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【摘要】随着油田的开发，油井抽油杆断脱现象普遍，通过分析抽油杆受力、井筒状况、操作等方面，找出抽油杆断脱的主要原因，在此基础上，将抽油杆防断脱、防偏磨性能集于一身，总结出适用于生产的新型抽油杆防脱器的结构和工作原理，为后期油井的开发提供帮助。
【关键词】抗磨防脱器 结构原理 试验研究
抽油杆断脱现象在油田开发后期比较频繁，这将增加作业成本，降低企业经济效益。特别是在稠油开发中，抽油杆断脱更加普遍。如何针对性预防抽油杆断脱，已成为提高生产井免修期和经济效益急需解决的问题。从抽油杆断脱原因着手，探索出一种新型的抗磨防脱器，从而解决抽油杆轴向扭矩倒扣和偏磨的问题，对油井治理断脱提供新的可行性措施。
1 原因分析
1.1 受力分析
1.1.1？交变载荷
抽油杆在工作过程中，承受的载荷包括：抽油杆柱、液柱载荷；抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷；抽油杆柱在运动中的摩擦阻力；抽油管柱和油管柱的弹性引起的振动载荷；由液击引起的冲击载荷；由井斜变化、螺纹不同心、悬绳器摆动等因素造成的扭力等七方面的力。抽油杆在交变载荷下做周期性的往复运动；上冲程中受力大，下冲程中受力小。抽油杆在交变载荷作用下做周期性往复运动，不是在最大拉应力下破坏，而是由于疲劳发生破坏。
抽油杆柱承受的载荷随深度而变化，在下冲程时，抽油杆柱除承受在液柱中的重力外，还受液击力、惯性力、摩擦力等动载综合阻力，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一个既不受拉又不受压的中和点，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力。根据理论力学计算，当抽油杆柱下行遇阻达到某一临界值时，抽油杆将失稳，此中和点位置长度L和压应力P可表示为：
式中：EJ为抽油杆刚度，N/m2；q为抽油杆在液柱中的重量，N/m。
通过上式可计算抽油杆的临界载荷，一般情况在下行时，若综合阻力大于下冲程的临载荷时，抽油杆会发生多次弯曲变型，甚至产生塑性变性，导致抽油杆断脱。
1.1.2？机械磨损
由于井斜，使油管产生弯曲，在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力或综合重力产生了一个水平分力。在水平分力的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦，偏磨位置一般在造斜点以下200米左右。上冲程时，使抽油杆与油管内壁的一侧产生磨损，下冲程时，抽油杆弯曲与油管内壁的另一侧面产生摩损。弯曲度越大，磨损越严重，不仅抽油杆接箍与油管内壁产生磨损，而且抽油杆本体也与油管内壁产生磨损。另外，随泵径加大，泵深增加，中和点以下长度在杆柱全长中所占比例增加，相应地杆柱弯曲越严重，磨损也越严重。
1.2 油井井筒状况
1.2.1？含水升高影响
当杆与管相接触发生滑动摩擦时，磨损速度与它们之间的润滑状态有关，而水的摩擦系数远远大于油的摩擦系数，含水升高增加摩擦阻力，另外通过计算发现，含水升高，抽油杆下行时，使抽油杆的中和点下移，加剧抽油杆弯曲。
1.2.2？硫化氢影响
含硫油田中与油水共生的水往往含有硫化氢，碳钢的阳极产物铁离子与水中硫离子相结合生产硫化铁。硫化铁的溶度积很小，是一类难溶沉淀物，它常以黑色粉末或垢的形式附着在油杆表面。含H2S的水对金属材料的腐蚀破坏还有两种类型：一是氢脆，电化学腐蚀产生的氢渗入钢材内部，使材料韧性变差，引起微裂缝，使钢材变脆。二是硫化物应力腐蚀，在拉应力和残余应力作用下钢材氢脆裂纹发展，致使钢材破裂。
