油井管柱失效原因分析及治理对策

摘  要：采油井下管柱是由抽油杆、油管、脱接器、相关配套设施等组成的管柱,作为一个机械系统可分为传动部分、封闭部分、通道部分，从机械原理角度分析造成管柱失效的真正原因。断口宏观分析就是利用肉眼、放大镜等低倍观察手段对断口表面进行观察，它可以在大范围内快速对断口的韧脆性、断裂源的位置、裂纹扩展方向等问题作出判断。

关键词：采油；井下管柱；裂纹扩展；失效原因

断口是金属材料或机械构件破坏后保存下来的断裂表面，断口上记录着断裂的起源及其扩展过程。任何实际工程材料或构件，不论在服役之前，还是使用过程中，总要受到周围介质、温度等环境因素的影响，在多数情况下，还要承受一定的载荷，载荷、温度、介质环境不同，断裂过程的微观机制也不尽相同。

抽油机井作为一个机械系统分为地面设备系统和井下管柱系统两大部分，原来的井下作业原因分析分类是按井下故障类别分的，而不是按照机械系统失效性质分类，且原因分析不够深入，本文利用失效学和断口学来对抽油机井井下管柱失效原因进行分析。通过对故障件的外观，诸如磨损表面、氧化腐蚀表面、断裂表面、构件宏观变形情况进行肉眼或低倍观察，尝试分析故障件的失效原因。

1抽油机井管柱结构

采油井下管柱是由抽油杆、油管、脱接器、相关配套设施等组成的管柱,作为一个机械系统可分为传动部分、封闭部分、通道部分，从机械原理角度分析造成管柱失效的真正原因。

图1井下管柱结构分类图

传动部分：包括光杆、抽油杆柱、以及脱接器和泵柱塞等硬连接部分，该部分是机械采油中，起到传递动能的作用。密封部分：机械采油中，抽油机井通过活塞的上下往复运动，与泵筒密切配合，将井底的液流源源不断的举升到地面，该部分在整个过程中，起到至关重要的作用，因此将柱塞与泵筒之间的密封、游动凡尔与固定凡尔之间的密封、油管漏失等原因归为一体。

通道部分：井底液流之所以能高效地从井底排出到井口，跟系统的通道部分密不可分，该部分包括从吸入口到地面井口通道部分，失效原因包括蜡堵、筛管堵等。

2管柱失效分类及原因分析

2.1失效原因分类

（1）传动失效：包括光杆断、抽油杆杆断、杆磨断、疲劳断、卡泵、杆柱断脱等。

（2）密封失效：包括油管漏失、活塞磨损、凡尔漏失等。

（3）通道失效：包括蜡堵、筛管堵等

2.2失效原因分析

2.2.1传动失效

传动失效，多见于杆断、杆磨断井上，从微观观点分析，任何物体的表面都是凹凸不平的，看起来非常光滑的表面实际上存在很多微凸体，当相互接触的两个物体相对运动时，较硬物体表面的微凸体对较软物体表面起着犁削作用，使磨削不断产生，不断掉落，从而构成了材料的磨损。

（1）杆断脱：

 ①杆磨断：杆磨断宏观现象是断口附近，杆断处磨薄、磨细，断口扶正器磨损严重；从表面质量检查，断口附近未见机械划痕，但是有一层淡红色的氧化物，判断应该是磨损后加剧了杆体的腐蚀。目前我队作业井已实现了普通井全井扶正，重点井采用浇筑扶正器和接箍扶正结合的方式，加强扶正的特点。

②剪切断：抽油杆在扭转剪切应力作用下发生的断裂称为扭转剪切断裂，剪切断裂是一种纯滑移断裂，断口的微观形貌表现为拉长的塑性韧窝。图2中位置1、2、3位置断口表面的微观形貌均具有拉长韧窝的形貌特征，只是2个断口表面韧窝的拉长方向各不相同，但都与断裂时扭转剪切的方向一致。常见于螺杆泵抽油杆断裂。

③疲劳断：抽油杆在交变应力作用下发生的断裂称为疲劳断裂，而油田常见的疲劳断裂属于低应力高频次疲劳，其疲劳寿命通常在105~107次之间，即应力疲劳。疲劳断裂的断口由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区构成（见图3）。

从杆断井断口外观上观察，通过表面质量检查，发现杆体表面未见碰伤、划痕，从断件的断口判断，断口表面存在或浅或深的贝纹状花样及放射状条纹，初步判断属于疲劳断裂失效引起，其中1口井经过查阅上次施工总结，发现该杆使用年限已达8年，最终定性为使用年限长所致的拉-拉型交变应力作用下发生的疲劳断裂失效。

④杆脱：因杆脱导致检泵一部分原因是因为杆体发生偏磨，导致相应部位丝扣磨损严重，大大降低了杆柱的抗拉强度，进而引起偏磨处丝扣脱扣；另一部分原因是因为在检泵过程中由于施工质量或者检查不到位，导致丝扣有伤的抽油杆下入井内，导致杆脱。

