空心抽油杆断裂原因分析

摘要：空心抽油杆稠油掺稀工艺先进，但是这种工艺存在由于空心抽油杆断裂引起成本增加的缺陷。针对吐哈油田吐玉克油区空心抽油杆的使用情况，找出了空心抽油杆的断裂规律，总结了空心抽油杆的断裂趋势。并通过分析，研究了空心抽油杆的断裂机理，提出了关于在空心抽油杆使用方面的一些建议。
论文关键词：空心抽油杆,稠油掺稀,断裂,分析

　　吐哈深层稠油主要集中在吐玉克油区，埋深达3000米。该油区原油具有高密度、高粘度、高凝固点、高非烃含量、中含蜡量“四高一中”的特点。 属于不易开采的深层稠油油田，被公认为世界级开发难题。通过空心抽油杆掺稀降粘工艺在该油区的应用，既破解了世界稠油开发难题，也填补了中国石油开发空白。

　　这项工艺技术在吐哈油田全面推广运用后，稠油开采效益非常显著。但由于空心杆内壁接蜡、空心杆断脱、稠油上返和卡泵等原因造成的修井作业达到了238井次，其中由于空心杆发生断杆事故引起的修井作业为59井次，断杆比例达到了50％，严重的影响原油上产。

　　2 断杆情况统计

　　吐玉克油区已使用空心抽油杆118套，累计使用空心抽油杆177井次。由于各种原因已修井作业238井次，其中空心抽油杆断裂的原因引起修井作业的有59井次。针对发生断杆事故，我们从不同的角度来统计，以便找出规律。

　　2.1 空心杆断裂部位统计：

　　

　　2.2、空心杆断裂规格统计

　　

　　2.3 空心杆断裂井深统计

　　

　　2.4 小结

　　从以上统计结果可得出：①抽油杆：断杆部位集中在离端部350mm以内（主要是焊缝及热影响区处）；②抽油杆柱：断杆位置集中在500m-1500m之间（主要是φ36空心杆处）。

　　3 断裂综合原因分析

　　对以上空心抽油杆的断裂，首先进行厂内控制检验，随意抽取空心抽油杆六根，其中两根焊接后未回火、两根焊接后回火和两根已抛丸处理，来进行硬度、拉伸和金相分析。通过试验数据证明厂内控制质量基本符合标准要求。

　　结合厂内控制检验分析和相关技术研究，可以得出影响空心抽油杆断裂的因素主要有以下几个方面：

　　3.1 国内厚壁小直径无缝钢管冷拔加工技术水平限制，原材料存在缺陷。

　　国内小直径无缝钢管冷拔加工技术水平决定原材料难免存在微观缺陷，特别对于厚壁管，探伤存在盲区，原始微观缺陷在使用中发生快速扩展，导致早期疲劳断裂。如YD204-32井就属于这种情况。

　　YD204-32井断杆情况如下图：

　　

　　从这个断口来看：断口特征表现出无颈缩、脆性撕裂、断面呈椭圆形状等现象。这说明杆体的弯曲疲劳裂纹（锯齿区）先从疲劳源开始，逐步向两边扩展，当扩展到一定程度的时候，瞬间发生最后断杆，所以在瞬时断裂区呈撕裂形状。

　　3.2 抽油杆杆柱组合设计不合理

　　由于杆柱设计不当,使杆柱实际应力超过其使用极限应力,导致局部杆超载断裂,或在设计中加重杆过少,使下部小规格抽油杆在下行程中承受压应力,变形后产生弯曲应力而断裂。如YD204－22、YD4－1井就属于这种情况，见表1。

　　表1 YD204－22、YD4－1井的应力范围比的计算结果如下表：

　　井号

　　日产液（m3/d）

　　含水（%）

　　杆柱组合/应力范围比（%）

　　42*6.5

　　36*6.5

　　36*6

　　34*5.5

　　19

　　YD204-22

　　9.64

　　5

　　287/98

　　885/86

　　1028/113

　　600/85

　　YD4-1

　　6.25

　　50

　　373/99

　　405/103

　　360/95

　　1162/89

　　800/76

　　3.3 油管管柱组合设计不合理

　　采用φ89mm+φ73mm组合油管，油管内径为φ76mm+φ62mm组合，抽油杆工作空间小，在下冲程中由于稠油阻力大，致使抽油杆发生弯曲，应力增大，造成空心抽油杆断脱或断裂。如YD204-15、YD204-24及YD204-22井空心抽油杆断脱属于这种情况。

　　原油气合作开发公司采用φ89mm+φ73mm组合油管的5口井已全部更换为φ89mm的单一油管，目前没有发生断杆。

　　3.4 焊接和回火质量不能保证，焊缝及热影响区成为薄弱环节

　　焊接过程发生影响质量的因素有：

　　1）焊接平面清洗不干净，有杂物，导致焊接不完全；

　　2）焊接平面端面垂直度不符合标准要求，导致焊接传热速率不一致；

　　3）焊接处同轴度偏差，导致焊接处应力集中；

　　4）对焊缝的热处理温度波动大，硬度起伏大，强度存在薄弱环节。导致焊缝及热影响区成为最易破坏的环节。

　　3.5 运输和现场操作不当导致抽油杆损伤

　　1）运输过程中的碰伤及现场操作的机械损伤导致局部应力集中；

　　2）抽油杆下井速度过快造成局部弯曲，产生弯曲应力；

　　3）受地面掺稀管线损坏、掺稀泵气锁、掺稀泵排量不均匀等多方面原因影响，导致掺稀不正常，空心杆因稠油上返被强行拉断。

　　3.6 其它方面的原因

　　1）杆头接箍热处理不合格，硬度差别大，在焊接过程中翻边大小差别大，热量不均匀，造成焊接缺陷。

　　2）井下井况复杂，腐蚀和超载荷现象也是造成断杆的原因之一。

　　4 结语

　　空心抽油杆的断裂不要盲目的追究制造商的责任，由于国内焊接技术水平、焊缝热影响区的处理方法和井况复杂等因素，都有可能导致空心抽油杆的断裂。在预防方面，应多加强工艺管柱中性点位置分析、现场探伤技术攻关、现场操作规范和现场管理。

参考文献
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[2] 吴则中. 抽油杆［M］. 北京：石油工业出版社，1994
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