（一）疲劳破坏
1、抽油杆工作条件
抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷的作用，上部光杆承受的载荷包括：抽油杆柱的载荷，液柱载荷，抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷，抽油杆柱在运动中受的摩擦阻力，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。而抽油杆柱承受的载荷随深度有所变化，如抽油杆柱载荷越往下越小，加上下部抽油杆柱所承受的上顶力的作用，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力，迫使抽油杆弯曲，增大了扭力和摩擦力，使得下部抽油杆工作条件更加恶劣。因此，抽油杆柱承受的不是简单的不对称循环载荷，而实际上中和点以下的抽油杆承受的是不对称拉压循环载荷，加上抽油杆柱本身未加工面积达85%以上，不可避免地会有疲劳源存在，从而产生疲劳断裂。
2、抽油杆强度分析
现代抽油杆强度计算都采用了无限寿命疲劳设计，即把抽油杆的许用应力控制在疲劳极限以下，以保证抽油杆工作循环次数大于107次，一般应用最大拉应力与许用应力比较来校核强度。
使用史洛尼杰尔和美尔斯公式：
Pmax=（P 杆+P液）×（1+SN2/1790）
=[qrgL+（Ap-Ar ）Lgρ] ×（1+SN2/1790）
Pmin=1-SN2/1790
应力校核：
根据美国API 抽油杆设计方法
δ大=Pmax/ Ar
δ大≤[δ当]（胜利油田采油处《有杆泵采油工艺》，译自美国API 有杆抽油泵工作参数计算方法，P154）
[δ当]：厂家铭牌许用应力，13kg/mm2
其中：qr ：单位油杆质量，kg/m； L ：泵深，m ； Ap ：柱塞面积，m2； Ar ：油杆截面积，m2； ρ：流体密度； S ：冲程； N ：冲数
3、负荷变化引起的疲劳破坏分析
光杆负荷在上下冲程中是不相同的，在保证产量的前提下，长冲程和小冲次可以使负荷变化最小，负荷的变化主要与光杆的冲程和抽油机悬点负荷有关。由于泵阀的作用，上冲程时抽油杆承受着液柱重量，下冲程时液柱的重量便作用在油管上，因此，上冲程开始时，举升的液柱重量会使抽油杆的负荷发生突然变化，冲次愈高负荷愈大，这种负荷的突变愈强烈。
由于负荷反复变化的冲击，疲劳破坏是抽油杆所有损坏形式的基本特点，疲劳破坏往往是由于弹性极限的交变压力造成的，弹性极限是不使金属产生永久变形的最大负荷。抽油杆因反复拉伸作用而产生裂纹，则属于应力疲劳破坏。
疲劳破坏的抽油杆外观很特殊，其断面平滑，无缩径，与轴线垂直，疲劳裂纹开始产生于表面应力高度集中的部位，随着运行次数的增加，逐渐向径向方向扩展，承载面积逐渐缩小，应力随之逐渐增大，从而又促使裂纹扩展，当剩下的截面积小到不足以承载时，就会突然被拉断。
（二）抽油杆机械磨损
1、直井下冲程抽油杆底部受压弯曲致使杆管偏磨
直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时，抽油杆带着柱塞下行，固定阀关闭，排出阀打开，液柱作用在油管上，使油管伸直。而抽油杆柱承受在液柱中的重力P 杆，杆柱与液体之间的摩擦力P 磨，衬套与柱塞间的半干摩擦力P 摩干，采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力P 阀，由于P 杆、P
磨沿油杆柱均匀分布，对杆柱弯曲变形影响不大，引起杆柱发生纵向弯曲的载荷主要为P 摩干、P 阀，其计算公式分别为：
； ；
式中：ηk：抽油泵柱塞上游动阀的数目，个； γ液：采出液体的重度，N/m3； L ：抽油杆柱的中和点以下的长度，m ； do ：抽油杆柱直径，mm ；
γ：抽油杆柱重度，N/m3； f 油：油管内液柱作用在柱塞上的液体压力，N/m2；
下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间，由于泵内液体及泵筒内壁对活塞的阻力，加之以上力的作用，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一既不受拉又不受压的中和点，中和点以下，杆柱受压失稳弯曲，弯曲的杆柱与油管内壁接触，相对运动造成杆管磨损如图1。
