李成彬， 王長建， 焦啟彥， 朱翠玲

（1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.中國石油吐哈油田公司吐魯番采油廠設(shè)備自動化室，新疆鄯善838202）

0 引 言

抽油桿是有桿抽油設(shè)備的重要部件，它將抽油機的動力傳遞給井下抽油泵［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國采用有桿采油方式的油井占總數(shù)的80%以上［2］。在整個抽油系統(tǒng)中，抽油桿柱是一個關(guān)鍵且薄弱的環(huán)節(jié)，一旦某一根抽油桿發(fā)生失效，則整個抽油桿柱就不能工作。若在生產(chǎn)時發(fā)生斷裂、脫扣等情況，則需要進行打撈作業(yè)，不僅影響產(chǎn)量，而且耗時耗力，增加采油成本。

抽油桿柱在井下腐蝕液中承受不對稱循環(huán)載荷，而同一個桿柱系統(tǒng)中上下部分的抽油桿工況有所區(qū)別。因此，抽油桿的失效問題比較復(fù)雜。近年來研究人員從不同方面研究了抽油桿失效問題，得出了許多成果，有些成果在生產(chǎn)應(yīng)用中還獲得了巨大的經(jīng)濟效益［2-8］。

1 抽油桿失效類型

抽油桿失效的主要類型有以下幾種：

1.1 抽油桿斷裂

在設(shè)計桿柱時抽油桿是能滿足強度要求的，抽油桿斷裂絕大部分原因是疲勞斷裂。抽油桿在生產(chǎn)加工出來時就不可避免地會存在內(nèi)部應(yīng)力、損傷缺陷等，服役時加上腐蝕、磨損等因素影響，使得抽油桿實際服役時間比理論設(shè)計服役時間要短。另外，非正常工況下，如抽油泵卡泵、抽油機重啟等會增加抽油桿斷裂風(fēng)險［6］。

1.2 機械磨損

將抽油桿連接成桿柱后，在工作過程中易于發(fā)生彎曲變形。彎曲后桿與管壁會發(fā)生摩擦，導(dǎo)致桿體磨損［2］。而腐蝕液的腐蝕作用將會加劇這一損傷過程。當磨損到一定程度時，桿截面不能承受載荷就會發(fā)生失效。如果油井是斜井，這種磨損對抽油桿失效的影響會加大［5］。

1.3 抽油桿脫扣

抽油桿之間是通過桿體公螺紋和接箍母螺紋擰緊后連接的，脫扣就是指二者相互脫離的現(xiàn)象。這種失效主要有兩種原因?qū)е拢阂皇遣馁|(zhì)或加工不合格，致使在服役時無法承受載荷發(fā)生脫扣；二是安裝時預(yù)緊力不足，服役時的周期載荷及振動時連接松動至脫扣。

1.4 井液腐蝕

在我國，許多油田現(xiàn)已進入中、高含水期階段［2］。此時，油井產(chǎn)出液高含水率、高礦化度是有桿泵舉升的主要特征［4］。井液一般會溶解CO2及H2S等酸性氣體，同時地層液還會含有細菌，致使抽油桿發(fā)生腐蝕失效。對于有損傷裂紋的抽油桿，腐蝕會加速其失效過程。

2 抽油桿失效研究現(xiàn)狀

2.1 力學(xué)方向

目前，運用力學(xué)研究抽油桿失效的類型主要是斷裂失效，其理論基礎(chǔ)是力學(xué)的一個重要分支：損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)。

2.1.1 損傷力學(xué)基本思想及方程

將損傷力學(xué)的知識用來研究抽油桿失效的基本思想是：抽油桿同其他金屬材料一樣存在微缺陷，如微裂紋、位錯、微孔洞等［2］，在桿體服役期間受交變載荷時這些缺陷的生長（損傷的演化）過程是滿足一定規(guī)律的，即損傷演化率。抽油桿在單軸加載工況下的損傷演化方程為［2-8］

式中：D為損傷度；N為壽命；其余參數(shù)根據(jù)材料、載荷及工況確定。兩邊積分得出壽命模型。

2.1.2 斷裂力學(xué)基本思想及方程

斷裂力學(xué)將各種缺陷等效為裂紋，研究在交變載荷下裂紋的擴展規(guī)律，其所采用的數(shù)學(xué)模型主要是由應(yīng)力強度因子或守恒積分所控制的各種類型的裂紋擴展速率公式［2］。此方法著重于研究裂紋擴展的規(guī)律，目前運用最廣泛的是Prais公式：

