抽油桿疲勞性能實驗分析

梁毅，趙春，樊松，雷宇，石海霞

（1. 中國石油長慶油田分公司，西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710018）

抽油機有桿泵采油占人工舉升80%以上，抽油桿在其中起著至關重要的作用。D 級和H 級抽油桿是油田最常用的兩種抽油桿，通過現場應用分析，因抽油桿斷裂造成油井修井的比例達35%，直接增加了油井生產運行成本。由此可見，確保抽油桿的正常工作具有重大的經濟效益。

美國古德曼（Goodman）用實驗的方式得到了抽油桿使用壽命可達1000 萬次而不至于發生斷裂的結論[10]。國內路永明、林元華等[19]提出了預測抽油桿疲勞壽命的Paris 模型和Forman 模型。駱競晞等人[24]運用Paris 模型分析了當抽油桿存在可擴展裂紋時的剩余壽命。胡雨人等人[25]提出通過實測抽油桿材料的力學性能去推測疲勞特性的方法。以上研究方法均未充分考慮油井生產過程中抽油桿所受的井液腐蝕、拉壓載荷等實際工作環境。因此，文中模擬抽油桿實際工作環境條件下（載荷條件和腐蝕介質），對D 級和H級抽油桿進行材質成分分析、靜強度測試、空氣介質和腐蝕介質下的疲勞強度測試等實驗分析工作，對兩種抽油桿的疲勞性能作出評價，為抽油桿的選擇提供指導。

1 室內實驗

實驗選用D 級和H 級抽油桿柱，采用島津電液伺服疲勞試驗機，嚴格按照GB 6397—86《金屬拉伸試驗試樣》執行，開展抽油桿拉伸性能和腐蝕疲勞性能測試。

1.1 拉伸性能測試

為了能更好地進行各項相關的疲勞試驗，首先應該清楚抽油桿的基本力學性能指標。通過對試樣進行大氣中的靜拉伸試驗，從而計算出材料的基本力學性能指標。兩種抽油桿化學成分見表1。

表1 D 級和H 級抽油桿柱的化學成分 %

在大氣室溫下進行靜拉伸試驗，為計算各種力學性能指標，引用式（1）—（3）。經計算后，D 級和H 級抽油桿柱的力學性能指標見表2。

式中：P 為試驗機所施加的載荷值；A0為試樣原始截面積；A1為試樣斷裂處截面積；L1為試樣斷裂后標距；L0為試樣原始標距。

表2 材料力學性能指標

1.2 腐蝕疲勞性能測試

在油井實際生產條件下，抽油桿斷裂與井筒腐蝕狀況有直接的關系。因此，通過疲勞試驗測得抽油桿型號在各種腐蝕介質中的疲勞性能指標，進行對比分析，以便為工況選材提供必要的依據。

取頻率f=10 Hz、應力比R=0.1 的正弦波形，在室溫下進行腐蝕疲勞試驗。試驗的起始載荷應力一般取值：σmax≈0.9σb，設循環應力幅值為σa。

由式（4）、（5）聯立求解，可求得最小應力σmin及應力幅值σa，于是求得平均應力σm：

根據以上計算得出的σm、σa及相關試驗參數進行疲勞試驗。

1.2.1 抽油桿在不同介質中疲勞性能

分別考慮井液介質含水率為100%、85%、4%和空氣的情況下，開展D 級和H 級的疲勞性能實驗。從圖1 可以看出，D 級和H 級抽油桿在原油中的抗疲勞性能隨油水混合介質中含水率的增加而急劇下降，H 級抽油桿降低的幅度更大一些，說明含水率是影響疲勞性能的最主要參數。含水100%對抽油桿材料的腐蝕性最大，因為產出液由油包水型變為水包油型，管桿表面由油潤濕變為水潤濕，失去了原油的保護作用，加快了管桿之間腐蝕的速度。含水率低時，管桿摩擦面處于良好的油潤滑狀態，動摩擦因數較小，磨損較輕；當含水率高時，管桿摩擦處于水潤滑狀態，動摩擦因數大大增加，加快了管桿磨損。