通过计算发现，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。现场发现下行磨损均有且较严重，说明下行杆柱受压弯曲是偏磨的主要原因。
2、井斜引起的机械磨损
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F 或综合重力W 产生了一个水平分力Fx 。在水平分力Fx （正压力）的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦（如图2、图3所示）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。
正压力由下式表示：
上行程Fx=FSinθ；
下行程Fx=WSinθ
抽油杆
套管
油管
FX
θ
W1
抽油杆
套管
油管
油层
地层
F
θ
FX
抽油杆
油管
套管
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。
油层
地层
泵
泵
泵
油层
地层
图2 斜井管杆上冲程偏磨示意图
图3 斜井管杆下冲程偏磨示意图
图1 直井抽油杆下冲程弯曲示意图
3、含水升高，杆管磨损加剧
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，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。
（三）抽油杆腐蚀破坏
绝大多数油井，在开发中后期产出液都会含水，而产出水中又含有各种腐蚀介质，如CO32-、HCO3-、SO42-，腐蚀性微生物等，伴生气中也会有CO2 、H2S 等腐蚀气体，由于存在这些腐蚀介质，加上抽油杆承受的是不对称循环载荷，所以腐蚀损坏便成为油杆断裂的又一主要原因。究其腐蚀原因主要有：
1、CO2的影响
地层水中含有大量的CO2，它是由地球的地质化学过程产生的，当水中有游离的CO2存在时，水呈酸性反应，即CO2 +H2O=H++HCO3- ，由于水中H+离子的量增多，就会产生氢去极化腐蚀，所以游离的CO2 腐蚀，从腐蚀电化学的观点看，就是含有酸性物质而引起的氢去极化腐蚀。此时腐蚀过程的阴极反应为 2 H+ +2e→H2 。CO2溶于水呈弱酸性，因为弱酸只有一部分电离，所以随着腐蚀过程的进行，消耗掉的氢离子会被弱酸的继续电离所补充。阳极反应：Fe→Fe2++2e 。钢材受游离CO2腐蚀而生成的腐蚀产物都是易溶的，在金属表面不易形成保护膜。CO2腐蚀坑通常是圆底，侧面很陡，连成一片，产生虫蛀效应。
2、H2S 的影响
含硫油田中与油水共生的水往往含有硫化氢，碳钢在含有硫化氢的水溶液中含引起氢的去极化腐蚀，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，
反应式为：H2S→H++HS-
HS-→H++S2-
Fe2++S2-→FeS
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。以上两种腐蚀可能在没有任何征兆的情况下，在短时间突然发生，这应是预防的重点。
H2S 腐蚀坑是随机排列的，呈圆锥形，侧面较陡，坑的边缘圆滑，坑之间不相连，腐蚀物呈黑色，较粘，有硫化氢味。
3、硫酸盐还原菌的影响
陇东油田白恶系洛河层产水量大，呈Na2SO4水型，水温4℃左右，厌氧，总矿化度2000-3000mg/l，据测定，除含有大量的SO42-和少量的CO2、H2S 、Cl- 外，含硫酸盐还原菌（SBR ）101-102个/ml。洛河水进入井筒后，在SBR 的作用下，将SO42-还原成S2-，起到阴极去极化作用而使油杆腐蚀。
总反应式：4Fe+SO42-+4H2O→FeS+3Fe（OH ）2+2OH-
从总反应式可知，在硫酸还原菌的作用下，1摩尔分子的SO42-能腐蚀4mol 分子的铁，FeS 和Fe （OH ）2的比例是1：3，另外，在SBR 的作用下，还可产生硫化物，加快了反应速度，反应式为：
Na2SO4+4H2→Na2S+H2O
Na2S+H2CO3→2NaHCO3+H2S
Fe+H2S→FeS+H2
