油田抽油机井油管失效原因分析

石永光 鲍振刚

【摘 要】本文从某油田某采油厂抽油机井油管失效的具体实际情况出发，分析抽油机井油管失效的特点及分布规律，发现油管非正常断裂问题较为突出。通过分析研究油管非正常断裂机理，结合萨南油田的开发特点，提出相应的治理及预防措施，减少抽油机井油管非正常断裂失效故障的发生。

【关键词】抽油机井；油管失效；非正常失效；螺纹与断裂

1 引言

随着油田抽油机采油的大量应用，抽油机井油管断裂事故频繁发生，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅使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。截至2002年12月，某油田共有抽油机井29377口井，年累计实施维护性作业10157井次，发现因油管问题检泵2499井次，占年维护性措施工作量的24.6%，其中油管丝扣断裂1007井次占油管失效问题总数的40.3%。第二采油厂从1997～2000年4年间，累计发生油管断裂故障798井次，累计影响原油产量4.5×104t。油管断裂率由1997年的11.5%上升到2000年的16.7%，有较明显的逐年上升趋势。因此，分析、研究导致抽油机井油管失效的原因，采取行之有效的防治措施，减少及预防抽油机井油管失效故障发生，对油田可持续发展有着极其重要的意义。

2 抽油机井油管断裂失效类型及分布规律

根据近年来抽油机井作业施工情况来看，油管在井下工作过程中发生失效故障可分为三种类型：第一种是油管螺纹断裂失效；第二种是油管螺纹因磨损、刺坏、粘扣、机械损伤，造成的脱扣或漏失；第三种是油管管体因腐蚀、偏磨造成的管体漏失失效。在三种油管失效问题中，由于油管断裂失效影响油井产量多，增加作业施工难度大，油管掉井墩弯损失严重，给油田开发造成严重危害。

3 抽油机井油管断裂机理分析

从近几年断裂油管使用时间的统计结果来看，断裂油管的使用时间与断裂率关系曲线有两个高峰，第一个高峰在 2年内出现，根据力学理论，工件在交变载荷作用下，循环次数达到1×107次时为疲劳次数，工件在超过疲劳次数时损坏，均属正常损坏。按抽油机井冲次为每分钟9次，经计算，工作7年后循环次数可达到3.26×107次，已超过疲劳次数。因此，认为第二个高峰的出现是属于油管的正常损坏，而第一个高峰的出现是由于各种因素造成的非正常断裂失效，这是我们分析的重点。

3.1 油管材质质量与断裂的关系

经调查，目前在油田上应用的油管主要是西德、西班牙、阿根廷、日本、上海宝钢和江苏承德等钢管厂生产的，材质均为中碳结构钢（J-55级油管）。按照API标准要求，J-55油管出厂状态应为全长正火、正火+回火或淬火+回火热处理工艺。而对油管抽样检测，发现部分J-55油管金相组织接近退火热处理状态，为此我们在同一根新油管上截取三段，进行热处理状态检测。一个直接做金相观察，另两个加热840℃后，分别进行正火和退火处理。

3.2 抽油机井现用偏Ⅲ型采油树结构与油管断裂的关系

前几年，为了满足油井环空测试要求，某油田在φ70 mm整筒泵及φ56 mm以下抽油泵的井上大量应用了偏Ⅲ型采油树，为油田测试创造了条件。但从近几年应用情况看，偏Ⅲ型采油树不适用于φ140 mm套管的抽油机井上，主要原因是设计偏心距为18 mm，造成油管接箍与套管内壁干涉0.9 mm，使偏Ⅲ油管挂与第一根油管连接丝扣的根部产生较大的弯曲应力。为了证实这一分析，曾应用應力传感器，对安装偏Ⅲ型采油树、采用φ140 mm套管并发生过油管断裂的南某井，进行了油管载荷及应力测试，测试结果：弯曲应力为62.5 MPa、油管静载荷应力为44.2 MPa，弯曲应力大于油管静载荷应力，这也是导致这类井易发生油管断裂的一个主要因素。