（2）脱接器断脱

脱接器断脱，主要表现在脱接器爪断，常见于大泵径井上，呈现出“两高一大”的特点，脱接器下接头部分，在正常生产过程中，会与脱接器爪产生一个相对旋转的扭转力，将会产生一个剪切效果。

（3）卡泵

随着油田聚合物驱、三元复合驱的深入发展，采出液中垢质、砂砾等物质进入到泵筒的概率将会大大增加，会减少泵活塞、杆等传动部分与油管之间的间隙，严重时将会导致

卡泵的发生。

（4）光杆断脱

一是由于光杆质量差导致抗拉能力降低，以至于不能满足油井正常生产所需要的载荷大小；二是由于使用年限长，加之大泵径井交变载荷大共同引起。

2.2.2密封失效

检泵井中，密封失效原因导致的作业井主要是油管漏失、泵凡尔漏失、活塞磨损等。

（1）油管漏失：

①管磨漏：杆体与油管在上下冲程过程中，由于杆体与管壁之间的距离相对较小，导致摩擦时杆体与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损，导致管体摩擦表面破坏。而这种破坏是腐蚀和机械磨损的综合过程，而腐蚀磨损的损坏特征表现为金属摩擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕。2017年全队因管磨漏检泵13井次，占密封失效部分的52%，通过外观检查，漏失部位明显变薄，外表可见长度不一的明显豁口，金属摩擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕，多是由于杆体偏磨导致。

②管腐蚀漏：当介质中含有某些活性阴离子时，他们首先被吸附在油管表面的某些点上，然后对氧化膜发生破坏作用，在受到破坏的部位，成为电偶的阳极，而其余未被破坏的部位成为阴极，于是便形成钝化-活化电池。孔蚀时由于阳极面积比阴极面积小得多，故阳极电流密度很大，很快就被腐蚀成小孔，与此同时，因为腐蚀速度很快，严重时造成管壁穿孔（见图4）。检查腐蚀孔坑横截面的宏观形貌可以看出，腐蚀孔洞很小，表层下面腐蚀孔坑的宽度和深度很大。

图 4 不锈钢在卤化物水溶液中发生小孔腐蚀示意图

①固定凡尔漏失：外观检查上，凡尔球座表面破损，有豁口，凡尔球座呈黑色，球座底部有一层黑色的氧化膜，边缘处凹凸不平。除去泵质量原因及异物垫住凡尔之外，分析认为泵运动过程中，凡尔球与液体接触并有相对运动，液流发生高速流动，从泵固定凡尔到游动凡尔由于局部压力的下降，可能产生气化，形成气泡，当这些气泡进入流体的高压区后，受压缩而溃灭，就会产生微射流或冲击波，打击工件表面，在这种微射流或冲击波的长时间反复作用下，逐渐使工件或构件表面产生疲劳而剥落。初期，工件表面呈麻点状，随后迅速扩展呈泡沫海绵状，气蚀严重时，破坏扩展速度很快并形成严重孔坑，并可能穿透构件壁厚造成凡尔球座破碎。

②抽油泵活塞磨损：摩擦副间坚硬颗粒的存在导致对摩擦表面的加速磨损，砂石、垢等颗粒物质都是由于黏着磨损作用参与了磨损过程，在相对滑动和一定载荷作用下，在接触点产生塑性变形或者剪切，使表面膜破裂，随着滑动的继续进行，摩擦表面温度升高，严重时表层金属将发生软化或融合，此时接触点产生黏着。从外观上可见明显的活塞擦伤，活塞与摩擦副相对运动时，由于固相焊合，接触点表面材料由一个表面转移到另一个表面，剪切发生在软金属的表层部位，硬表面被划伤.

（3）活塞断裂：因活塞断裂导致检泵不太常见，主要是由于泵活塞质量差、异物卡住活塞导致卡泵等原因造成。

2.2.3通道失效

油流通道的完好是保证抽油机正常生产的关键一环，常见检泵原因中有蜡堵、筛管堵等。

①蜡堵：热洗不及时或热洗失效，导致结蜡严重，油管及抽油杆上蜡积聚，油流通道变小导致通道失效。

②筛管堵：一般措施井压裂后下入防砂筛管（常用绕丝筛管），如果压裂反排不彻底、生产中油层反砂等，易导致砂埋，特别是聚驱井、三元复合驱井易造成筛管堵。

3几点认识

（1）把抽油机井下管柱作为机械系统来看，运用失效学和断口学等理论来进行失效原因分析，才能真正找到管柱失效原因，这样才更专业、更科学。

（2）抽油机井井下管柱失效主要有传动失效、密封失效和通道失效三种类型，以传动失效和密封失效为主，应加强杆柱组合、杆扶正等优化设计及参数调整工作。

（3）在今后的作业原因分析中，应增加低倍观察，固液检验等手段来辅助分析判断失效原因，并针对原因制定对策措施，不断提升失效原因分析及对策措施水平。

参考文献

[1]李文成.机械装备失效分析[M].北京:冶金工业出版社,2008.