抽油杆断裂原因分析及预防

抽油杆断裂原因分析及预防
王国和
摘要：通过对抽油机井生产情况的不同，阐述了不同井况对抽油杆正常运转的影响，分析出抽油杆断裂的主要原因，并提出了预防措施。
关键词：杆断裂原因预防
随着油田开采年限的增长，检泵作业的频繁，对井下管、杆的损坏程度也就随之加剧，这就给我们的作业施工质量带来了很大的影响，经济效益也将面临着严重的威胁，抽油杆是深井泵的主要组成部分，它将驴头和活塞连结在一起，并在一起做上、下往复运动，将井下原油抽到地面，由于它细长，加之受应力的作用，其运动状态极其复杂，断裂的原因很多，通过对油井生产情况的不同，分析了不同井况下抽油杆断裂的主要原因及预防。
一、抽油杆拉断及预防
（1）抽油杆的拉伸特性。抽油杆工作时受到轴向拉力后，其本身的变化与其它钢材一样具有一定的规律，用图来表示：

图中：P—杆轴向所受的拉力；ΔL—杆的伸长量；σs —屈服极限（有塑变）；σb —强度极限（拉伸强度）；σ—许用压力。实际工作单位面积上能承受的力。
由图1可知，抽油杆在拉伸过程中可分为四个阶段：第一阶段为弹性阶段。在这个阶段内杆的伸长ΔL与轴向拉力P成正比例关系，而且逐渐撤去拉力后抽油杆会恢复原来的长度，无塑性变形。第二阶段为流动阶段。在这一阶段内，杆的伸长量急剧增长，拉力基本保持在一个水平线上。第三阶段为强化阶段。抽油杆经过第二阶段以后，如果继续加大轴向拉力，则杆就要发生继续变形，变形过程中材料不断发生强化，这一阶段主要是塑性变形。第四阶段为局部变形阶段。抽油杆伸长到一定程度后，轴向承载能力反而下降，这时在杆的某一部分会出现截面明显缩小，产生缩颈，就要断裂。
（2）拉断的原因。①设计不当，超载使用。②生产管理不当，造成砂、蜡卡，增大负荷，超载拉断。③施工作业中超载硬拔。④杆柱配置不当，如接箍碰井口光杆拉断。
（3）预防措施。①优选设计方法，严格设计制度，不得超载使用。②生产管理中，尽量避免砂蜡卡。③施工作业中不得超载硬拔。④合理配置杆柱。
二、抽油杆疲劳断裂及预防
（1）抽油杆疲劳特性（疲劳曲线）。抽油杆在工作中承受拉—拉交变应力或拉—压交变应力，所以它有一个疲劳问题，疲劳特性可用疲劳图来表示：最大应力降到一定数值后（即a点）疲劳图线成为一水平线，它与横轴之间距离就是循环交变应力下的持久极限（σr），实验证明最大应力在持久极限以下时，其持久寿命可认为“无限长”（交变应力循环10的7次方次以上不断）
（2）疲劳断裂原因。抽油杆在设计中的许用应力都选在持久极限以下，发生疲劳断裂主要是抽油杆的第一局部应力超过了持久极限，在持久极限以上时，与其寿命的对数近似反比，所以很快即断裂，原因有：①抽油杆本身材质不均或有缺欠或内伤造成应力集中。②搬运过程中碰撞造成径向伤痕。③搬运存放的过程中造成弯曲。④起下操作不当，造成伤痕或弯曲。⑤设计不当超载使用或混合使用。
（3）预防措施。主要应避免造成应力集中，超过持久极限。①开展抽油杆探伤，不合格者不下井。②分级使用不得混合使用。③有过超载历史的抽油杆降级使用。
④新旧抽油杆不得混用。⑤优选设计，等强度使用，不得超载。⑥全井一级杆柱，定期上下调换。⑦存放、吊运、施工中严防撞伤造成弯曲。⑧现场施工中必须杆桥存放，防止车压弯曲。⑨起下操作平稳，装卸吊卡平稳，不得用力过猛造成撞伤。
三、其他原因
（1）腐蚀。由于化学作用或电化学作用，金属会受腐蚀。抽油杆被腐蚀主要有以下几种形式：①硫腐蚀（HS），硫化氢的腐蚀性很强，它的破坏作用往往表现为带疲劳裂纹的腐蚀斑点，裂纹是由于腐蚀斑点根部的应力集中和油中释放出的氢气使金属变脆而形成的②低含硫气体的腐蚀（CO2），是由CO2引起的，CO2与H2O化合生成H2CO3，H2CO3与Fe化合生成碳酸铁，碳酸铁是一种紧紧粘附在铁或钢表面的黑色硬皮。③氧化腐蚀（铁锈），氧具有与铁化合的能力，生成氧化铁，锈蚀的快慢取决于温度、腐蚀性、腐蚀层的厚度以及电解质，影响最大的因素是水。④硫酸盐的细菌分解，厌氧菌可以在没有游离氧存在的情况下生存和活动，它们会产生一些带腐蚀的产物，在厌氧菌活动期间它使水中的硫酸盐离子还原，并利用腐蚀细胞产生的氢生成硫化氢而腐蚀钢。⑤电解
（2）冲蚀。
（3）现场使用和管理不当。应采取一切可能的措施来防止抽油杆在使用和管理过程中造成的损坏，因为这些损坏会造成应力集中。①弯曲：抽油杆任何程度的弯曲都会使拱形区域冷作硬化，当把杆拉直时，很快便会达到抽油杆表面材料的极限强度并出现疲劳裂纹，继而发生断裂。②缺口、凹痕和榔头印：所有的抽油杆表面都有一层0.005-0.008英寸厚度的较软的脱碳层，这一低碳钢表层的作用是防腐蚀和防止氧脆。③吊卡造成的凹痕：吊卡与抽油杆间扣力过大会在杆上造成像榔头印一样的凹痕，而刮掉表面的脱碳层，同时扣吊卡时很容易使抽油杆弯曲，经过长期使用，吊卡台肩可能会磨损而变形，因而使抽油杆过长伸入吊卡，由于杠杆作用，就会将杆别弯。
（4）负荷的变化。光杆的负荷在上、下冲程中是不同的，在保证产量的前提下，泵的冲数越高油柱的重量越大，这种负荷的突变越强烈。在泵的运转过程中，由于负荷的反复变化的冲击，会使所有设备的金属发生应力疲劳破坏。
（5）杆与管之间的磨损。①由于井斜及井眼弯曲造成抽油杆与油管磨损而产生的断裂，这种断裂的预防措施是在杆上加抽油杆扶正器。②油管的伸缩造成的磨损。抽油杆往复运动时，由于与油管接触而造成的磨损是采油作业中的一个严重问题，因此，油管会被压弯。抽油杆在弯曲的油管内往复运动就会造成抽油杆的磨损，同时也会造成油管套管的严重磨损。此种磨损的预防措施是将油管的末端固定，那么，泵在工作时油管受拉，这样便可以避免使油管受压而弯曲。
四、结束语
随着油田开采年限的增长，以及检泵作业的频繁，杆的损坏程度也就随之加剧，依据正确分析杆断裂的原因，做出合理的预防，将在我们今后的施工作业施工质量和经济效益上发挥重要的作用。
参考文献：
[1] 王鸿勋.采油工艺原理[M] .北京：石油工业出版社，1984.