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抽油杆(第二组)


抽油杆
抽油杆是抽油机井的细长杆件,它上接总杆,下接抽油泵起传递动力的作用。 抽油杆单根长度为六米,材质一般是高碳钢表面镀硬铬,在油管内用内螺纹箍一根根连 接起来一直延伸到地下油层处的活塞上,通过往复运动来泵油.目前的油井长度一般在两千 米左右,以胜利油田为例,最深的以达三千余米.

抽油杆的发展
抽油杆是有杆抽油设备的重要部件,它将抽油机

的动力传递给井下抽油泵。抽油杆柱是 由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成。 在采油过程中, 抽油杆柱承受不对称循环载荷 的作用,工作介质为井液(原油和矿层水) ,而许多抽油井的井液含有腐蚀介质。因此,抽 油杆的主要失效形式为疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。抽油杆的断脱事故会严重影响原油产量, 增加了修井费用,提高了原油成本。 抽油杆有近百年的历史。最原始的抽盐卤杆是用藤条 做的。第一个金属抽油杆专利(U.S.528168)是美国于亥俄州的 Samuel M.Jones 于 1894 年 10 月 30 日获得的。近 20 年来,国内外在抽油杆的制造方面采用了许多新材料、新设备、 新技术和新工艺,如采用多元素合金钢、玻璃钢;采用中频感应透热设备加热及自动化平锻 机进行锻造, 采用中频感应加热淬火装置及红外光导智能测温仪器, 抽油杆头部不旋转加工 生产线,接箍自动生产线;以及先进的锻模设计技术,抽油杆外螺纹滚压工艺,接箍内螺纹 半切削半挤压工艺,摩擦焊接工艺,喷丸强化工艺,表面感应淬火工艺等,大大提高了抽油 杆的制造水平和产品质量。 为了满足大泵强采、小泵深抽、稠油井、高含腊井、腐蚀井和 斜井采油的需要,国内外开发了许多特种抽油杆,如超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心 抽油杆、KD 级抽油杆、连续抽油杆、电热抽油杆、钢丝绳抽油杆和铝合金抽油杆等,并研 究了许多抽油杆柱的配套件,如长冲程高强度光杆、无牙光杆卡子、旋杆器、减震器、石墨 可调心光杆密封盒、滚轮接箍、扶正器、刮蜡器、加重杆、防脱器、脱接器、磁防蜡器和泵 空控制器等,进一步提高了抽油杆的使用寿命和应用范围。

抽油杆的结构和用途
抽油杆是有杆抽油设备的重要部件。抽油杆通过接箍连接成抽油杆柱,上经光杆连接 抽油机, 下接抽油泵的柱塞, 其作用是将地面抽油机驴头悬点的往复运动传递给井下抽油泵。 抽油杆螺纹失效常常表现为螺纹的拉坏。但由于现代 API 抽油杆的螺纹的下部凹陷设 计以及制造螺纹时采用滚压代替车削,此类问题的出现已大为减少。 普通抽油杆及其杆头结构如下图所示。 其杆体是实心圆形断面的钢杆, 两端为镦粗的杆 头。杆头由外螺纹接头、卸荷槽(应力分散槽) 、推承面台肩、扳手方径、凸缘和圆弧过渡 区组成。外螺纹接头用来与接箍相连接,扳手方颈用来装卸抽油杆接头时卡抽油杆钳用。

SY/T 5029-2005《抽油杆》规定,抽油杆的杆体直径分别为: 12.7(1/2in) ,15.9mm(5/8in), 19.1mm(3/4in); 22.2mm(7/8in); 25.4mm(1in); 28.6mm(1 1/8in) 。 抽油杆的长度一般为 8000mm 或 7620mm。 为了调节抽油杆柱的长度, 还有长度为 410, 610,910,1220,1830,2440,3050,3660mm 的短抽油杆。 API SPEC 11B《抽油杆》和 SY/T 5029-2005 将普通抽油杆分为 C 级、D 级和 K 级三个等级。C 级抽油杆用于轻、中负荷的油井,D 级抽油杆用于中、重负荷的油井,K 级 抽油杆用于轻、中负荷并有腐蚀性的油井。 C 级、D 级和 K 级抽油杆分别采用碳钢或锰钢,碳钢或合金钢,镍钼合金钢,一般经 镦粗、整体热处理、外螺纹滚压加工、喷丸强化、油溶性涂料防护等工序,使其获得一定的 抗疲劳或抗腐蚀疲劳性能。 为了满足高含水、高粘度、高凝固点、高含蜡抽油井、腐蚀井,深井和斜井原油开采 的需要,近 20 多年来国内外研制了许多结构、材料、用途与普通抽油杆不同的特种抽油杆, 如超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆和连续抽油杆等。

