抽油杆断脱的结构分析
摘要
抽油杆在油管中的运动及油管自身的运动情况非常复杂,引起抽油杆与油管的内壁产生剧烈地摩擦,甚至将油管磨穿而造成油管漏失,或将抽油杆的节箍磨坏,造成抽油杆断脱,严重影响了抽油井的正常生产。陕西某油田区块，仅2013年抽油杆断脱35井次，占维护作业的10％以上，大量的杆柱断脱会给原油生产带来诸多影响。因此，针对抽油杆断裂进行结构分析，寻找有效的防断脱途经，减少抽油杆断脱频率，延长油井检泵周期是提高油田经济开发效益的迫切需要。
关键词：抽油杆、断脱、结构、分析
目录
摘要 (1)
1 问题的来源 (1)
1.1抽油杆断裂位置分析 (1)
1.2抽油杆断裂的原因 (1)
1.2.1 杆柱组合不合理，受力不均衡导致抽油杆疲劳破坏 (1)
1.2.2 复杂的斜井井眼轨迹导致抽油杆偏磨 (3)
1.2.3 杆的疲劳断裂 (4)
2 理论分析 (4)
2.1理论分析 (4)
2.2中和点的计算 (6)
3 抽油杆柱模型建立 (7)
3.1上冲程抽油杆柱受力模型 (7)
3.2下冲程抽油杆柱受力模型 (10)
3.3受力模型的边界条件 (11)
4 仿真分析 (12)
4.1仿真计算程序流程图 (12)
4.2仿真计算结果分析 (13)
5 结论 (14)
参考文献 (14)
1 问题的来源
近年来，在油田生产中，由于油井井下生产环境比较复杂，导致抽油杆断裂井频繁发生，严重影响了油井正常生产。
1.1 抽油杆断裂位置分析
以陕西安塞油田A区块为例，在断裂井中，光杆断6口，占17.0%；上部抽油杆（全井段深度的1/3以上）断15口，占43.0%；中部抽油杆（全井段深度的1/3-2/3）断10口，占29%；下部抽油杆（全井段深度的2/3以下）断2口，占5.7%；拉杆断2口，占5.7%。可见，抽油杆断裂位置主要集中在上部抽油杆、光杆，占到断裂井的43.0%；下部抽油杆断裂几率相对较小。
1.2 抽油杆断裂的原因
抽油杆是有杆抽油系统中传递动力的部件，在油井工作中带动泵柱塞作上下往复运动，承受交变载荷。如果杆柱受力较小，所受应力明显小于耐久极限时，则无数次的正反载荷循环都不会使其损坏。但是，如果承受的应力接近甚至超过耐久极限时，就可能因逐渐损伤而导致破坏，即所谓的疲劳破坏。疲劳损坏的抽油杆断面具有非常明显的特征，即逐渐损坏的部分因2个面相互研磨而显得非常光滑；由于超过了弹性极限而损坏的断面则很粗糙。总的来说，抽油杆的损坏都是由疲劳破坏造成的。影响钢材疲劳极限的因素有交变应力、周围环境的腐蚀影响、零件表面形状及工作应力范围等。通过对35井次抽油杆断裂情况进行分析可知，造成抽油杆损坏的主要原因有：
1.2.1 杆柱组合不合理，受力不均衡导致抽油杆疲劳破坏
组合不合理的抽油杆在不断恶劣的井下条件下工作，如惯性载荷的增大等，就很容易使抽油杆失稳而发生断裂。从统计情况看，抽油杆上部（包括光杆）断裂15口，占43.0%,这部分井断裂主要原因是泵挂深度不断增加，造成抽油杆最大拉应力增大，超过其屈服应力造成的，同时也使抽油机悬点载荷增大。
安塞油田开发初期，对长6油层定向井、相对高产井的机、杆、泵、匹配为：最大下泵深度1250米，采用CYJ5-1.8-13(H)B抽油机，悬点载荷为44KN，抽油杆采用D级杆，许用应力11Kg/mm2,组合比例为3/4×42%+5/8×58%，抽汲参数为1.50×9×381，这一设计未考虑泵深增加和油井结蜡，泵深增加和油井结蜡后，这一机、杆、泵的匹配比例就显得不适应。
由于安塞油田定向井初始造斜点平均在500米左右，正好占泵深1200米的40%。我厂在实际应用中，根据局开发部意见，取3/4比例40%，因此，在定向井直井段（井口—500米左右）下3/4抽油杆，斜井段下5/8抽油杆，采用Φ32管式泵，抽油杆组合为3/4×40%--5/8×60%，这一比例基本与抽油机型相匹配，也基本符合《抽油机—泵装置图表选择法（万邦烈）》近年来在实际生产过程中，随着泵挂不断增加和受油井结蜡等因素影响，抽油杆所受负荷增大，所受拉力也随之增大，而油杆组合没有发生变化，引起断裂事故增加。
根据油井诊断结果，泵深超过1250m时应采用三级组合，又根据美国API抽油杆柱设计法，应采用7/8〞×33%+3/4〞×33%+5/8〞×34%的组合，而实际上A区的超深井均为二级组合，致使断裂油井增多。
如果抽油杆组合合理，负荷不超过该杆的额定负荷，又无腐蚀、磨损的影响，并且使用得当，则抽油杆可以工作两年或两年以上时间而不发生损坏，这是通过大量的试验研究工作得出的结论。
2013年抽油杆断脱情况调查结果表明，使用在两年之内发生断裂的油井共9口，其余的26口为使用两年以后断裂的，这说明目前的抽油杆组合是不合理的，负荷达到或超过了抽油杆的额定负荷。
这里重点对组合不合理造成的抽油杆断裂井进行计算分析。
以A区22-12井为例，该井工作参数为1.5m×7×φ32mm×1191m，该井发生断裂时的含水为69.2%，井下抽油杆组合为φ19×88m+φ16×1152m。根据这些已知数据来校核该井抽油杆的强度。
使用史洛尼杰尔和美尔斯公式：
P max=（P杆+P液）（1+Sn2/1790）（1-1）
P min= P杆（1-Sn2/1790）（1-2）
应力校核：
根据美国API抽油杆设计方法：
ζ大=P max/f杆
ζ大≤[ζ当]2
[ζ当]—厂家铭牌许用应力，13kg/mm2。
P max——悬点最大载荷，N；
P min——悬点最小载荷，N；
1长庆局钻采院孙应民，《安寒油田采油工艺设计方案》，1991年
2胜利油田采油处《有杆泵采油工艺》，译自美国API有杆抽油泵工作参数计算方法，第154页
