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1、1,抽油杆的检测Inspection of Sucker rods,中国石油管材研究所 技术监督中心 吴健,2,目 录,一、总论二、抽油杆的发展状况 三、抽油杆的结构和用途四、抽油杆的具体分类五、抽油杆柱的配套件六、抽油杆的螺纹型式 七、抽油杆及光杆的连接八、抽油杆螺纹量规的分类九、螺纹及几何尺寸的检测,3,一 总 论,从地层中开采石油的方法可分为两大类：一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为自喷采油法；另一类是由于地层本身的能量不足，必须人为地用机械设备给井内液体补充能量，才能将原油举升到地面，称为人工举升采油法或机械采油法，目前有各种各样的人工举升采油法,如下表：,4,人工举升采油法,5
2、,凡是不利用抽油杆柱传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备，凡是利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备。利用抽油杆柱旋转运动驱动的井下单螺杆抽油泵装置虽然也有抽油杆，但习惯上不列入有杆抽油设备。有杆抽油方法是应用最早也是最为广泛的一种人工举升采油法，早在石油工业问世时，就开始采用这一方法进行采油。目前，在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居于首要地位。,6,有杆抽油设备由三部分组成：地面驱动设备即抽油机，目前应用最为广泛的是游梁式抽油机；井下的抽油泵，它悬挂在油管的下端；抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵。除以上三个主要组成部分外，就有杆抽油系统而言，还应包括
3、用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱及井口装置等。,7,有关抽油机方面的技术发展与进步,近年来，除了常规型游梁式抽油机、前置型游梁式抽油机和气平衡游梁式抽油机以外，又出现了异相型游梁式抽油机。除了以上的几种游梁式抽油机以外，还有链条式抽油机、液压抽油机等新型抽油机。,8,API常规型游梁式抽油机,9,下偏杠铃系列节能游梁式抽油机,10,游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。主要特点：1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便；2、游梁选用箱式或工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大；3、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强，使用寿命长；4、驴头
4、可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一；5、刹车采用外抱式结构，配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠；6、底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。,API 游梁式抽油机,11,API常规型游梁式抽油机结构示意图,12,二 抽油杆的发展状况,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。,13
5、,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（）是美国俄亥俄州的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。,14,为了满足大泵强采、小泵深抽、稠油
6、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。,15,三 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
7、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。,16,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。,17,SY/T 5029-2006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
8、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 5029-2006 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。,注：API SPEC 11B-1998抽油杆规范第26版。SY/T 5029-2006抽油杆对11B有补充（等效采用），新增设计控制方面内容及资料性附录。,18,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
9、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。,19,四、抽油杆的具体分类,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.
10、62m和8m，API标准规定为7.62m和9.1m。,20,当今，世界上抽油杆的生产国主要是美国、俄罗斯和我国。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620794MPa。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794965MPa。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
