碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿在深層砂礫巖油藏的應用

汪福華

【摘 要】抽油桿防腐蝕是油藏開發(fā)后期的重要工作，對于諸如深層砂礫巖油藏等高腐蝕等油藏條件，抽油桿的防腐蝕效果就更加重要。

1.抽油桿防腐

1.1抽油桿腐蝕機理

抽油桿采油是常見的采油生產方式，在我國各大油田的生產井中占約80%。在有桿泵采油生產系統(tǒng)中，抽油桿的腐蝕以及與油管之間的偏磨，造成抽油桿及油管的損壞，影響油井的正常生產。因此，抽油桿的保護與防腐，對油田生產有著重要作用。

腐蝕疲勞失效是抽油桿的主要失效形式，抽油桿腐蝕疲勞是抽油桿在抽拉交變應力以及腐蝕介質的共同作用下產生的[1]。腐蝕疲勞的斷裂源一般在抽油桿的表面上形成，在拉應力的作用下，會使得抽油桿覆蓋的保護層破裂；同時由于受到腐蝕環(huán)境影響，破裂的局部發(fā)生電化學腐蝕形成腐蝕坑。因此可知抽油桿腐蝕是抽油桿發(fā)生疲勞斷裂的發(fā)生源頭。抽油桿安裝環(huán)境中的氧、硫化氫、二氧化碳等腐蝕劑的存在，會加劇抽油桿的腐蝕。

常有的抽油桿腐蝕有以下幾種形式：

（1）溶解二氧化碳腐蝕：

二氧化碳主要是局部腐蝕，在含有二氧化碳的環(huán)境中，鋼鐵表面與地層物質反應生成的腐蝕產物膜FeCO3，CaCO3等的不均一性以及破損，造成局部的二氧化碳腐蝕，甚至導致嚴重穿孔。溶于水的二氧化碳對鋼鐵的腐蝕比鹽酸還要嚴重。

（2）氧腐蝕：

氧腐蝕是由于陰極上氧去極化反應的進行，促使作為陽極的金屬不斷被腐蝕。溶解氧對金屬的腐蝕，主要是靠氧通過溶液向金屬表面的傳遞來實現(xiàn)的，腐蝕產物是氧的氧化物FeO，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4，及其氧化物的水化物FeO（OH）等。

（3）硫化氫腐蝕：

油氣中含有的硫化氫和抽油桿的鐵能夠反應生成硫化鐵，硫化鐵在抽油桿表面積垢后作為陰極，抽油桿作為陽極，形成微電池，使抽油桿表面出現(xiàn)蝕斑。硫化氫與抽油桿鋼發(fā)生作用，釋放出氫原子，滲入鋼的結晶邊界，形成氫分子或與碳化合產生氣泡，使抽油桿出現(xiàn)氫脆。

（4）硫酸鹽還原菌腐蝕等。

硫酸鹽還原菌是一種厭氧微生物，能夠在還原水中的硫酸鹽時產生硫化氫，造成抽油桿的硫化氫腐蝕，還原菌的腐蝕產物是黑色的硫化鐵，其中有大量的硫酸鹽還原菌。

1.2抽油桿防腐技術

目前國內外主要的抽油桿防腐技術有以下幾種[2]：

（1）應用具有抗腐蝕能力的抽油桿：

抽油桿腐蝕嚴重的井可應用防腐桿，防腐桿是特殊抽油桿，具有良好的防腐效果，適用于各種不同腐蝕介質的油井。此方法已經成為主要的抽油桿防腐手段之一。

（2）犧牲陽極防腐裝置：

根據(jù)電化學腐蝕原理，在抽油井腐蝕井段安裝適當量的犧牲陽極金屬以充當電化學腐蝕中的陽極來接受腐蝕，以保護管桿。具體防腐裝置有犧牲陽極防腐油管短節(jié)和犧牲陽極防腐抽油桿接箍式扶正器，其內安裝了鋅鋁合金塊。

