楊小輝，甄建偉，陳 燦，施 碩，于國龍

（中國石化西北油田分公司 采油三廠，新疆 輪臺(tái)841600）①

截止2011年底，塔河油田采油三廠共有有桿泵油井187口，平均泵掛深度2 669m，液面1 380m。其抽油桿柱一般以19mm×22mm×25mm三級HL級鐓鍛抽油桿組合而成。2011年，抽油桿斷裂共計(jì)14井次，比2010年增加9井次，作業(yè)費(fèi)用約￥260萬元，造成產(chǎn)量損失近1 476t，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有必要對抽油桿柱的斷裂原因進(jìn)行分析，并有針對性地采取一些防治措施。

1 抽油桿斷裂特點(diǎn)

從宏觀上看，抽油桿的斷口整體都較平整，無偏磨、彎曲、縮徑等現(xiàn)象，表現(xiàn)為典型的疲勞斷裂特征。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面光滑、平齊，其外緣中點(diǎn)可見明顯的機(jī)械損傷或腐蝕痕跡，即疲勞裂紋源區(qū)；瞬斷區(qū)斷面粗糙并伴有剪切唇和斜斷面。其斷裂位置主要位于抽油桿接頭的圓弧過渡區(qū)及其附近部位。

2 斷裂原因分析

2.1 抽油桿材質(zhì)

根據(jù)SY／T5029—2006《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)，對部分?jǐn)鄺U取樣，對其化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度及金相顯微組織5項(xiàng)理化性能指標(biāo)進(jìn)行檢測或試驗(yàn)，結(jié)果表明：送檢抽油桿材料為35CrMo，桿體材料組織為均勻的回火索氏體，硬度、拉伸性能及沖擊性能也均滿足該標(biāo)準(zhǔn)對HL級抽油桿的要求。因此，抽油桿斷裂與抽油桿質(zhì)量無關(guān)。

2.2 斷口顯微特征

1） 腐蝕疲勞斷裂 腐蝕疲勞斷裂是零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下發(fā)生的低應(yīng)力斷裂［1］。腐蝕形成腐蝕坑后，抽油桿在工作過程中，首先在腐蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成腐蝕疲勞裂紋源，隨后在交變應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致抽油桿的有效斷面減少，最終斷裂。塔河油田油藏H2S含量高（斷桿井平均 H2S含量13 041mg／m3）、地層水總礦化度 （17.5～26.3）×104mg／L，為 CaCI2水型，抽油桿因此易被腐蝕形成應(yīng)力薄弱點(diǎn)。通過對斷口進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)一些斷桿斷口處的疲勞裂紋源區(qū)具有硫化物所特有的珊瑚狀腐蝕產(chǎn)物（如圖1）且斷口附近具有明顯腐蝕痕跡（如圖2）。結(jié)合斷桿斷裂特點(diǎn)分析，腐蝕疲勞斷裂是抽油桿頻繁斷裂的重要原因。

圖1 腐蝕產(chǎn)物電鏡掃描結(jié)果

圖2 斷口附近腐蝕坑

2） 機(jī)械損傷引發(fā)疲勞斷裂 抽油桿在運(yùn)輸及使用過程中，受人為或其他因素影響，很容易在表面形成凹坑或刻痕等機(jī)械損傷。抽油桿服役時(shí)，會(huì)因此而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋源，最終造成抽油桿疲勞失效（如圖3）。另外，這些缺陷處于腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，會(huì)加快對抽油桿的腐蝕破壞，從而引起早期失效［2］。

