版是一个偏于安全的疲劳评价办法，更多的是抽油杆杆柱设计的一个必要条件，而非一个充分条件。

抽油杆校核公式：

a、最大许用负荷据改进的古德曼应力图公式：

PA=（a·T·F+b·Pmin）· SF，（N）

SF—使用系数（宁海、胜坨油田油层矿化水为盐水，D级杆和高强度El级杆为O.9，C级杆为0.65）

b、抽油杆应力范围百分数：

w=（Pmax-Pmin）/（PA-Pmin）X100%≤100%

只要满足应力范围<100%，即认为抽油杆杆柱是可靠地，可以循环107。但这是一种理想环境下的校核，实际生产中抽油杆会因为各种原因存在缺陷，而且在复杂的腐蚀工况下抽油杆寿命也明显偏短。

（2）胜利采油厂抽油杆失效的特点

1）抽油杆失效与应力大小存在明显关系，应力范围大于60%后，杆断失效概率明显增加。

2）腐蚀工况下，低应力断裂问题

2012年抽油杆大调查：全部358口井中，有腐蚀描述的共211口井，占58.9%，大调查的数据证明，胜利采油厂抽油杆腐蚀现象普遍存在。而腐蚀断裂，主要变现为一种低应力断裂。

以ST3-5-144油井为例。抽油杆组合：25mm*1178.94m，机型：R16-7.3-37HF（900），理论最大负荷：88.1KN，理论最小负荷：43.62KN，理论应力范围：64.47%，最大负荷差：7KN，最小负荷差：-11.4KN，实际应力范围：64.46%。

该井抽油杆为2013年大修杆，使用319天后断裂，形貌为典型的腐蚀疲劳断裂。

该井67根本体上部断裂，断裂处的最大负荷=44.527+24.46=68.987KN；名义应力σ =136.23MPa；D级杆抗的拉强度793MPa；断裂处应力为抗拉强度的17%；

D级杆的疲劳强度264MPa；断裂处应力为疲劳强度的51.5%；失效时的循环次数9X105。

失效表现为：1、远低于设计寿命；2、低应力失效；3、应力集中处断（腐蚀坑）。

（3）传统疲劳设计的不适应性

第二次世界大战时，美国近五千艘全焊接自由轮，发生过一千多起脆性破坏事故。其中238艘完全报废。当时大量研究工作都以传统的力学性能指标为依据，采用了足够大的安全系数，但依然不能解决问题。

这些事故和采油厂抽油杆失效存在共同的特点：1）、设计时采用了较大的安全系数，依然脆断严重；2）、脆断处宏观应力小于材料的屈服强度；3）、脆断从应力集中处开始，特别是缺口和裂纹；4）、厚截面、高变形速度，易引起脆断。

二、腐蚀油井抽油杆设计、校核办法研究

（1）断裂力学基本观点

观点一：抗裂纹发育的能力是由材料本身决定的。断裂韧度是材料的一种崭新力学性能，它反映了材料抵抗裂纹开裂扩展的能力，是由材料本身决定的。

观点二：裂纹扩展是由于缺陷引起的，且存在门槛值。当裂纹尖端应力强度大于ΔKth时，裂纹开始发育。相同应力下，材料的ΔKth的大小决定了允许存在腐蚀坑的大小。

观点三：抽油杆的寿命主要受腐蚀坑产生的时间影响。当裂纹尖端应力强度大于ΔKth时，裂纹开始发育，一旦裂纹发育，裂纹发育速率是原先的100倍以上。

裂纹扩展时间一般在几个月，因此抽油杆的寿命主要取决于腐蚀坑产生的时间。

（2）腐蚀油井杆柱校核及组配办法研究

描述裂纹尖端应力场强弱的力学参数量称为应力强度因子K1。

σ：名义应力

Y1：正则系数，无量纲

a：裂纹尺寸

当裂纹增加到一定尺寸或名义应力达到一定水平时，裂纹就会起裂并失稳扩展。

裂纹起裂扩展时的K1值完全由材料性质决定的常数，记为K1c，即：断裂韧度。

根据该理论：正常油井生产时，必须满足K1当材料一定时，K1c的大小是确定不变的。1）、应力越大，允许存在腐蚀坑就越小；2）、腐蚀坑越大，允许存在的应力就越小。

抽油杆杆柱上、下部分，腐蚀工况的不同造成上、下部分寿命的不同。

以ST2-4C310油井为例。

该井下行阻力25.2KN，上部和下部最大负荷相差58.11KN。最上端应力144.7MPa，最下端应力39.2MPa。

a上/a下=39.22/144.72=1/13.6。

即下端腐蚀速率是上端的13.6倍时，上、下端寿命相等。实际情况，下端腐蚀速率远远高于上端腐蚀速率。

由22mm加粗到25mm后，应力降低，允许腐蚀坑增大1.7倍，寿命增加570天。因此，为实现上下寿命匹配，腐蚀油井下部抽油杆应该加大尺寸。

三、抽油杆降应力试验情况

（1）降低抽油杆使用应力

由25mm增大到28mm后抽油杆应力范围降低20%左右。通过增大抽油杆直径可以有效降低应力范围。

（2）提高抽油杆抗腐蚀能力

KH级抽油杆性能：KH级抽油杆的技术指标，即：在力学性能上要满足H级抽油杆的要求，在耐腐蝕性上满足K级抽油杆的水平要求。针对胜利采油厂井况，选择了KH高强度防腐杆进行试验。KH高强度防腐杆主要是调高了Ni的含量到1.65-2.0%，有效提高其抗腐蚀性能。

（3）降应力试验效果评价

目前，KH杆在井应用25口，以大泵应用为主。目前最长在井292天，效果继续观察中。

以ST2-6-295为例。自2010-9-6改83泵以来，已经杆断14井次，平均杆断周期101天。改用28mm杆后，应力范围明显下降，目前有效期达到230天。