KD級防腐蝕抽油桿試驗與應(yīng)用評價

周娜

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）＊

目前，勝坨油田部分區(qū)塊油井液面深、礦化度高，導(dǎo)致了在用的D 級抽油桿、連續(xù)抽油桿在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了嚴重的不適應(yīng)性。部分區(qū)塊腐蝕嚴重、礦化度高，遠遠高出全廠平均水平，腐蝕性強；連續(xù)桿、D 級桿不耐腐蝕，無法有效滿足生產(chǎn)的需求，造成了腐蝕躺井率高。據(jù)統(tǒng)計，腐蝕區(qū)塊作業(yè)油井中，腐蝕桿斷井占總作業(yè)井次的比例高達33%。針對這些問題，為提高腐蝕井抽油桿的使用壽命，降低躺井率和作業(yè)費用，開展了防腐蝕技術(shù)研究及防腐蝕桿的試驗應(yīng)用工作。

1 抽油桿防腐蝕技術(shù)

1.1 腐蝕機理

1.1.1 抽油桿腐蝕原因

勝坨油田抽油桿腐蝕主要以電化學(xué)腐蝕、垢下腐蝕、CO2腐蝕、H2S腐蝕為主，腐蝕形態(tài)主要有均勻腐蝕與局部腐蝕2種，局部腐蝕主要分為腐蝕裂紋、點蝕、坑蝕［1］。

1）電化學(xué)腐蝕井液高礦化度引起污水高電導(dǎo)率，促進了電化學(xué)腐蝕。高氯離子含量能破壞桿表面的鈍化膜，加速腐蝕反應(yīng)的陽極過程速度。

2）垢下腐蝕高礦化度污水有較強的結(jié)垢趨勢，引起垢下腐蝕（垢下形成的閉塞電池效應(yīng)），以及流體產(chǎn)生的沖刷腐蝕等。

3）CO2腐蝕 CO2引起的腐蝕基于氫離子的陰極去極化作用，多為坑蝕或點蝕，溫度在50～90℃之間的腐蝕較為嚴重。

4）H2S腐蝕較高體積分數(shù)的H2S可與鐵反應(yīng)生成黑色疏松分層狀或粉末狀的硫化鐵膜，形成宏觀原電池，加速金屬腐蝕。

1.1.2 普通抽油桿腐蝕疲勞斷裂機理

抽油桿腐蝕疲勞斷裂是在拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的金屬材料的破裂現(xiàn)象，它的發(fā)生一般認為需要同時具備3個基本條件：一定的拉應(yīng)力、敏感材料和特定的環(huán)境。在濕潤的環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)深入鋼內(nèi)部，固溶于晶格中，使鋼的脆性增大，在外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成開裂，最終導(dǎo)致抽油桿斷裂［2］，如圖1所示。腐蝕斷裂主要出現(xiàn)在高強鋼、高內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件及硬焊縫上。

圖1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂機理

1.2 產(chǎn)出液物性分析

以勝坨油田1區(qū)塊為代表分析產(chǎn)出液物性。

1）產(chǎn)出液水性分析1區(qū)塊礦化度高，易引起污水高電導(dǎo)率，促進電化學(xué)腐蝕過程的進行。例如：ST＊1井地層水化驗結(jié)果顯示，總礦化度達到80000mg／L，其中Cl－含量高達50000 mg／L，加速了腐蝕。

2）產(chǎn)出氣體分析1區(qū)塊產(chǎn)出氣中CO2、H2S體積分數(shù)高，其中CO2體積分數(shù)2.31%，高出全廠平均值，含H2S 油井有62口，易引起CO2腐蝕、H2S腐蝕。

3）地層水結(jié)垢趨勢分析分別取采油廠各聯(lián)合站、1區(qū)塊地層水進行結(jié)垢指數(shù)化驗，化驗結(jié)果顯示1區(qū)塊結(jié)垢指數(shù)達到1.56，遠遠高于全廠平均水平，容易引起垢下腐蝕。