圖3 斷口處的機(jī)械損傷痕跡及斷面疲勞輝紋

3） 預(yù)緊力不足導(dǎo)致疲勞斷裂 雖然鐓鍛抽油桿螺紋接頭與桿體一同進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，但組織、晶粒度和性能并不完全相同。外螺紋和卸荷槽與抽油桿其他部位相比組織明顯粗大，抗拉強(qiáng)度最低，是抽油桿的薄弱點(diǎn)［3］。由抽油桿接頭的受力分析可知，只要卸荷槽根部臺(tái)肩面與接箍端面間的擠壓力大于抽油桿承受的載荷時(shí)，即上扣扭矩達(dá)到要求，保持足夠的預(yù)緊力，抽油桿就不會(huì)受到交變應(yīng)力的影響，引發(fā)抽油桿過早失效。對TP3井卸荷槽斷口進(jìn)行放大觀察，其根部的臺(tái)肩面完整，生產(chǎn)加工過程中留下的環(huán)狀紋路清晰可見，臺(tái)肩面上未見與接箍接觸痕跡（如圖4）。因此，結(jié)合斷口形貌分析，該井抽油桿卸荷槽斷裂原因?yàn)樽鳂I(yè)時(shí)上扣不到位導(dǎo)致預(yù)緊力不足，形成疲勞斷裂。

圖4 抽油桿臺(tái)肩面形貌

2.3 斷點(diǎn)位置

從單根抽油桿看，抽油桿在距推承臺(tái)肩面0～300mm范圍內(nèi)發(fā)生斷裂比例最高，共斷裂10井次（表1），占總斷桿井?dāng)?shù)比例71.4%。該范圍為鐓鍛抽油桿的圓弧過渡區(qū)及熱影響區(qū)。抽油桿在此區(qū)域失效原因除腐蝕、機(jī)械損傷外，抽油桿熱影響區(qū)在鍛造過程中產(chǎn)生縱向高的殘余拉應(yīng)力和金相組織粗大，使其疲勞強(qiáng)度比桿體降低為另一重要原因。另外，抽油桿圓弧過渡區(qū)受軸向曲率影響，工作中承受的應(yīng)力會(huì)超過設(shè)計(jì)值，容易引發(fā)抽油桿疲勞失效［4］。

從整體看，抽油桿斷裂主要發(fā)生在抽油桿柱中下部，斷點(diǎn)深度超過1 335m（平均泵掛深度的一半）的井?dāng)?shù)達(dá)9井次（如表1），占斷桿總井?dāng)?shù)比例64.3%。由于塔河油田采油三廠泵掛深，桿柱組合一般按桿柱最輕方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，抽油桿長徑比很大。下沖程過程中，當(dāng)抽油泵柱塞所受阻力大于桿柱彎曲臨界值時(shí)，下部桿柱將發(fā)生彎曲變形，在彎曲處產(chǎn)生附加應(yīng)力。這一附加應(yīng)力使下部抽油桿的工作可靠性大幅下降，易斷裂失效。

2.4 斷面應(yīng)力

根據(jù)相關(guān)公式［5］對斷面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算（如表1），14口桿斷井?dāng)帱c(diǎn)最大應(yīng)力σmax均未超過修正古德曼最大許用應(yīng)力［σmax］，但抽油桿在應(yīng)力范圍比σmax／［σmax］＞80%的情況下發(fā)生斷裂的比例較高，共計(jì)8井次，占斷桿總井?dāng)?shù)比例57.1%。綜合14口斷桿井平均泵掛2 732m，液面2 146m，沉沒度僅586m分析，油井供液不足導(dǎo)致抽油桿應(yīng)力范圍比高不是抽油桿頻繁斷裂的誘發(fā)因素，卻是造成抽油桿頻繁斷裂的促進(jìn)因素。

表1 斷桿井有關(guān)參數(shù)

續(xù)表1

2.5 抽油桿服役時(shí)間

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY／T5029—2006，HL型抽油桿應(yīng)力疲勞極限的最少周次為106次，按目前常用的14型游梁式抽油機(jī)最小沖次3min－1計(jì)算，只需經(jīng)過大約232d就能達(dá)到上述周次。所有斷裂抽油桿本階段服役時(shí)間21～460d不等，因抽油桿缺乏規(guī)范管理，累計(jì)服役時(shí)間不詳。因此，部分抽油桿可能存在因服役時(shí)間過長形成早期缺陷，最終導(dǎo)致疲勞斷裂的可能性。