抽油杆的分类
1:常规型抽油杆 常规型抽油杆是一种具有圆形断面、 两头镦粗的金属杆件, 镦粗部分有联结螺纹和卡扣

扳手用的方形断面。抽油杆体直径有 13、16、19、22、25 和 29mm(即 1/2、5/8、3/4、7/8、 1 和 1 1/2in)6 种,长度一般为 7.62m 和 8m,API 标准规定为 7.62m 和 9.1m。

世界上抽油杆的生产国主要是美国、俄罗斯和中国。美国生产抽油杆历史最长,品种 多而且质量好,许多国家都按 API 标准生产抽油杆。按照国标和 API 标准的规定,常规型 抽油杆可分为: C 级抽油杆——主要用于轻、中负荷无腐蚀或缓蚀油井抽油,材料为碳钢或锰钢,如 C-Mn 系钢抽油杆,抗拉强度为 620~794MPa。 D 级抽油杆——主要用于中、重负荷含硫油井抽油,材料为碳钢或合金钢,如 Cr-Mo 系钢抽油杆,抗拉强度达 794~965MPa。 K 级抽油杆——主要用于轻、 中负荷中等腐蚀或 缓蚀油井, 尤其是低硫腐蚀油井抽油, 材料为镍钼合金钢,如 Ni-C-Mo 或 Ni-Cr 系钢抽油杆,抗拉强度为 588~794MPa。 2:特种抽油杆 随着石油的开发与发展,除现有批量生产的 C、D、K 级钢质实心常规抽油杆之外, 又发展了一些新型抽油杆,其中主要是超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆和连续 抽油杆等,统称为特种抽油杆。目的是适应不断增长的工作载荷、环境腐蚀和特殊工况的需 要,使之在深井、斜井和定向井、稠油井及严重腐蚀性等油井中实现抽油。 ①超高强度抽油杆 与 D 级抽油杆相比,这种抽油杆是一个新的强度等级,性能指标更高,具有更高的承 载能力,最小应力为 0~102MPa 时,许用应力值超出 D 级抽油杆 35%以上。 我国超高强度抽油杆有两种类型: 通过选用适当的材料, 将性能提高到超级强度等级的 抽油杆,为材料型超高强度抽油杆,代号为 HL,抗拉强度达 966~1136MPa;采用表面淬 火工艺,经性能提高到超级强度等级的抽油杆,为工艺型超高强度抽油杆,代号为 HY,抗 拉强度达 980~1176MPa。 ②玻璃钢抽油杆 用玻璃钢代替钢材制造的抽油杆,其主要优点是重量轻、耐腐蚀性强,主要缺点是不 能承受轴向压缩载荷,使用温度一般不得超过 163℃。这种抽油杆的头部(即连接部分)采 用钢锻件;而杆体用玻璃钢纤维无捻粗纱作增强材料,用树脂作机体,以拉挤方法成型;钢 接头用 AISI4620 钢加工而成, 通过特殊的粘接工艺, 用环氧树脂将接头和杆体粘结为一体。 玻璃钢抽油杆及其接头的结构 如下图所示。

另一种是心部采用钢丝或钢丝绳、外包玻璃钢的所谓钢芯玻璃钢抽油杆。 玻璃钢抽油杆以杆身直径、最高工作温度和端部接头的级别表示,如 7/8″-93℃-A,表 示杆身直径为 7/8in,最高工作温度为 93℃,端部接头级别为 A 的抽油杆。 ③空心抽油杆 空心抽油杆的主要特点是:其内孔可以输油,油液在较高的流速下通过,提高了携带 砂粒和机械杂质的能力; 可以降低光杆最大载荷, 减少修井次数; 利用内孔向井底注入热油、 热水或蒸汽,用以降粘和清蜡等。故空心抽油杆特别适用于稠油井、含砂井和需要连续注入 介质的抽油井。我国油田有多种空心抽油杆获得应用,其中一种是外径为 36mm,内孔为 25mm,接头和杆体采用摩擦焊接,接箍外径与杆体外径相同,采用 35CrMo 钢经调质处理, 机械性能可达 D 级抽油杆水平。另一种是整体式,两端镦锻成形,一端为外螺纹接头,一 端为内螺纹接头,组成抽油杆时不需要接箍,其结构如下图所示。