由圖2 可以看出，在空氣中，H 級桿的抗疲勞性能高于D 級抽油桿。當含水率上升時，H 級桿的抗疲勞性能顯著低于D 級抽油桿。

圖1 抽油桿在不同介質中疲勞壽命曲線

圖2 抽油桿在空氣中和井液介質含水率85%下的疲勞壽命曲線

1.2.2 拉壓載荷對抽油桿腐蝕疲勞性能的影響

抽油桿在使用過程中，既受到拉應力作用，同時在中和點以下還受到壓應力作用。為了弄清楚壓載荷對抽油桿柱腐蝕疲勞性能的影響及影響程度，測試拉壓載荷對抽油桿腐蝕疲勞性能的影響，如圖3 所示?？梢钥闯?，拉壓載荷對兩種抽油桿都有一定影響。D級抽油桿在應力幅小于190 MPa 時，壓應力的疲勞壽命略低于拉應力作用下的壽命；H 級抽油桿兩條曲線在應力幅小于177 MPa 時，壓應力的疲勞壽命略低于拉應力作用下的壽命。分析得出，應力幅為某一值時，該點的拉、壓載荷相等，即該點處為抽油桿中和點，受力為0。當應力幅小于該點值時，即中和點以下的螺旋彎曲所產生的附加拉應力會使抽油桿加速偏磨，致使抽油桿斷裂。

圖3 抽油桿在純水下的拉壓載荷疲勞壽命曲線

2 腐蝕疲勞性能差異的原因分析

通過以上實驗分析和理論計算，可以得出H 級抽油桿在空氣中的抗疲勞性能明顯優于D 級抽油桿，主要原因為：

1）從材料成分來看，H 級抽油桿中碳的質量分數為0.344%，而D 級抽油桿為0.252%。含碳量高的材料，抗拉強度高，因此空氣中HL 級抽油桿性能優于D 級。

2）從材料硬度分析，H 級抽油桿的洛氏硬度和顯微硬度均低于D 級抽油桿，因此D 級抽油桿比H級致脆。在空氣中作疲勞試驗，H 級抽油桿的壽命明顯高于D 級抽油桿。

3）從靜拉伸試驗中也可以證明，H 級抽油桿的抗拉強度高于D 級，并且屈服強度高于D 級，所以H 級抽油桿在空氣中的抗疲勞性能優于D 級。

通過以上實驗分析，可以得出在原油、油水混合介質和純凈水的腐蝕環境下，H 級抽油桿的抗腐蝕性能低于D 級。隨著油中含水量的增加，兩種型號抽油桿的抗疲勞性能趨于一致。在較高應力區，H 級抽油桿的抗腐蝕疲勞性能略低于D 級抽油桿，主要是抽油桿中合金元素的影響。

由表1 和表2 可以看出，D 級抽油桿材料中Si、Cr 合金元素含量均高于H 級抽油桿。Si 元素含量高的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性和耐氧化性介質腐蝕的作用。Cr 元素使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，因此D 級抽油桿的抗腐蝕性能高于H 級。

3 結論

1）H 級抽油桿的抗拉強度、屈服強度等基本力學性能指標及空氣中的疲勞壽命均優于D 級抽油桿。

2）含水率是影響抽油桿腐蝕疲勞性能的關鍵因素。隨著含水的增加，抽油桿疲勞壽命降低，并且H級抽油桿降低的幅度更大。當含水率較低時，含水率稍微有所增加，壽命大幅度降低；當含水較高時，壽命降低幅度不大。因此，H 級抽油桿應在低含水區塊應用，D 級抽油桿在中高含水區塊應用。

3）抽油桿壓應力引起的中和點以下的螺旋彎曲所產生的附加拉應力，是導致抽油桿偏磨的直接原因，因此在中和點以下應優化扶正防磨設計，延緩抽油桿斷裂。

4）在中高含水區塊，應加大對服役年限較長的抽油桿更換力度，以減少和預防抽油桿斷裂事故的發生。