3 抽油桿斷裂防治對策

3.1 推廣長沖程抽油機(jī)

目前，塔河油田采油三廠的長沖程抽油機(jī)最大沖程可達(dá)7.3m，沖次在0.5～3.0min－1無級可調(diào)。應(yīng)用長沖程抽油機(jī)的15口機(jī)抽井，泵掛均超過3 500m，但無一井發(fā)生抽油桿斷裂，其中連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間超過300d的達(dá)6井次，占總井?dāng)?shù)比例40%，最長生產(chǎn)時(shí)間已達(dá)661d。

3.2 優(yōu)化桿柱設(shè)計(jì)

抽油桿最大許用應(yīng)力與腐蝕系數(shù)密切相關(guān)，考慮塔河油田介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，進(jìn)行桿柱設(shè)計(jì)時(shí)腐蝕系數(shù)由以往的0.9改為0.8，提高桿柱的耐受性。同時(shí)，在抽油桿底部增加加重桿，增加抽油桿柱底部的抗彎曲性能。

3.3 嚴(yán)格控制應(yīng)力范圍比

將應(yīng)力范圍比控制在80%以下，可有效防止抽油桿疲勞斷裂，具體做法有3種：

1） 建立每口井的功圖液面臺(tái)賬，利用修正古德曼圖方法監(jiān)測抽油桿應(yīng)力范圍比，及時(shí)優(yōu)化工作制度。

2） 對稠油井或原油乳化井及時(shí)優(yōu)化摻稀量或加藥量。

3） 對回壓高井進(jìn)行后流程摻稀、加藥或在流程管線上增設(shè)增壓裝置。

3.4 加強(qiáng)施工隊(duì)伍管理和作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督

提高施工隊(duì)伍責(zé)任心，加強(qiáng)修井作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)督檢查，嚴(yán)禁不合格抽油桿入井，防止抽油桿因人為因素而頻繁斷裂。

3.5 加強(qiáng)抽油桿管理

因大量抽油桿需要清洗及維護(hù)，考慮可操作性，建立每口井抽油桿檔案后，按使用年限對抽油桿分批管理，定期對抽油桿進(jìn)行探傷檢測，摸索抽油桿疲勞斷裂規(guī)律，以此制定合理的抽油桿報(bào)廢制度。

4 結(jié)論

1） 塔河油田采油三廠的抽油桿頻繁斷裂，主要是較強(qiáng)的腐蝕環(huán)境與高應(yīng)力載荷造成。

2） 在加強(qiáng)抽油桿管理、提高作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用長沖程、慢沖次抽油機(jī)，不僅可以有效地防止抽油桿斷裂，還可保證抽油機(jī)井產(chǎn)量穩(wěn)定。

3） 為滿足深井生產(chǎn)需要，塔河油田使用的HL級鋼制抽油桿的屈服強(qiáng)度達(dá)到1 000MPa，在常用鋼制抽油桿中居首。但材料屈服強(qiáng)度越高，對應(yīng)力腐蝕和氫脆就越敏感。塔河油田采油三廠的油井普遍高含H2S且地層水總礦化度高，為CaCI2水型。因此，在油、套環(huán)空添加緩蝕劑或使用防腐抽油桿應(yīng)是防止抽油桿頻繁斷裂的重要研究方向。

［1］劉建國，高 嵩，劉 軍.抽油桿失效原因探討［J］.油氣田地面工程，2006，25（6）：43.

［2］田 豐，吳則中，李 策，等.抽油桿的失效分析［J］.石油礦場機(jī)械，1986，15（1）：52－56.

［3］張艷敏.抽油桿失效分析［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（9）：85－88.

［4］馬效忠，裴潤有，吳宗福.抽油桿柱斷脫原因剖析與綜合防治［J］.石油鉆采工藝，1995，17（6）：93－97.

［5］司海媛.運(yùn)用修正古德曼圖優(yōu)化抽油機(jī)井參數(shù)［J］.規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，30（4）：48－49.