除了上述特种抽油杆外,还有连续抽油杆、柔性抽油杆、电热抽油杆、铝合金抽油杆、 喷涂不锈钢抽油杆等,它们各自具有不同的用途和特点。其中,由石墨复合材料等制成的连 续“带杆”具有高的弹性模量和用来抽油时所需的足够刚度,还有很大的扰性,可以绕到一 个卷筒上。将卷筒置于井口上方,将抽油泵和若干加重杆联结于“带杆”的端部,然后下放

到油管中的预定深度,再将“带杆”的上端固定到光杆上,就可以实现抽油。连续型“带杆” 不用接头、重量轻、运输方便、抗腐蚀,是比较理想的一种抽油杆。 此外,还有 KD 级抽油杆,既具有 D 级抽油杆的强度,又具有 K 级抽油杆耐腐蚀性能。

API 标准中抽油杆的分级与强度有求

材料的选择
根据 API 标准,选用 D 级抽油杆,所选材料为合金钢-----40Cr。

热处理工艺
4 0 Cr 热处理工艺特性介绍 1 预备热处理 调质钢经热加工后 ,必须经过预备热处理来降低硬度 , 便于切削加工,消除热加工时造 成的组织缺陷细化晶粒,改善组织 ,为最终热处理做好准备。对于 4 0 Cr 钢而言 ,可进行 正火或退火处理。 2 最终热处理 调质钢 的最终热处理是淬火加高温回火。一般 可以采用较慢 的冷却速度淬火,可以用油 淬以避免热处理缺陷。当强度较高时,采用较低的回火温度,反之选用较高的回火温度 。 4 0 Cr 热处理 工 艺的 制定 按上述知识 ,对 4 0 Cr 钢分别采用退火、正火、淬 火、不同的回火温度情况下的热处理 , 测定不同情况下试样的硬度与冲击韧性值。 3. 1 退火工艺的制定 加热温度: + ( 3 O ~5 0 ) ,由此确定加热温度为 8 5 0 C;保温时间 : 1 2 0 mi n; 冷却方式 :随炉冷却。 3 .2 正火工艺的制定 加热温度 : Ac + ( 3 0 ~5 0 )C,由此确定加热温度为 8 5 0 C;保温时间:1 2 0 mi n; 冷却方式:空冷。 3 . 3 淬火工艺的制定 加热温度:A 。 + ( 30 ~ 5 0 )C, 由此确定加热温度为 8 5 0 C; 保温时间 : 8 0 mi n;冷却方式 :油冷。 3 . 4 回火工艺的制定 3 . 4 . 1 低温回火 亚共析钢的 低温回火温度为 1 5 0 C~300 C, 但钢材的第一类回火 脆性温度在 2 5 0 C~4 0 0 C,由于 4 0 Cr 中含有硅 、锰、铬等合金元素,第一类回火脆性温度将有 所增以选用低温回火温度为 2 4 0 C;保温时间为 6 0 min,用 空冷 。 3 . 4 . 2 中温回火 中温 回火 温度 为 3 5 0 C~5 0 0 C, 用 温 度 为 4 6 0 C; 选 保温时间为 5 0 mi n;空冷。 3 . 4 . 3 高温回火 ( 调质处理) 高温回火温 度为 5 0 0 C~6 5 0 C,可选用加热温度为 6 2 0 C;保温 时 间为 6 0 mi n;空冷 。



硬度测量

1. 洛氏硬度主要应用于金属材料热处理后的性能检测,所以对调质处理后的 4 0 Cr 的硬度

测定我们选用洛氏硬度。 洛氏硬度的压痕较小,可测量较高硬度,可直接读数,操作方便,效率高。

由上表,我们选用 HRC 经行测量。 2. 洛氏硬度的测量步骤 ① 有上表选择压头及载荷; ② 根据试件大小和形状选择载物台; ③ 将试件上下面磨平,然后置于载物台上; ④ 加预加载和。按顺时针方向转动升降百分表上小针移动至小红点为止; ⑤ 调整读数表盘,使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。 ⑥ 加主载荷; ⑦ 卸除主载荷; ⑧ 读数。表盘上长针指示的数字为硬度值; ⑨ 下降载物台,取出试样; ⑩ 用同样的方法在试件的不同位置测量三个数据,取其算是平均值为试件的硬度值。

材料 第一次测量
4 0 Cr 调质处

硬度值(HRC) 第二次测量 第三次测量 算术平均值



做拉伸试验,测量材料的屈服强度及抗拉强度,以及断面收缩率和断后伸长率,分析强度与 硬度的关系。



金相观察

步骤: 1. 制备试样 2. 磨光试样 3. 机械抛光 4. 用硝酸酒精侵蚀,使组织显露。 5. 在金相显微镜下观察,并照相。


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