式中：a為表征缺陷尺度的幾何量；N為壽命；其余通過實驗及材料自身屬性得出［9-10］。隨后研究人員通過研究應(yīng)力比R及其他因素對該公式進行修正和簡化，得出的公式更為精確和簡便，比較有名的有Forman公式：

以及Walker公式：

力學(xué)方向的研究是理論推導(dǎo)和實驗數(shù)據(jù)驗證為支撐的，近年來計算機的發(fā)展也為研究工作提供了幫助。這些理論發(fā)展時間較長，并經(jīng)過實踐的不斷驗證和修正，研究成果比較成熟。

2.2 可靠性方向

抽油桿使用的數(shù)量較大，可以用可靠性等相關(guān)知識來研究。通過對失效抽油桿的服役時間等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，抽油桿的疲勞壽命可靠性可用“正態(tài)概率密度函數(shù)”和“威布爾密度函數(shù)”來分析［9］。

正態(tài)分布的概率密度函數(shù)：

通過對實驗數(shù)據(jù)和服役時間的統(tǒng)計研究得知抽油桿疲勞壽命X服從對數(shù)正態(tài)分布，其正態(tài)分布累積概率密度函數(shù)為

抽油桿廠商可以通過對同一批次的抽油桿進行跟蹤統(tǒng)計，根據(jù)結(jié)果為客戶提供可靠性數(shù)據(jù)。

另一方面，實驗室對試件進行疲勞試驗，得出材料失效前的壽命N與其外加應(yīng)力水平S的關(guān)系圖，即S-N曲線。擬合后得出其表達式：

對于金屬材料，特別是高強度鋼，失效數(shù)據(jù)分散，此時其S-N曲線會與失效概率P有密切聯(lián)系［11］。通過數(shù)據(jù)處理，得到一組成活率Pi下的材料S-N曲線。這種P-SN曲線即為成活率-應(yīng)力-疲勞壽命曲線。這些曲線對研究試件可靠性具有重要意義，在工程應(yīng)用中也是重要參考數(shù)據(jù)之一。

2.3 腐蝕疲勞方向

腐蝕疲勞是金屬材料在周期性（循環(huán)）或非周期性（隨機）交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下發(fā)生脆性斷裂的過程［12］。抽油桿的失效研究可以用腐蝕疲勞的相關(guān)理論來研究。研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕疲勞裂紋是從材料表面的點蝕開始形核、發(fā)展的［12］。腐蝕疲勞裂紋擴展階段，機械斷裂與電化學(xué)腐蝕共同作用，其破壞機理十分復(fù)雜。目前主要采用累積損傷理論研究成核。而裂紋擴展涉及電化學(xué)過程，研究內(nèi)容要復(fù)雜得多?？傮w而言，腐蝕疲勞裂紋擴展規(guī)律的研究沿用斷裂力學(xué)的方法，將擴展速率表示為裂尖應(yīng)力強度因子范圍ΔK的函數(shù)［12］。研究人員基于不同的理論提出多種計算模型，但對于抽油桿的腐蝕疲勞研究尚未提出系統(tǒng)的研究體系和成果。油田進入高含水開發(fā)期后，井液出現(xiàn)高含水率、高礦化度等特征。腐蝕對抽油桿壽命的影響會增大，這會促使研究人員投入更大精力研究腐蝕疲勞。

3 抽油桿失效研究展望

通過總結(jié)目前的研究方向及成果得出今后研究抽油桿失效的幾個特點和趨勢：1）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真的優(yōu)勢進一步凸顯。ANSYS等力學(xué)分析軟件在疲勞斷裂等方面具有很強大的計算功能，能極大節(jié)約研究成本，并且可以為理論計算提供數(shù)據(jù)支持。今后的失效研究模擬仿真所占比重將會越來越大。2）目前我國海上油氣開采工程量加大，很多油井為深井、超深井，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對抽油桿性能要求也越來越高。在提高抽油桿生產(chǎn)工藝等方面的同時，也要求對研究模型的相關(guān)參數(shù)進行修正，以期獲得更符合生產(chǎn)實際的模型。3）隨著井筒結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，偏磨、腐蝕、振動等因素對抽油桿的影響也越來越大。目前有研究人員對這些因素進行研究，但是研究成果沒有形成完整的針對抽油桿工況研究的理論體系，結(jié)論運用也尚不成熟。對這些因素的綜合研究會成為今后研究抽油桿失效的一個趨勢。

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