隨著定向井的普及和大斜度井的增多,由于井身結(jié)構(gòu)限制,抽油桿柱與油管之間存在接觸力(正壓力),造成抽油桿和油管之間發(fā)生磨損現(xiàn)象,導(dǎo)致油井油管磨損漏失、抽油桿柱磨損斷脫等問(wèn)題,抽油桿斷桿故障率提高,需要考慮抽油桿本體的機(jī)械力學(xué)性能是否合格。因此,產(chǎn)品性能是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品性能是否滿足油井生產(chǎn)需要,是抽油桿生產(chǎn)面對(duì)的重要問(wèn)題。
力學(xué)性能和材料選擇至關(guān)重要
目前,我國(guó)專門針對(duì)抽油桿的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5029—2006《抽油桿》,替代SY/T 5029—2003和SY/T 6272—1997,由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)提出,包括材料和力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等)指標(biāo)、一般尺寸和疲勞強(qiáng)度要求等。
抽油桿力學(xué)性能理論分析 SY/T 5029—2006《抽油桿》規(guī)定,鋼制抽油桿屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
根據(jù)圣維南定理,抽油桿拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為:
式中:F—抽油桿柱承受的拉力,kN;
—抽油桿許用拉應(yīng)力,MPa; —材料屈服極限,MPa; —材料強(qiáng)度極限,MPa;S—安全系數(shù),對(duì)于井下抽油桿柱而言,一般選取 ; d—抽油桿外徑,即危險(xiǎn)截面直徑,mm。
根據(jù)上述公式推導(dǎo)得抽油桿屈服失效最大拉伸載荷Fsmax計(jì)算公式為:
抽油桿斷裂失效最大拉伸載荷Fbmax計(jì)算公式為:
最大拉伸載荷試驗(yàn)研究 以目前延長(zhǎng)油田正在使用的兩生產(chǎn)廠家各一根19mm鋼制D級(jí)油井?dāng)鄺U為例,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)抽油桿在拉伸工況下,獲取拉伸條件下兩種規(guī)格抽油桿的屈服失效的最大拉伸載荷和斷裂失效時(shí)最大拉伸載荷。試驗(yàn)設(shè)備與工具:100t材料拉伸試驗(yàn)機(jī),專用桿體夾頭和數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等。將上述2種抽油桿分別在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行純拉伸加載直至斷裂,記錄全過(guò)程參數(shù),包括屈服極限、強(qiáng)度極限等。試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸至斷裂。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示,F(xiàn)smax為抽油桿屈服失效的最大拉伸載荷,F(xiàn)bmax為抽油桿斷裂失效時(shí)最大拉伸載荷。
根據(jù)圣維南定理,理論計(jì)算抽油桿所選材料的屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb,計(jì)算結(jié)果如表3所示。
井斜角較大油井
應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)抽油桿
經(jīng)試驗(yàn)表明,抽油桿樣件1、2所選材料的屈服極限和強(qiáng)度極限均符合SY/T 5029-2006行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);標(biāo)準(zhǔn)中屈強(qiáng)比為:0.611~0.742,試件1屈強(qiáng)比為0.957,試件2的屈強(qiáng)比為0.962,試件屈強(qiáng)比明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值,表明試件材料從起始塑性變形到開(kāi)始斷裂的形變?nèi)萘繙p小。
試件的屈服極限到強(qiáng)度極限的差值較小。標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度極限與屈服極限最小差值為205MPa,而試件差值為分別為38和34.5MPa,試件屈強(qiáng)差減小表明所選材料斷裂韌性減小。
隨著井身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,建議在井斜角較大的油井中,使用屈強(qiáng)比和屈強(qiáng)差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的抽油桿,以減免因抽油桿質(zhì)量而導(dǎo)致的斷桿。