11、杆，抗拉强度为588794MPa。,21,抽油杆一般经过镦锻、整体热处理、外螺纹滚压加工、喷丸强化、油溶性涂料防护等加工过程，以便获得一定的抗疲劳或抗腐蚀疲劳的性能。我国的抽油杆已经标准化，并规定了统一的代号为：,22,代号中未标注抽油杆长度者，是长度为8m的标准抽油杆。常用的短抽油杆有1、1.5、2.5、3.4m等。例如CYG22B，表示直径22mm、长度8m、用20CrMo合金钢制造、经调质处理的抽油杆；又如CYG25/1500C，表示直径25mm、长度1.5m、用45号碳素钢制造、经正火处理的短抽油杆。近年来，对抽油杆还采用了一些特殊的工艺方法处理，如对杆体进行金属喷漆、滚压、高频淬火、
12、用环氧树脂涂敷等，以便提高其抗腐蚀性或抗疲劳强度。,23,2：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。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0102MPa时，许用应力值超出D级抽油杆35%以上。,24,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
13、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9661136MPa；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9801176MPa。超高强度抽油杆的型号表示方法为：,如 CYG7/8HL9140，表示直径为7/8（22.2mm），长度为9140mm（30ft）HL型抽油杆。,25,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
14、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。,26,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。,27,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、
15、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。,28,29,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
16、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。,30,五、抽油杆柱的配套件,组合成抽油杆柱的配套件主要包括接箍、加重抽油杆、光杆等。1：抽油杆接箍 抽油杆接箍两端带有螺纹，可以根据需要将不同直径的 抽油杆组合起来，按结构特征分为普通接箍、异径接箍和特种接箍。普通接箍如图所示，用于连接等直径的抽油杆，其代号为：,31,型与型接箍的结构尺寸相同，型接箍外表面加工有搭扳手的凹槽
17、，型接箍外形为圆柱形。例如PJG22C-，表示抽油杆直径22mm、40号碳素钢、正火处理的普通型接箍。,32,两端螺纹直径不等的接箍为异径接箍，用于连接直径不同的抽油杆，代号为：,例如YJG19/22B-，表示连接直径为19mm和22mm的抽油杆，用20CrMo合金钢制造、经调质处理的型异径接箍。,33,2：加重抽油杆 抽油机工作时，抽油杆柱受力状态不断变化。上行时，抽油杆一般处于受拉状态。下行时，由于液流通过游动阀，向上产生流动阻力，同时还有向上的摩擦阻力。这样，就容易使抽油杆柱受力状态不同，即上部受拉，下部受压，处于受压位置的某根抽油杆可能产生过大的纵向弯曲，从而造成抽油杆柱的断裂或脱扣事
18、故。为了尽可能的减少和避免这些情况的发生，广泛采用了加重抽油杆。加重杆装在抽油泵的上方，替代若干根普通抽油杆。由于这种下部加重杆具有较大的重量和刚度，有可能避免受压状态或减少弯曲，从而使上述事故减少。,34,加重抽油杆的结构如图所示。,35,3：抽油光杆 抽油光杆是将抽油机的往复运动传递给抽油杆的重要部件，上部通过光杆卡和悬绳器与抽油机连接，下部通过光杆接箍与抽油杆连接，在抽油机的带动下在光杆密封盒内作往复运动。有的光杆体上套有光杆衬套，目的是保护光杆。光杆分为普通型和一端镦粗型两种，普通型两头螺纹直径相同。,36,六、螺纹型式,抽油杆及光杆螺纹都为每英寸10牙的圆螺纹，光杆螺纹在消失锥段上牙
19、形不完整。螺纹公差和间隙为2A-2B级。外螺纹设计牙形是UNR型，其根部为圆弧。内螺纹牙形是UN型，牙根轮廓为平底形，平根宽度（1/4 螺距）以外的牙根轮廓形状允许带圆弧。（内外螺纹挤压成形，提高连接强度，延长使用寿命）,37,七、抽油杆及光杆的连接,抽油杆内外螺纹连接图,38,光杆内外螺纹连接图,39,注：光杆有两端都为光杆外螺纹的或者其一端为光杆外螺纹，另一端（镦粗端）为抽油杆外螺纹的两种形式。（镦粗为行业标准增加，同时还有增加力学性能等要求）,光杆及抽油杆内外螺纹实物图,40,八、抽油杆螺纹量规的分类,1：量规型号（共14种）检验外螺纹用：P-1、P-2；P-3、P-4；P-5、P-6；
20、P-7、P-8；检验内螺纹用：B-1、B-2；B-3、B-4；B-5、B-6；,41,2：名称及用途检验抽油杆外螺纹用：1）P-7截短牙顶的外螺纹通端校对塞规。此规代表外螺纹允许最大中径，用于：校对与其配对的环规P-8和相应的工作环规。校验工作环规台肩的端面垂直度。检测配对环规的磨损，晃动试验。见标准附录B.6,42,P-7量规实物图,43,2）P-8外螺纹通端环规。此规与外螺纹通端塞规P-7配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹检验有争议时的仲裁。,44,P-8量规实物图,45,3)P-5截短牙形外螺纹止端校对塞规。此规代表外螺纹的允许最小中径，用于：校对与其配对的环规P-6和相应的工作环规。
