A区块抽油杆断脱原因分析及预防措施

2022-09-11

引言

造成抽油机井作业的原因很多, 根据A区块近几年的作业资料可以得到, 抽油杆断脱是造成油井作业的主要原因之一, 平均占作业井总数的40%左右, 控制抽油杆断脱意义十分重大。

要采取有效地措施, 降低抽油杆断脱发生的机率, 必须找到影响抽油杆断脱的原因, 下面将分析抽油杆断脱的原因。

一、抽油杆断脱的原因

影响抽油杆使用寿命的因素很多, 在生产实际中可能因一个原因就导致抽油杆的断脱, 但绝大多数的断脱是在多个因素共同作用, 且各个因素相互渗透、相互促进的情况下发生的。

1. 管杆偏磨造成抽油杆的机械磨损

管杆偏磨是油井生产过程中不可避免的, 它不仅发生在斜井和定向井中, 同时在直井也存在。

(1) 井眼轨迹弯曲造成管杆偏磨

由于地层条件和钻井工艺等因素的制约, 油井井眼轨迹存在一定的井斜角和方位角, 且多向变化。井眼轨迹是一条方向复杂多变的三维空间管道, 由于抽油杆具有一定的刚性和弹性, 抽油杆在弯曲的空间管道中做上下往复运动, 必然会造成抽油杆的弯曲, 与油管产生多个接触点, 发生摩擦, 导致机械磨损。

(2) 直井中抽油杆弯曲变形造成偏磨

直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程过程中, 固定凡尔关闭, 游动凡尔打开。抽油杆柱承受在液柱中的重力, 方向向下;杆柱与液体之间的向上的摩擦力;液体通过排除阀的液流阻力所产生的向上的反作用力;下行时特别是在活塞游动凡尔打开的瞬间, 受到泵内液体及泵筒内壁对活塞的向上的阻力;前半个冲程, 加速度方向向下, 存在向下的惯性力, 后半个冲程, 加速度方向向上, 存在向上的惯性力。在以上力的作用下, 整个杆柱上部受拉, 下部受压, 拉压之间必然存在一个既不受拉也不受压的中性点。根据工程力学的压杆失稳原理, 在中性点附近, 抽油杆出现失稳, 产生弯曲, 弯曲到一定程度可使抽油杆与油管内壁发生接触, 造成偏磨。这种偏磨通常发生在靠近泵端的位置, 泵上200m以内出现的可能性最大。

2. 交变载荷引起抽油杆的疲劳破坏

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累积、开裂, 当裂纹达到一定程度后发生突然断裂的过程;是一个从局部区域开始的损伤累积, 最终引起整体破坏的过程。疲劳裂纹的萌生、扩展都是多次应力循环损伤积累的结果[1]。

抽油杆的工作环境较为特殊, 其受力也比较复杂。在、上下冲程过程中, 抽油杆的受力各不相同。

抽油杆的轴向拉力, 随抽油杆的位置不同而不同, 上部的抽油杆受力比较大, 下部的抽油杆受力比较小。一般情况下, 抽油杆除受在液体中的重力、活塞以上液柱载荷及惯性力外, 还受由于抽油杆的弹性而引起的振动力、由于液体和活塞运动不一致或泵未充满等各种因素引起的冲击载荷以及柱塞与泵筒, 抽油杆与油管, 抽油杆与液柱之间的摩擦力的作用。而且上下冲程抽油杆的受力大小差异大, 上冲程中抽油杆受力大, 下冲程中抽油杆的受力小。因此, 抽油杆是在交变载荷的作用下做周期性的往复运动【2】。

抽油机正常工作时, 抽油杆某一处所受的应力为:

p——抽油杆所受的合力fr——抽油杆柱的截面积

从式 (1) 中得知, 应力与抽油杆的截面积成反比, 杆径越小, 所受应力越大。由于抽油杆接箍除螺纹杆径变化大, 在该处存在应力集中;同时, 在抽油杆管偏磨严重处, 因机械磨损导致杆径发生变化, 也会出现应力集中。在悬点最大载荷和最小载荷的作用下, 抽油杆会产生不对称的循环应力, 经过一定的循环次数后, 循环应力中的最大值就可能超过抽油杆柱的极限应力, 在应力集中的地方开始形成裂纹, 裂纹逐渐扩展, 最终导致抽油杆的断脱。