因SBR 引起的油杆腐蚀，一旦依附于疏松垢层，腐蚀产物以及杂质等沉积物，腐蚀就集中在这一点进行，最后形成凹口，油杆因应力集中在此断裂。
（一）疲劳破坏
1、抽油杆工作条件
抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷的作用，上部光杆承受的载荷包括：抽油杆柱的载荷，液柱载荷，抽油杆柱、油管柱和液柱的惯性载荷，抽油杆柱在运动中受的摩擦阻力，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。而抽油杆柱承受的载荷随深度有所变化，如抽油杆柱载荷越往下越小，加上下部抽油杆柱所承受的上顶力的作用，在中和点以下抽油杆柱由承受张应力变成压应力，迫使抽油杆弯曲，增大了扭力和摩擦力，使得下部抽油杆工作条件更加恶劣。因此，抽油杆柱承受的不是简单的不对称循环载荷，而实际上中和点以下的抽油杆承受的是不对称拉压循环载荷，加上抽油杆柱本身未加工面积达85%以上，不可避免地会有疲劳源存在，从而产生疲劳断裂。
2、抽油杆强度分析
现代抽油杆强度计算都采用了无限寿命疲劳设计，即把抽油杆的许用应力控制在疲劳极限以下，以保证抽油杆工作循环次数大于107次，一般应用最大拉应力与许用应力比较来校核强度。
使用史洛尼杰尔和美尔斯公式：
Pmax=（P 杆+P液）×（1+SN2/1790）
=[qrgL+（Ap-Ar ）Lgρ] ×（1+SN2/1790）
Pmin=1-SN2/1790
应力校核：
根据美国API 抽油杆设计方法
δ大=Pmax/ Ar
δ大≤[δ当]（胜利油田采油处《有杆泵采油工艺》，译自美国API 有杆抽油泵工作参数计算方法，P154）
[δ当]：厂家铭牌许用应力，13kg/mm2
其中：qr ：单位油杆质量，kg/m； L ：泵深，m ； Ap ：柱塞面积，m2； Ar ：油杆截面积，m2； ρ：流体密度； S ：冲程； N ：冲数
3、负荷变化引起的疲劳破坏分析
光杆负荷在上下冲程中是不相同的，在保证产量的前提下，长冲程和小冲次可以使负荷变化最小，负荷的变化主要与光杆的冲程和抽油机悬点负荷有关。由于泵阀的作用，上冲程时抽油杆承受着液柱重量，下冲程时液柱的重量便作用在油管上，因此，上冲程开始时，举升的液柱重量会使抽油杆的负荷发生突然变化，冲次愈高负荷愈大，这种负荷的突变愈强烈。
由于负荷反复变化的冲击，疲劳破坏是抽油杆所有损坏形式的基本特点，疲劳破坏往往是由于弹性极限的交变压力造成的，弹性极限是不使金属产生永久变形的最大负荷。抽油杆因反复拉伸作用而产生裂纹，则属于应力疲劳破坏。
疲劳破坏的抽油杆外观很特殊，其断面平滑，无缩径，与轴线垂直，疲劳裂纹开始产生于表面应力高度集中的部位，随着运行次数的增加，逐渐向径向方向扩展，承载面积逐渐缩小，应力随之逐渐增大，从而又促使裂纹扩展，当剩下的截面积小到不足以承载时，就会突然被拉断。
（二）抽油杆机械磨损
1、直井下冲程抽油杆底部受压弯曲致使杆管偏磨
直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时，抽油杆带着柱塞下行，固定阀关闭，排出阀打开，液柱作用在油管上，使油管伸直。而抽油杆柱承受在液柱中的重力P 杆，杆柱与液体之间的摩擦力P 磨，衬套与柱塞间的半干摩擦力P 摩干，采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力P 阀，由于P 杆、P
磨沿油杆柱均匀分布，对杆柱弯曲变形影响不大，引起杆柱发生纵向弯曲的载荷主要为P 摩干、P 阀，其计算公式分别为：
； ；
式中：ηk：抽油泵柱塞上游动阀的数目，个； γ液：采出液体的重度，N/m3； L ：抽油杆柱的中和点以下的长度，m ； do ：抽油杆柱直径，mm ；
γ：抽油杆柱重度，N/m3； f 油：油管内液柱作用在柱塞上的液体压力，N/m2；
下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间，由于泵内液体及泵筒内壁对活塞的阻力，加之以上力的作用，导致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在一既不受拉又不受压的中和点，中和点以下，杆柱受压失稳弯曲，弯曲的杆柱与油管内壁接触，相对运动造成杆管磨损如图1。