2 结构原理及参数
2.1 结构原理
该抗磨防脱器主要由：上变径、球头连杆、扶正器、球帽、下变径等零部件组成（图1）。考虑井斜和抽油杆弯曲造成轴向扭矩引起杆柱倒扣，采用万向机构，借鉴万向节的工作原理，在工作中球可以在受到扭力时自身产生转动把每个方向的轴向扭矩释放，不会造成杆柱的旋转。另外，万向节机构可以实现杆柱小于8°的弯曲，这样在井斜小于8°的井段，杆柱就因为自身的弯曲，而不产生轴向力。防偏磨设计借鉴以往扶正器的原理，在球头连杆外加上防偏磨扶正器，选择非金属高耐温抗磨材料做抗磨体，与其他特种工程塑料对比，具有优异的技术性能。另外，在非金属抗磨体上部设置了金属防磨套，其外径大于抽油杆接箍直径，表面采用先进的超音速喷涂工艺，凸显出其优异的减阻、抗磨特性。该结构作为抗磨体的辅助结构，在大井斜井上应用，保证扶正器整体的产品使用性能，同时避免对油管内壁的磨损伤害。
2.2 材料性能要求
首先选用高耐温性能的抗磨材料，美国UC认可的长期使用温度为260℃，设计的抗磨材料必须具有高耐温的特性，熔点与热变形温度要达到300℃以上。其次抗磨材料还应具有耐磨与滑动性，磨擦系数要大大低于四氟、钢等材质，硬度要远大于四氟，但要小于钢。第三，此种抗磨材料需具有耐腐蚀性与水解性。
2.3 主要技术参数（表1）
3 结论
创新设计了抽油杆抗磨防脱器的结构，该技术有效解决由于井斜和抽油杆弯曲造成轴向扭矩引起杆柱倒扣的问题，并具有抗偏磨扶正器功能，减少由于偏磨对管、杆造成的损害。抽油杆防断脱应采用综合防治方法和科学的管理制度，该抗磨防脱器应配合抽油杆柱优化设计安装在合适位置。
参考文献
[1] 罗英俊，万仁溥.采油技术手册[M].北京：石油工业出版社，2005，120-158
[2] 张琪.采油工程原理与设计[M].北京：石油工业出版社，2003，132-150
[3] 万仁溥.采油工程手册（上册）[M].北京：石油工业出版社，2000：568-590
【关键词】抗磨防脱器 结构原理 试验研究
抽油杆断脱现象在油田开发后期比较频繁，这将增加作业成本，降低企业经济效益。特别是在稠油开发中，抽油杆断脱更加普遍。如何针对性预防抽油杆断脱，已成为提高生产井免修期和经济效益急需解决的问题。从抽油杆断脱原因着手，探索出一种新型的抗磨防脱器，从而解决抽油杆轴向扭矩倒扣和偏磨的问题，对油井治理断脱提供新的可行性措施。
1 原因分析
1.1 受力分析
1.1.1？交变载荷
抽油杆在工作过程中，承受的载荷包括：抽油杆柱、液柱载荷；抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷；抽油杆柱在运动中的摩擦阻力；抽油管柱和油管柱的弹性引起的振动载荷；由液击引起的冲击载荷；由井斜变化、螺纹不同心、悬绳器摆动等因素造成的扭力等七方面的力。抽油杆在交变载荷下做周期性的往复运动；上冲程中受力大，下冲程中受力小。抽油杆在交变载荷作用下做周期性往复运动，不是在最大拉应力下破坏，而是由于疲劳发生破坏。
抽油杆柱承受的载荷随深度而变化，在下冲程时，抽油杆柱除承受在液柱中的重力外，还受液击力、惯性力、摩擦力等动载综合阻力，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一个既不受拉又不受压的中和点，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力。根据理论力学计算，当抽油杆柱下行遇阻达到某一临界值时，抽油杆将失稳，此中和点位置长度L和压应力P可表示为：
