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1、 浙江大学硕士学位论文抽油机井油管疲劳断裂机理和预防措施的研姓名：王宝艳申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：何闻;顾荣荣20020501 抽油机井油管疲劳断裂失效机理和预防措施的研究近年来，人庆油田抽油机油管断裂事故日益频繁，给油田造成巨人的经济损火。目前，国内外对油管断裂火效还未深入地进行研究。为此，本文针对人庆油田名抽油机井油管的正常断裂火效进行系统地实验研究和理论分析。本文首先根据疲劳火效的基本概念、运用金属断口分析技术对油管断口的宏观和微观的特征进行观察和分析，升结合油管的鹤髟睾商氐愫陀凸艿亩狭巡课唬卸橛突凸芏狭咽魊疲劳断裂火本文通过对专业生产厂家生产的和现场破断的油管进行化学成
2、分分析、机械性能测试和金相组织不是引起油管非止常疲劳断裂火效的主要原冈。本文通过对油管断口的宏观和微观形貌的深入观察与分析，获得了有关断裂火效发生和进程方面的各个信息，全面掌握了油管疲劳断裂的征象。结合油管螺纹根部的戍力状态分析，明确了引起油管使油管危险截面处的螺纹根部彩怯胁课处丁很高的应力水平；造成严重损伤，使其疲劳成疲劳裂纹，甚至“先天性”疲劳源直接扩展，结果造成远低于一般止常寿命的正常疲劳断裂失效。此外，对油管断口的裂纹源区和扩展区的腐蚀迹象进行了低倍观察，并结合能谱分析，明确了腐蚀对本文最后运州疲劳强度及寿命方面的描述和分析方法，对油管危险截面的螺纹根部的实际疲劳强度进行估算，进而对油
3、管疲劳裂纹形成和扩展的机理进行了进一步的探讨，并提出预防油管疲劳断裂的各项措施。关键词：抽油机井，油管螺纹，疲劳断裂，断口分析，火效机理，预防措施。 瑃。，瑃瑃，痶 浙江大学硕士研究生学位论文第一章绪论抽油机井油管失效情况统计秆油是国家的重要的经济命脉。我国石油产量的三分之一以上来自大庆油田。人庆油田白从年全面转为抽油机井采油以来，就逐渐出现了油管破坏和失效的情况。尤其是近几年来，油管火效的油管返一【井数表人庆各采油厂年油管失效情况 第一章从表卜可以看出，人庆油田每年由丁油管失效所造成的经济损失达诙嘣#鹉辍甞上升趋势，油管火效问题己成为人庆油田生产急待解决的突出问题。人队同收人龉的火效油管，经
4、观察发现，失效部位均在螺纹处；油管上没有发现严重的腐蚀痕迹。油通过对油田现场调研得知，破断油管的位置大部分是在油管柱的中上部。表中的数据是采油八厂第一扣处，见幽、图。第根年度油管挂短接图油管断裂图油管断口部位普通油管，在娑呐谾上扣后，在油管螺纹的小端附近区域受力最人，齿面产生较人的塑性变形，齿根处沿整个罐厚范围内己发生全面屈服；其大端受力次之，其齿面也产生了较人的塑性变形，在与接箍结合的第一扣处的螺纹根部表面产生一定屈服；油管螺纹的中部受力较小，其齿根处仍处丁的齿根处，所受的轴向拉力最人，使其成为危险截面。而油管在实际上扣时，往往是过御矩上扣，油后往往要受到附加弯矩的作，相应的齿根处的廊力水平
5、增高，从而使危险截面受拉的一面的齿根处 齿冲刷掉并冲出儿条沟槽缤糽，严重者将油管内壁也冲刺透。分析其原闪为，油管或接箍螺纹的儿何尺寸超著；油管和接箍连接时，润滑脂加注不均匀，甚至不加润滑脂，使油管和接箍螺纹的密合性不好。油管在抽油过程中由于其内部压力高于管外套压，造成原油沿泄漏处对螺纹进冲上扣以加人上扣扭矩等措施。这些措施能在一定程度上缓解油管螺纹刺坏问题。但如前所述，上扣州矩过人，将使油管螺纹危险截面的齿根处的塑性变形加大，造成不良后果。因此，戍合理控制上扣扣三油管螺纹粘扣油管螺纹粘扣原冈，是由丁油管上扣时不对中而上错扣，或没有在螺纹上涂抹润滑脂使螺纹之间干磨。油管材料硬度较低，螺纹挤压的结
6、果就会使螺纹发生粘扣浜，从外观一看就象螺纹被磨平一样。如图所示。图油管螺纹刺坏图油管螺纹粘扣从现场调研结果看侨饲觳捎鸵怀旮髦钟凸芑鹦嘈退尽甶的比例凸芏狭油管火效的比例相当人，其次是油管漏失，油管脱扣只很小的比例。冈此，油管断裂成为汕管火效的一个主要形式，也是本文土要要研究的。年度油管火效数注：比例是指油管火效数的比例。破断油管运失效的技术资料及分析在主要从人庆采油绽吹拇罅科贫嫌凸苤醒其中包括以后将要进行断口观察的堑脑诵泻褪脑甲柿狭腥氡聿芬中。 第一章新、泉型呼修复管整筒衬套衬套整筒整筒整筒整筒整筒村套衬套整筒整筒整筒整筒整筒衬套整筒衬套整筒衬套整简衬奁衬奁新皆新管新管新管甀新管新管新管新管新管
