抽油杆疲劳断裂原因分析及对策

抽油杆疲劳断裂原因分析及对策胜利油田地质构造复杂、天然能量不足，所以有杆泵机械采油为主。抽油杆断脱事故较多，直接影响了油井的正常生产。造成抽油杆断脱的原因有内因，也有外因。随着胜利油田的不断开发，井筒条件不断恶化，抽油杆断裂已经成为油井停产的重要因素，而疲劳断裂是其中的重要部分。

一、抽油杆失效原因分析

1.1、概况

近年以来，抽油杆失效已经成为影响胜利油田开发管理的深层次矛盾之一，2011年8-12月份作业油井统计：有杆泵维护作业154次，抽油杆断51井次，占33.1%，是影响全矿油井维护率的第一大因素。

1.2、抽油杆疲劳断裂原因分析

影响抽油杆疲劳断裂的原因有很多，归纳起来主要有材料质量问题、超疲劳极限、超许用应力、施工及管理问题。

（1）锻造热影响区造成的抽油杆疲劳断裂

抽油杆锻造热影响区即距外螺纹接头端面250毫米以内的抽油杆杆体部分。资料表明抽油杆在锻造热影响区发生早期断裂的次数占总断裂次数的65%以上。在锻造热影响区内，对锻造温度要求很严，温度过高过低都会影响金属组织，使抽油杆产生热塑性变形，从而产生高的残余拉应力，降低了材料的强度和韧性，致使发生早

期疲劳断裂。

（2）超许用应力造成抽油杆断裂

抽油杆在井下做上下往复运动，抽油杆在拉伸过程中可分为四个阶段：弹性阶段、流动阶段、强化阶段、局部变形阶段，这时在杆的某一部位会出现载面明显缩小，成为缩径，导致杆断。

为了节约不必要的重量和很好地将应力分布到长的抽油杆上，经常采用次级杆柱。在一个总的杆柱中，根据井深和工作条件不同，可以采用几种尺寸的抽油杆。问题在于确定总杆柱中每种尺寸杆的长度。设计的最后一步，就是检验最大应力，根据改进的古德曼应力图计算出的应力，决不能大于允许工作应力，也不能超过允许应力范围。

我们以某井为例加以说明：该井于2007年2月28日改下70泵后，生产一直正常，2007年5月25突然不出，经现场及功图分析为断脱，仅仅生产了87天。

按照《采油技术手册》推荐的d级抽油杆组合二级组合

（7/8inx3/4in）杆柱最大下入深度为φ70泵x720米, 抽油杆已超负荷运转,作业前生产正常数据见下表：

该井杆为修复杆，根据所测光杆最小载荷可求出

smin=最小光杆载荷/抽油杆顶部的横截面积

最小光杆载荷——19.67kn

抽油杆顶部直径25mm

根据上式可求出smin=40兆帕，根据改进的古德曼应力图可求出

sa=(198.5+0.5625smin)xsxf=（198.5+0.5625x40）x0.9=198兆帕(系数按照盐水介质)

而实际上根据悬点载荷计算出的最大应力sa=最大光杆载荷/抽油杆顶部横截面积=158.8兆帕>sa-smin=198-40=158兆帕，超过了允许工作应力范围,属于疲劳断裂.。

从断口面可以看出：基本上可以分为两个外貌特征不同的区域，该断口一部分比较光滑，光滑部分有明暗相间的圆弧，类似贝壳线，另一部分粗糙不平。可以断定该杆为疲劳断裂。

（3）超疲劳极限造成抽油杆断裂

在油井正常生产时，抽油杆的基本受力情况如下：在下冲程时、抽油杆柱下部承受通过柱塞向上集中作用的两种负荷，分别是在衬套和柱塞间的半摩擦力和采出液体流过游动阀的水力阻力所产生

的向上作用力；上冲程时，抽油杆柱下部也承受两种负荷的作用，即作用在抽油泵柱塞上的液体重量和在柱塞和衬套间的半摩擦力。因而在抽油杆部下部，在抽油泵一个工作循环过程中受符号相反的循环应力，上冲程时，受拉伸；下冲程时，受挤压而弯曲。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，抽油杆疲劳断裂源于表层的材料缺陷、尺寸和几何形状的变化引起应力集中，而形成裂纹源。抽油杆在设计中的许用应力都选

在持久极限以下。为什么还会发生疲劳断裂，这主要是抽油杆的第一局部应力超过了持久极限。

因此为了减少抽油杆的疲劳断裂造成的油井作业，我们应避免造成抽油杆应力集中，超过持久极限：管理制度要严格，分级使用不得混合等使用；有过超载历史的降级使用；新旧杆不得混用；全井一级杆生产的油井，定期上下调换抽油杆，避免应力集中造成的疲劳断裂；优选设计，等强度使用，不得超载；

以该井为例，从计算和实测结果可知，该井杆柱所受最大应力为130兆帕，如果按照盐水介质考虑，根据抽油杆疲劳特征曲线可求出：该井杆柱可承受的交变应力周次为0.85x107，该井的冲次为6.5次/分钟，按照上次换杆时间计算，周次已达到

6.5x60x24x370=0.4x107（修复杆投入该井之前时承受的交变应力周次数没有在内）若开井时率按照90%计，则杆柱的安全使用周期为2年左右，该井杆为2005年修复杆，粗略的估计使用寿命已超过两年，为了不超过疲劳寿命，需全井更换。

（4）使用管理不当造成抽油杆疲劳断裂

抽油杆使用管理上的混乱，也是造成抽油杆疲劳断裂的主要原因之一。一是下井的抽油杆新旧混用、不同级别混用；二是抽油杆在运输、装卸、贮存、使用中，违章操作造成抽油杆机械损伤，形成应力集中，影响了抽油杆工作可靠性。三是热洗、清蜡、加药、防砂措施不及时，生产管理不当，造成砂蜡卡，增大负荷，超载拉

断等。四是抽油杆在搬运过程中弯曲引起应力集中，或者碰撞造成径向伤痕引起应力集中。

二、防止抽油杆疲劳断裂的措施

通过分析造成抽油杆疲劳断裂的主要原因，认为要防止抽油杆疲劳断裂可以相应采取以下措施：

1）严把抽油杆质量关。要求出厂的抽油杆无弯曲现象，表面无伤痕。选择从制造加工工艺技术较为先进的生产厂家进货。

2）运输过程中加强管理，尽可能避免运输过程中的损伤。

3）发生油井断裂时，不能局限在抽油杆表面现象，要根据应力要求，疲劳寿命计算更换抽油杆。

4）对抽油井系统进行优化设计。从经济和技术方面进行综合论证，在降低冲次、改变抽油杆组合或采用玻璃钢抽油杆和改变泵径等方面，选出确实可行的方案。

（作者单位：山东省临邑县临盘采油厂）