3.3 抽油机井载荷与油管断裂的关系

针对油管断裂主要集中在φ56 mm和φ70 mm整筒泵上的实际，对采用φ56 mm、φ70 mm 泵的油管受力状况进行了分析，发现φ56 mm泵在抽油泵工作过程中，作用在活塞上的液柱重量仅在下冲程时作用在油管上，它是油管承受循环载荷的主要原因。除活塞上较大的液柱重量使载荷变幅增大外，泵筒内径大于油管内径，使得油管在上冲程时受到一个向上的力，更进一步加大了循环载荷的变幅，造成了φ70 mm整筒泵油管的疲劳安全系数在所有泵型中是最低的。通过对各种泵径疲劳安全系数的初步计算，进一步证实了上述分析的结果

3.4 液压油管钳使用与油管断裂的关系

井内管柱是由成百根管件靠螺纹连接而成，螺纹连接质量的好坏，也直接影响油管的使用寿命，目前油田上油管连接主要靠液压油管钳对油管进行上、卸扣，实验证明油管螺纹经过大于1400 N·m扭矩上扣后，螺纹牙的左右侧面角度发生变化，相对油管轴线偏倒，这样的油管下入井内，螺纹牙势必不能良好地接触，甚至出现线接触的可能性，使油管螺纹的密封性能下降，经测定当螺纹牙左右侧面角相差大于1°时，油管丝扣将出现泄漏现象。对7根油管用液压油管钳上扣试压检验，在每次试压前对油管进行多次上卸扣，共试压17次，结果发现如果后一次上扣扭矩小于前一次扭矩，油管出现渗漏的可能性达75% 当搬动换向阀手柄，使换向阀开度突然由最大变到0，再由0变到最大，液压管路的突然切断，能引起液体压力冲击，同时也会使扭矩的大小发生冲击变化。

4 防治技术的研究及应用效果

在对油管断裂机理作初步分析的基础上，我们加大了油管断裂治理的力度，采取了有针对性的防断治理措施，并取得了一定效果。在调查油田在用偏心采油树的基础上，经过不断地研究、分析、改进、完善，我们研制应用KYPⅣ-Ⅱ型井口装置。这种采油树整体采用六通体设计，一次铸造成型，内部采用二次偏心设计，井口主体上采取法兰连接，通过变径钢圈可实现与现有不压井工具正常连接。由于该种井口装置采用两次偏心结构设计，抽油机在正常生产时，井下油管与套管的偏心距为11 mm，使油管接箍与套管内壁之间保持6.1 mm间隙，保证井下油管不产生弯曲应力。在测试时将油管挂转动1800，井下油管与套管可产生17 mm的偏心距，使油管接箍紧贴套管内壁一侧，并保持0.1 mm间隙，保证测试仪器顺利起下。并且油管挂密封效果、测试解卡等性能均好于偏Ⅲ型采油树。

5 结 论

（1）油管加工及修复质量，直接影响油管在井内的使用寿命，因此必须加强油管生产、修复质量及检测手段。油管挂结构设计不合理，造成油管与套管内壁发生干涉，使油管产生弯曲应力也是引发油管丝扣断裂的主要因素。因此，必须对现有偏心井口油管挂结构进行改进。能够彻底消除目前在用偏Ⅲ型井口装置存在的弊端，并且可以改善螺纹连接处刚度的均匀过度性，能够有效地解决油管挂处螺纹的断裂问题。

（2）将偏Ⅲ型采油树油管挂，改成外加厚式油管挂，进一步提高油管挂螺纹的连接强度，也是目前解决在用偏Ⅲ型采油树易发生油管挂根部丝扣断裂问题的有效措施。合理确定油管上扣扭矩，采取合理扭矩控制措施；制定科学有效的作业施工操作规程，减少因各种人为因素对油管螺纹造成的伤害，均能够有效地延长油管使用寿命，降低油管断裂率。

作者简介：

石永光 男；出生年月 1969/10/21；籍贯江 苏省泗阳县；参加工作时间 1988/7；学历 大专；工种 采油；工作单位 大庆油田采油五厂二矿；

（作者单位：大庆油田有限责任公司第五采油厂第二油矿）