7、新管新管新管新管整筒整筒整筒衬套整筒新管新管新管 新管修复管沣：失效管于是指从鵉数第几根油管上述根破断油管的寿命分布以直方图的形式表示如图所示。从图中可以明显地看山，破所示。如果我们把油管在八年左右火效看作一般的止常火效，那么，油管在两年以内失效则为常火效。油管的止常火效问题是本文的研究课题，非常火效的油管则是本文研究的士要对象。断管荇矗趘图油管寿命分布直方图图油管寿命分布曲线图的横坐标表示破断油管在管柱中的图破断油管在管柱中的位置分布图在第根剑第根油管范嗣内破断的油管数量多数破断油管处丁油管梓的中上部，并且越往上部破断的比例越高。出现这种情况的主要原冈是：上、坑凸艹惺茉睾刹煌谟凸芨苌喜康挠凸
8、艹惺艿闹亓染苍睾衫亮讯睾删萺部矩。实测的井口数据也证明了这一点，并且越靠近井口处其弯矩越人。在油管样的恳采较忠欢壤钠贫舷窒螅庵饕R蛭T谟途闹衦部常山现狗腿度，使此处 第一章玫亩乇浠鍪玫枚杂凸芑岵说亩乇浠牵抑馢从对油管所受的载荷分析中可知，油管在，作过程中，所受的应力幅较小，因此，泵型没有决定性的影响。瞬糠制贫嫌凸艿拿庑奁诰隙蹋辉年以内。这表明，油井作业对油管扣的损伤较人。国内外有关研究的概况及本课题研究的目的意义一国内外有关研究的概况国外对抽油机井油管火效问题的报道较少，这主要是由于，同钻梓、套管相比，抽油机井油管的嚎鱿喽院靡恍渌鸹登榭霾蝗缱曛吞坠苎现亍幼柿仙峡础，国外油管火效事故多是由环境冈
9、素引起的。例如，美国一些油井含较多的琒，称含硫油井，油管发生硫化物麻力腐蚀开裂低，并要求较高的同火温度和限制冷加：序，以提高抗力。美国还有另种油升，不含琒，一共存的油井，由于低合金钢很难适于这种环境，因此研究提出高级材料纾琀哈斯儿年米，人庆学院和人庆一些采油厂合作，对抽油机井油管的，大效问题进行凋研和现场测试显示山，抽油机井油管承受多种载荷作埘，轴向拉拉疲劳断裂是主要的破坏形式。在抽油机井油管破坏方面，尤其是夫于疲劳断裂问题，现在的认识是很肤浅的，尚有许多关键问题不清楚。冈此只有从理论和实践上进行系统深入的研究，对疲劳断裂的类型、特征、规律和机理搞清之后，才有可能对抽油机井油管的破坏建立起一种
10、新的、深入的认识，从而才能提出相应的疲劳抗力指标和制定有效的预防措施，并且最后达剑比较完善地解决抽油机井油管疲劳断裂问题，人幅度降低抽油机井油管火效率的目的。近儿年抽油机井油管火效节上升趋势，造成巨人的经济损火，已成为影响油田生产的一个突山的问题，这是本课题立题的依据。造成近儿年来抽油机井油管频繁失效形势的主要是运行寿命为年的止常断裂火效，这是本课题主要的研究内容。通过深入的研究，进一步搞清抽油机井油管非止常断裂失效的性质、机理，对抽油机升油管非止常断裂失效问题形成明确的认识，进而揭示非止常断裂失效的原冈，提出相应的抗力指标及预防措施。国内外尚朱见对抽油机井油管断裂失效问题进行全面系统研究的报
11、道，本课题的研究结果将对国内处丁中后期采油的备油田具有实际的参考和借鉴作用，同时也将对涉及到的一些理论问题达剑更深的理解和认识，具有一定的学术上的意义。 浙江大学硕士研究生学位论文第二章抽油机井油管受力状态分析为了对油管断裂进行火效分析，就必须搞清油管的载荷特点和受力状态。由丁油管在井中受力状态油管受力特点分析油管在抽油过程中，主要承受如卜载荷：油管重量、井液浮力、液柱作用力、柱塞与衬套之间的昔和，液浮力为静载荷，油管重鬣是沿油管轴线向下作用的恒力井液浮力是沿油管轴线向上作的相对稳定的恒力。其余载荷均为动载荷。在抽油上冲程时，液柱不作緖谟凸苌希趓冲科时，液梓时作用方向向卜，在宄淌弊饔梅较蛳騀。
12、液柱与油管之间的磨擦力在上冲程时方向向上，在卜冲作用在油管端部的液面冲击力。在上冲程时，液面冲击力消失。由此可以看出，油管承受的载荷在方向和大小上均具有交变的特点。由于抽油过程中，油管承受动载荷，造成油管可能发生振动。油管在井中振动时，受剑一定的阻管在蹇剖敝嵯蚵榱次振荡，说明油管在抽油过程中的确会产生有阴尼振动。油管在动载荷幸跄嵴穸保渲嵯蛴R恢植欢猿蒲返慕槐渎榱贔冲程时，油管受的轴向戍力最人，为拉应力。在上冲程时，油管受的轴向应力最小，一般为拉应力；在井底部有可能为压应力。油应力 时间一个冲科中油管麻力变化曲线图井口处油管轴向应力波形图油管轴向应力波形简化曲线油井由丁钻井时井斜而存在一定的狗腿度。当油井的狗腿度较大时，会给油管造成一个附加弯矩载荷，而且由此产生的油管拉应力会增人很多。大庆轭油学院矿机教研室对此附加弯矩造成的应力做过计算。当井米处存在吠榷仁保谟凸艿闹嵯蛴。而狗腿度油管的最 侧。这说明断口整个圆周上受力不均，在裂纹源区和扩展区一侧的应力水平较高，最先耐生裂纹并发生扩展，在瞬断区一侧麻力水平较低，当裂纹扩展到这
