油田抽油机井油管失效原因分析

作者:未知

  【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,曾应用应力传感器,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,因此必須加强油管生产、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)
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