（3）井口加緩蝕劑技術：

通過在井口加入緩蝕劑從而在管、桿表面形成致密的吸附膜或沉淀膜，一方面可以把金屬本體與腐蝕介質隔離開來以防治腐蝕，另一方面可以起到潤滑的作用以減少磨損。

（4）應用固體緩蝕器（劑）：

固體緩蝕器是一根內裝固相緩蝕劑的油管短節(jié)，將之安裝于泵下篩管上，當液流經過固體緩蝕器時，固相緩蝕劑緩慢、均勻地溶解于其中，并起到與液相緩蝕劑相同的防腐作用，具有施工簡便、省時省力、作用持久的優(yōu)點。

2.碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿的應用

2.1碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿

碳纖維復合材料抽油桿是一種新型抽油桿，目前已廣泛應用在石油開采方面，碳纖維連續(xù)柔性抽油桿克服了傳統(tǒng)的鋼制抽油桿諸如易腐蝕、自重大、易出現(xiàn)疲勞斷裂、接頭斷脫、活塞效應等缺點，為日趨復雜的油藏開發(fā)提供了技術支持，有效地提高了油田的抽油桿防腐水平。

碳纖維抽油桿最早應用于美國，Delmonte等人對碳纖維抽油桿進行了一系列的疲勞性能試驗研究，與其他材料抽油桿對比發(fā)現(xiàn)：玻璃纖維抽油桿剩余強度為20%；鋼制抽油桿為40%；而碳纖維復合材料為90%。

碳纖維抽油桿按照基體樹脂不同可以分為（1）酚醛樹脂基/碳纖維復合材料抽油桿；（2）乙烯基酯/碳纖維復合材料抽油桿；（3）環(huán)氧樹脂基/碳纖維復合材料抽油桿。

2.2碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿[3]在深層砂礫巖油藏的應用

砂礫巖油藏是近年來常見的儲藏類型，此類沉積體被生油凹陷和凸起所環(huán)繞，勘探潛力巨大。砂礫巖體儲層的非均質性較強，內幕復雜，油氣成藏的影響因素眾多，對砂礫巖體的成藏規(guī)律影響較大。且對于深層砂礫巖油藏來說，通常地層流體的腐蝕性較強，其有桿泵生產開發(fā)中對抽油桿的腐蝕較嚴重。

本文分析常規(guī)各種抽油桿的防腐性能，同時介紹一種新型碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿，具有密度小、彈性較好、耐腐蝕、抗疲勞性能好、活塞效應小、起下作業(yè)速度快等優(yōu)點，可應用于深層砂礫巖油藏的有桿泵開發(fā)。

此種碳纖維抽油桿由耐腐蝕金屬制成的兩個金屬端接頭和碳纖維復合材料制成的桿體通過特殊的連續(xù)方式連接而成，結構圖見下圖1。

某油田開發(fā)一砂礫巖油藏，其埋深較深，儲層流體腐蝕性較強，采用碳纖維有桿泵開采方案，先后有四口井采用了碳纖維抽油桿，與使用鋼抽油桿柱相比，平均日增產液3.75t/d，平均增產率為95%。

3.結論

抽油桿采油是常見的采油生產方式，抽油桿的保護與防腐，對油田生產有著重要作用。

目前國內外主要的抽油桿防腐技術有應用具有抗腐蝕能力的抽油桿、犧牲陽極防腐裝置、井口加緩蝕劑技術、硫酸鹽還原菌腐蝕等。

本文介紹一種新型碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿，具有密度小、彈性較好、耐腐蝕、抗疲勞性能好、活塞效應小、起下作業(yè)速度快等優(yōu)點，并分析其實際應用情況，其與使用鋼抽油桿柱相比，平均日增產液3.75t/d，平均增產率為95%，帶來明顯的經濟效益，建議在油田推廣使用。

【參考文獻】

[1]吳則中，田豐，張海宴等.碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿的特點及應用前景.石油機械，2002，30（2）：53，56.

[2]朱波，蔡華蘇，孫乃武.碳纖維復合材料柔性連續(xù)抽油桿開發(fā)及應用.石油機械，2003，31（1）：29-31.

[3]楊小平，顧雪林，李鵬等.乙烯基酯樹脂基碳纖維連續(xù)抽油桿的研制.石油機械，2003，31（4）：35，38.