1.3 防腐蝕桿防腐蝕機理

目前，國內(nèi)在腐蝕井中應(yīng)用的抽油桿主要有D級桿、連續(xù)桿、K 級桿、不銹鋼桿［3］4種。其中，只有K 級桿、不銹鋼桿具有防腐蝕性能，但是K 級桿屈服強度僅有372MPa，無法滿足生產(chǎn)的強度需求，不銹鋼桿價格高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了滿足腐蝕井的配套要求，與廠家結(jié)合進行了KD 級防腐蝕桿的研究與試驗。

KD 級防腐蝕桿的主要防腐蝕機理是對防腐蝕抽油桿的合金成分及其含量進行了調(diào)整，主要包括Cr、Mn、C、Mo、Ni等的調(diào)整，有效提高防腐蝕性能、塑性、沖擊韌性、淬透性、淬硬性、綜合性能。同時對熱處理工藝進行了改進，有效保證了抽油桿的綜合性能。

2 室內(nèi)試驗與評價

本文分析研究了3130、4720SR、4330M 三種型號的防腐蝕抽油桿，綜合考慮適應(yīng)介質(zhì)與經(jīng)濟效益2個方面，最終選擇了價格比較經(jīng)濟的3130型防腐蝕抽油桿。

2.1 抽油桿疲勞壽命評價

在中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院的PLG－300kN 型高頻疲勞試驗機上進行了3130型防腐蝕抽油桿的疲勞壽命試驗。按照SY／T5029—2006《抽油桿》石油行業(yè)標準規(guī)定的抽油桿疲勞壽命試驗方法，試驗加載應(yīng)力σmax＝406 MPa，應(yīng)力比R＝0.1，對KD 級抽油桿壽命進行了測試。試驗結(jié)果如表1。試驗結(jié)果表明：對于該材料生產(chǎn)的KD 級抽油桿，經(jīng)過多次試驗，抽油桿疲勞壽命均達到標準規(guī)定值。

表1 KD級防腐蝕桿疲勞壽命

2.2 抗SSC性能檢測

1）試驗條件 KD 級防腐抽油桿在加載應(yīng)力為633 MPa（791 MPa×80%），腐蝕介質(zhì)為H2S飽和的0.5%冰醋酸＋6.6% NaCl的水溶液。

2）試驗時間720h。

3）試驗結(jié)果720h試驗后，宏觀檢查，所有試樣均未發(fā)現(xiàn)斷裂；720h 試驗后，所有試樣用10倍放大鏡檢查均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4）結(jié)論該桿通過了美國腐蝕工程師協(xié)會NACE TM0177—2005標準規(guī)定的抗SSC檢測。

2.3 力學(xué)性能指標評價

根據(jù)生產(chǎn)要求，防腐蝕桿不僅要在耐腐蝕性能上達到K 級桿的水平，還要在力學(xué)性能上滿足D 級桿的要求。經(jīng)測試，該桿的各項力學(xué)性能指標均滿足了SY／T5029—2006《抽油桿》標準中KD 級抽油桿的要求，如表2所示。

表2 KD 級防腐蝕桿力學(xué)性能

2.4 強度校核

抽油桿桿柱在工作時的受力情況是相當復(fù)雜的，所有用來計算懸點大載荷的公式都只能得到近似結(jié)果。因此在進行強度計算時，一般采用經(jīng)驗公式［4］。

懸點最大載荷采用克姆良爾公式計算得

式中：L為泵深，m；FA為平均每米液柱對整個活塞截面的作用力，N；FB為平均每米抽油桿在空氣中的重力，N；S為光桿沖程，m；n為沖次，min－1。

懸點最小載荷為

最大許用載荷根據(jù)改進的古德曼應(yīng)力圖公式計算得

式中：PA為最大許用載荷，N；a、b為系數(shù)，取a＝0.25、b＝0.5625；T為抽油桿最小抗拉強度；A為最上端抽油桿的橫截面積；SF為使用系數(shù)。