21、检测配对环规的磨损，晃动试验。见标准附录B.6,46,P-5量规实物图,47,4)P-6外螺纹止端环规。此规与外螺纹止端塞规P-5配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹检验有争议时的仲裁。,48,P-6量规实物图,49,检验抽油杆内螺纹（接箍）用：1)B-1内螺纹通端环规（校验环规）。此规代表内螺纹允许最小中径。用于检验通端内螺纹塞规B-2和相应的工作塞规，也可用于检验工作塞规台肩端面的垂直度。,50,B-1量规实物图,51,2)B-2内螺纹通端塞规 内螺纹通端塞规B-2用于光杆接箍和异径接箍的检验，但不能检验其9锥度。此规与内螺纹通端环规B-1配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹检验有争议时的
22、仲裁。,52,B-2量规实物图,53,3)B-3内螺纹锥度环规（检查锥面配合性的环规）内螺纹锥度环、塞规B-3和B-4用于光杆接箍和异径接箍，不用于抽油杆接箍。此规代表内螺纹基本锥度，可作为标准量规使用，用于确定与其配对的塞规B-4和相应的工作塞规端面之间的距离。,54,B-3量规实物图,55,4)B-4内螺纹锥度塞规 内螺纹锥度塞规B-4和环规B-3用于光杆接箍和异径接箍，不用于抽油杆接箍。,56,B-4量规实物图,57,5)B-5内螺纹止端环规（校验环规）此规代表内螺纹允许最大中径。用于检验与其配对的塞规B-6和相应的工作塞规、抽油杆、光杆和异径接箍。,58,B-5量规实物图,59,6)B
23、-6内螺纹止端塞规 此规与内螺纹止端环规B-5配对。作为校对规使用时，可用于内螺纹检验有争议时的仲裁。,60,B-6量规实物图,61,检验光杆外螺纹接头用：1)P-1截短牙顶的外螺纹通端校对塞规 此规代表外螺纹允许最大中径，用于：校对与其配对的环规P-2和相应的工作环规。校验工作规台肩端面垂直度检测配对环规的磨损，晃动试验。见标准附录B.6,62,P-1量规实物图,63,2)P-2外螺纹通端环规此量规不能用于检查9锥度。此规与外螺纹塞规P-1配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹检验有争议时的仲裁。,64,P-2量规实物图,65,3)P-3外螺纹锥度塞规（检查锥面配合性的塞规）此规代表外螺纹基本
24、锥度。它可作为标准塞规使用，以确定与其配对的外螺纹锥度环规P-4与相应的工作环规端面之间的距离。（P-4作为工作规使用时与P-4校对规的对比检查）,66,P-3量规实物图,67,4)P-4外螺纹锥度环规 此规与外螺纹锥度塞规P-3配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹检验有争议时的仲裁。,68,P-4量规实物图,69,5)P-5截短牙形外螺纹止端校对塞规。此规代表外螺纹的允许最小中径，用于：校对与其配对的环规P-6和相应的工作环规。检测配对环规的磨损，晃动试验。见标准附录B.6,70,P-5量规实物图,71,4)P-6外螺纹止端环规。此规与外螺纹止端塞规P-5配对。作为校对规使用时，可用于外螺纹
25、检验有争议时的仲裁。,72,P-6量规实物图,73,注：由以上量规类型介绍我们可以看到P-5截短牙形外螺纹止端校对塞规和P-6外螺纹止端环规均可用于抽油杆和光杆的外螺纹检验。,74,对量规使用的简单总结 检验抽油杆要用到的工作量规：P-8（T）：外螺纹通端环规、P-6（Z）：外螺纹止端环规。B-2（T）：内螺纹通端塞规、B-6（Z）：内螺纹止端塞规。,75,检验光杆要用到的工作量规：P-2（T）：外螺纹通端环规、P-6（Z）：外螺纹止端环规、P-4（锥）：外螺纹锥度环规。B-2（T）：内螺纹通端塞规、B-6（Z）：内螺纹止端塞规、B-4（锥）：内螺纹锥度塞规。,76,九、螺纹及几何尺寸的检测,
26、1：外螺纹检测项目 1）螺纹中径大小（控制产品螺纹中径偏差）对于最小螺纹尺寸使用P-6止端环规旋入外螺纹不超过三周。对于最大螺纹尺寸使用P-8通端环规通过整个外螺纹接头与其台肩面接触。,77,2）外螺纹台肩面平行度使用P-8通端环规通过整个外螺纹接头与其台肩面接触后，0.051mm的塞尺在环规端面和接头台肩面之间任何一点应塞不进去。,78,3）应力槽直径DL使用游标卡尺测量应力槽直径DL应该符合标准表9的规定。4）外螺纹台肩直径Df及凸缘直径Du使用游标卡尺测量外螺纹台肩直径Df及凸缘直径Du应该符合标准表5、6的规定。,79,5）应力槽长度LR 使用游标卡尺测量应力槽长度LR应符合标准表9的
27、规定。应力槽长度LR应为台肩面到第一牙完整螺纹齿顶的轴向距离。,80,6）外螺纹长度Ls 使用深度尺测量外螺纹长度Ls应符合标准表9的规定。7）杆体直径 使用游标卡尺测量杆体直径应符合标准表5、6的规定。,81,8）杆体长度 使用钢卷尺测量杆体长度应符合标准表5、6的规定。杆体长度应为外螺纹台肩接触面至另一端外螺纹台肩面的长度。9）扳手方径宽度Ws及长度WL 使用游标卡尺测量扳手方径宽度Ws及长度WL应该符合标准表5、6的规定。,82,2：内螺纹检测项目 1）螺纹中径大小（控制产品螺纹中径偏差）对于最大螺纹尺寸使用B-6止端塞规旋入内螺纹不超过三周。对于最小螺纹尺寸使用B-2通端塞规旋入内螺纹
28、，一直到与其端面接触。,83,2）内螺纹台肩面平行度 使用B-2通端塞规旋入内螺纹与其端面接触后，0.051mm的塞尺在塞规端面和产品接触端面之间任何一点应塞不进去。,84,3）内螺纹锥度（仅为光杆接箍和异径接箍）使用B-4塞规应能旋入产品内螺纹，直到锥面接触。端面距应符合标准表14的规定。,85,4）内螺纹接头沉孔直径Q和接触面小径Dm 使用游标卡尺测量内螺纹接头沉孔直径Q和接触面小径Dm应该符合标准表11、12的规定。5）接箍外径W及长度NL 使用游标卡尺测量接箍外径W及长度NL应符合标准表8的规定。,86,6）接触面最小宽度Cf使用游标卡尺测量接箍接触面最小宽度Cf应符合标准表12的规定。7）扳手方径长度WL及扳手间距Wf使用游标卡尺测量扳手方径长度Wl及扳手间距Wf应符合标准表8的规定。,87,思 考 题：1、测量抽油杆内螺纹最大螺纹尺寸和外螺纹最小螺纹尺寸分别使用什么量规？2、抽油杆的主要失效形式有哪些？,88,谢谢！,