通过计算发现，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。现场发现下行磨损均有且较严重，说明下行杆柱受压弯曲是偏磨的主要原因。
2、井斜引起的机械磨损
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F 或综合重力W 产生了一个水平分力Fx 。在水平分力Fx （正压力）的作用下，油管和抽油杆相互接触产生摩擦（如图2、图3所示）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。
正压力由下式表示：
上行程Fx=FSinθ；
下行程Fx=WSinθ
抽油杆
套管
油管
FX
θ
W1
抽油杆
套管
油管
油层
地层
F
θ
FX
抽油杆
油管
套管
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。
油层
地层
泵
泵
泵
油层
地层
图2 斜井管杆上冲程偏磨示意图
图3 斜井管杆下冲程偏磨示意图
图1 直井抽油杆下冲程弯曲示意图
3、含水升高，杆管磨损加剧
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，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。
（三）抽油杆腐蚀破坏
绝大多数油井，在开发中后期产出液都会含水，而产出水中又含有各种腐蚀介质，如CO32-、HCO3-、SO42-，腐蚀性微生物等，伴生气中也会有CO2 、H2S 等腐蚀气体，由于存在这些腐蚀介质，加上抽油杆承受的是不对称循环载荷，所以腐蚀损坏便成为油杆断裂的又一主要原因。究其腐蚀原因主要有：
1、CO2的影响
地层水中含有大量的CO2，它是由地球的地质化学过程产生的，当水中有游离的CO2存在时，水呈酸性反应，即CO2 +H2O=H++HCO3- ，由于水中H+离子的量增多，就会产生氢去极化腐蚀，所以游离的CO2 腐蚀，从腐蚀电化学的观点看，就是含有酸性物质而引起的氢去极化腐蚀。此时腐蚀过程的阴极反应为 2 H+ +2e→H2 。CO2溶于水呈弱酸性，因为弱酸只有一部分电离，所以随着腐蚀过程的进行，消耗掉的氢离子会被弱酸的继续电离所补充。阳极反应：Fe→Fe2++2e 。钢材受游离CO2腐蚀而生成的腐蚀产物都是易溶的，在金属表面不易形成保护膜。CO2腐蚀坑通常是圆底，侧面很陡，连成一片，产生虫蛀效应。
2、H2S 的影响
含硫油田中与油水共生的水往往含有硫化氢，碳钢在含有硫化氢的水溶液中含引起氢的去极化腐蚀，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，
反应式为：H2S→H++HS-
HS-→H++S2-
Fe2++S2-→FeS
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。以上两种腐蚀可能在没有任何征兆的情况下，在短时间突然发生，这应是预防的重点。
H2S 腐蚀坑是随机排列的，呈圆锥形，侧面较陡，坑的边缘圆滑，坑之间不相连，腐蚀物呈黑色，较粘，有硫化氢味。
3、硫酸盐还原菌的影响
陇东油田白恶系洛河层产水量大，呈Na2SO4水型，水温4℃左右，厌氧，总矿化度2000-3000mg/l，据测定，除含有大量的SO42-和少量的CO2、H2S 、Cl- 外，含硫酸盐还原菌（SBR ）101-102个/ml。洛河水进入井筒后，在SBR 的作用下，将SO42-还原成S2-，起到阴极去极化作用而使油杆腐蚀。
总反应式：4Fe+SO42-+4H2O→FeS+3Fe（OH ）2+2OH-
从总反应式可知，在硫酸还原菌的作用下，1摩尔分子的SO42-能腐蚀4mol 分子的铁，FeS 和Fe （OH ）2的比例是1：3，另外，在SBR 的作用下，还可产生硫化物，加快了反应速度，反应式为：
Na2SO4+4H2→Na2S+H2O
Na2S+H2CO3→2NaHCO3+H2S
Fe+H2S→FeS+H2
因SBR 引起的油杆腐蚀，一旦依附于疏松垢层，腐蚀产物以及杂质等沉积物，腐蚀就集中在这一点进行，最后形成凹口，油杆因应力集中在此断裂。