則抽油桿應(yīng)力范圍百分數(shù)為

為驗證KD 桿的強度校核，本文以ST＊2井為例。該井泵深2300 m，是目前勝坨油田下泵較深的井，沖程6m，沖次2.5min－1，已在井218d，生產(chǎn)正常。理論計算值：桿柱最大載荷是111.7kN，抽油桿應(yīng)力范圍是65%?，F(xiàn)場實測值：桿柱最大載荷是110kN，抽油桿應(yīng)力范圍是63%。通過理論計算和現(xiàn)場實測2種手段校核得出：KD 級抽油桿的強度完全能夠滿足該井的生產(chǎn)需要。

2.5 綜合配套技術(shù)

抽油桿短節(jié)、接箍、活塞拉桿都是桿柱配套中必需的組成部分，也都是腐蝕中最常見的失效點，為了配套KD 級防腐蝕抽油桿，使整個抽油桿桿柱都達到防腐要求，與廠家結(jié)合配套生產(chǎn)了KD 級防腐蝕桿短節(jié)、KD 級防腐蝕接箍、KD 級活塞拉桿。目前已經(jīng)在勝坨油田推廣應(yīng)用，取得了非常顯著的效果。

3 現(xiàn)場試驗與應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

在勝坨油田，KD 級防腐蝕桿滿足了深抽、高礦化度井的配套需要，對降本增效起到了積極的作用。截至目前，已配套試驗200余井次，平均泵深1879 m，礦化度范圍14537～80000mg／L，平均礦化度達到32000mg／L。

3.2 應(yīng)用效果

對2010年下入的60口可對比井進行了分析，D 級桿壽命僅有251d，應(yīng)用KD 桿后，桿平均壽命延長到了417d，延長了166d，且持續(xù)有效，目前已減少作業(yè)40余井次，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

井例：ST＊3井腐蝕嚴重，礦化度26285 mg／L，Cl－含量17748mg／L，新D 級桿壽命只有124d（如圖2）。于2010－01－03下入KD 級防腐蝕桿，已正常生產(chǎn)852d，相對平均減少作業(yè)6次，效果顯著。如表3所示。

圖2 ST＊3井腐蝕桿斷形貌

表3 ST＊3井應(yīng)用KD桿前后對比

3.3 適應(yīng)性評價

2010年下入的KD 級防腐蝕桿再次桿斷的共有22口井，統(tǒng)計如表4。對桿斷井進行分析發(fā)現(xiàn)：KD 桿應(yīng)用效果較好的井礦化度范圍比較分散，并且基本上不存在垢下腐蝕；而應(yīng)用效果較差的井礦化度范圍全部集中30000mg／L 以上，且垢下腐蝕較嚴重，垢下腐蝕比例達到50%。通過分析可以看出：KD 級防腐蝕桿適用于礦化度小于30000 mg／L、且不存在垢下腐蝕的油井中。

表4 KD桿桿斷情況

4 結(jié)論及認識

1）KD 級防腐蝕桿在一定范圍內(nèi)滿足了勝坨油田腐蝕井的需要，延長了抽油桿壽命、降低了作業(yè)費用。

2）可以在礦化度小于30000 mg／L、且不存在垢下腐蝕的腐蝕井中推廣應(yīng)用防腐蝕桿。

3）下一步在礦化度高于30000mg／L的油井中試驗，評價鍍滲鎢桿、4330M、不銹鋼等類型的防腐蝕抽油桿。

［1］榮海波，李娜，趙國仙，等.超級15Cr馬氏體不銹鋼超深超高壓油氣井中的腐蝕行為研究［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：57－62.

［2］呂華華.石油作業(yè)防硫化氫技術(shù)［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2009.

［3］吳則中，陳強，鐘永海，等.我國29年來抽油桿研制工作回顧與展望［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：62－67.

［4］J·扎巴.深井泵采油［M］.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978.