式中：EJ为抽油杆刚度，N/m2；q为抽油杆在液柱中的重量，N/m。
通过上式可计算抽油杆的临界载荷，一般情况在下行时，若综合阻力大于下冲程的临载荷时，抽油杆会发生多次弯曲变型，甚至产生塑性变性，导致抽油杆断脱。
1.1.2？机械磨损
由于井斜，使油管产生弯曲，在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力或综合重力产生了一个水平分力。在水平分力的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦，偏磨位置一般在造斜点以下200米左右。上冲程时，使抽油杆与油管内壁的一侧产生磨损，下冲程时，抽油杆弯曲与油管内壁的另一侧面产生摩损。弯曲度越大，磨损越严重，不仅抽油杆接箍与油管内壁产生磨损，而且抽油杆本体也与油管内壁产生磨损。另外，随泵径加大，泵深增加，中和点以下长度在杆柱全长中所占比例增加，相应地杆柱弯曲越严重，磨损也越严重。
1.2 油井井筒状况
1.2.1？含水升高影响
当杆与管相接触发生滑动摩擦时，磨损速度与它们之间的润滑状态有关，而水的摩擦系数远远大于油的摩擦系数，含水升高增加摩擦阻力，另外通过计算发现，含水升高，抽油杆下行时，使抽油杆的中和点下移，加剧抽油杆弯曲。
1.2.2？硫化氢影响
含硫油田中与油水共生的水往往含有硫化氢，碳钢的阳极产物铁离子与水中硫离子相结合生产硫化铁。硫化铁的溶度积很小，是一类难溶沉淀物，它常以黑色粉末或垢的形式附着在油杆表面。含H2S的水对金属材料的腐蚀破坏还有两种类型：一是氢脆，电化学腐蚀产生的氢渗入钢材内部，使材料韧性变差，引起微裂缝，使钢材变脆。二是硫化物应力腐蚀，在拉应力和残余应力作用下钢材氢脆裂纹发展，致使钢材破裂。
2 结构原理及参数
2.1 结构原理
该抗磨防脱器主要由：上变径、球头连杆、扶正器、球帽、下变径等零部件组成（图1）。考虑井斜和抽油杆弯曲造成轴向扭矩引起杆柱倒扣，采用万向机构，借鉴万向节的工作原理，在工作中球可以在受到扭力时自身产生转动把每个方向的轴向扭矩释放，不会造成杆柱的旋转。另外，万向节机构可以实现杆柱小于8°的弯曲，这样在井斜小于8°的井段，杆柱就因为自身的弯曲，而不产生轴向力。防偏磨设计借鉴以往扶正器的原理，在球头连杆外加上防偏磨扶正器，选择非金属高耐温抗磨材料做抗磨体，与其他特种工程塑料对比，具有优异的技术性能。另外，在非金属抗磨体上部设置了金属防磨套，其外径大于抽油杆接箍直径，表面采用先进的超音速喷涂工艺，凸显出其优异的减阻、抗磨特性。该结构作为抗磨体的辅助结构，在大井斜井上应用，保证扶正器整体的产品使用性能，同时避免对油管内壁的磨损伤害。
2.2 材料性能要求
首先选用高耐温性能的抗磨材料，美国UC认可的长期使用温度为260℃，设计的抗磨材料必须具有高耐温的特性，熔点与热变形温度要达到300℃以上。其次抗磨材料还应具有耐磨与滑动性，磨擦系数要大大低于四氟、钢等材质，硬度要远大于四氟，但要小于钢。第三，此种抗磨材料需具有耐腐蚀性与水解性。
2.3 主要技术参数（表1）
3 结论
创新设计了抽油杆抗磨防脱器的结构，该技术有效解决由于井斜和抽油杆弯曲造成轴向扭矩引起杆柱倒扣的问题，并具有抗偏磨扶正器功能，减少由于偏磨对管、杆造成的损害。抽油杆防断脱应采用综合防治方法和科学的管理制度，该抗磨防脱器应配合抽油杆柱优化设计安装在合适位置。
参考文献
[1] 罗英俊，万仁溥.采油技术手册[M].北京：石油工业出版社，2005，120-158
[2] 张琪.采油工程原理与设计[M].北京：石油工业出版社，2003，132-150
[3] 万仁溥.采油工程手册（上册）[M].北京：石油工业出版社，2000：568-590