悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响..doc

悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响 周 阳 张 迁 解锡明 郭庆华 李庆梅 （大庆油田有限责任公司第二采油厂） 摘要：本文针对第二采油厂水驱抽油机井抽油杆断裂事故增多的现象，结合现场断杆井的统计情况，对断裂原因进行了分析。由于含水上升、参数大、油井结蜡等因素的影响，当抽油杆内产生的最大应力超过抽油杆的最大许用应力值使抽油杆产生疲劳破坏，并依此提出预防和减少断裂事故的防治措施。 主题词：抽油杆；非对称循环应力；脆性断裂；疲劳破坏 1 前 言 随着油田开采进入高含水后期，开采难度增加，机械强采力度进一步加大，抽油机井抽油杆断裂事故的发生频率也随之增加，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅维护性措施工作量增大，原油成本增加，经济效益降低，同时还影响原油产量。第二采油厂2001年1～8月份水驱抽油机井检泵1036井次，其中因抽油杆断裂施工122井次，占检泵井总数的11.8％，与去年同期对比上升2.0个百分点，与去年年底对比上升2.4个百分点。因此，分析、研究抽油杆断裂的发生原因，采取有效的防治措施，预防及减少抽油杆断裂故障发生，对油田今后的可持续发展有着极其重要的意义。 2 抽油杆断裂是非对称循环应力作用下发生的疲劳破坏 122口因抽油杆断裂而检泵的井中有4口为斜井，因为斜井的特殊性，下面的分析中不包括这4口井。 118井次抽油杆断裂井中使用刮蜡杆有53口井，占断杆总井数的44.9%，这部分刮蜡杆都分布在抽油杆柱上部；剩余66口普通杆，其断点主要集中在下部（表1）。 表1 66口井普通杆断点分布表 断点位置（m） 1－25 26－50 51－75 76－100 ＞100 合计 井 数 (口) 15 7 7 22 15 66 从实际断点分布情况来看，我们认为抽油杆断裂不是在最大拉应力下发生，而是在交变应力作用下发生的疲劳破坏。如果在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆的断裂将主要发生在拉应力最大的上部。但是实际情况表明，在抽油杆柱的上部、中部、下部都有断裂故障的发生。另外，从现场实际观察发现，抽油杆呈脆性断裂，而不是塑性变形，这也是疲劳破坏的特点之一。 抽油机井正常工作时，抽油杆柱承受着由到交变载荷的作用，因此，在抽油杆内产生了由到的循环应力： 作者简介：周阳（1972-），女，工程师，现从事井下作业。 ⑴ ――抽油杆柱顶部的最大应力； ――抽油杆柱顶部的最小应力； －－悬点最大载荷； ――悬点最小载荷； ――抽油杆柱的截面积。 在材料力学中，通常把在交变应力下最小应力和最大应力之比称为交变应力的循环特性，用来表示，即： 当＝－1，即＝－时，交变应力的循环特性为对称循环。 当＝0，即＝0时，交变应力的循环特性为脉动循环。 抽油杆内产生的从到的交变应力不属于上述两种特性，其循环特性为非对称循环。 3 抽油杆疲劳破坏产生原因分析 根据公式⑴可以知道，当抽油杆柱确定后，其截面积就是一个确定的值，那么抽油杆柱产生的循环应力的大小就由悬点最大和最小载荷确定。 目前国内多采用美国石油学会（API）推荐的方法，用修正古德曼图来进行抽油杆强度校核和杆柱设计。即抽油杆柱的最大许用应力计算公式为： ⑵ 式中：――抽油杆柱的最大许用应力； ――抽油杆最小抗张强度； ――抽油杆最小应力； ――使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数（小于或等于1.0）。 要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏，抽油杆的最大应力不超过公式⑵中的计算出的最大许用应力，即: ⑶ 将公式⑴代入公式⑵中得： ⑷ 公式⑷即为计算满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷公式。 查找118井次抽油杆断裂井施工前的井史数据，根据实际测得的最小悬点载荷和抽油杆柱数据，代入公式⑷计算出满足抽油杆强度所允许的悬点最大载荷。目前第二采油厂水驱抽油机井均采用D级抽油杆，根据中华人民共和国石油天然气行业标准规定，D级抽油杆最小抗张强度为794～965MPa。以最小抗张强度的下限值794MPa代入公式⑷，计算出抽油杆强度所允许的悬点最大载荷，与实际测得的悬点最大载荷相比，发现有29口井实际测得的悬点最大载荷超过允许的悬点最大载荷。用D级抽油杆最小抗张强度的上限值965MPa代入公式计算，还有3口井实际测得的悬点最大载荷超过允许的悬点最大载荷。 这些井在悬点最大载荷和最小载荷的作用下，抽油杆产生了非对称的循环应力，由于各种因素影响，悬点最大载荷和最小载荷发生相应的变化，抽油杆内非对称的循环应力也随之相应变化。当应力循环中的最大应力值超过了抽油杆柱许用的最大应力值时，经过一定的应力循环次数后，首先在