新型碳纖維連續(xù)柔性抽油桿技術(shù)的應(yīng)用

宋成清（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

新型碳纖維連續(xù)柔性抽油桿采用耐高溫樹脂為膠結(jié)質(zhì)，高強(qiáng)碳纖維為桿芯，高強(qiáng)耐磨纖維為外包層，經(jīng)改良拉擠工藝一次成型，新型碳纖維連續(xù)柔性抽油桿截面為圓形，具有更好的機(jī)械性能，與傳統(tǒng)鋼制抽油桿相比，具有質(zhì)量輕、耐磨性高、作業(yè)施工便捷的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1.1 桿體材質(zhì)及加工工藝研究

優(yōu)選含碳量99%以上的碳纖維作為桿主體材料。碳纖維是一種三維碳化合物，由聚丙烯腈等有機(jī)纖維在保持纖維狀態(tài)下，經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)化而成。碳纖維連續(xù)抽油桿以耐高溫樹脂作為樹脂基體，以碳纖維作為增強(qiáng)材料，采用拉擠成型工藝生產(chǎn)。桿體截面呈圓形，力學(xué)性能比桿體呈帶狀的更優(yōu)異，可有效替代傳統(tǒng)鋼制抽油桿。

1.2 碳纖維連續(xù)柔性抽油桿性能研究

1）腐蝕性、耐疲勞性、耐磨性及抗拉性。高礦化度的地層水對(duì)鋼材會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的腐蝕作用，降低鋼材的使用壽命。碳纖維抽油桿為高分子復(fù)合材料，在90 ℃的酸堿溶液和原油中浸泡3 個(gè)月，無任何變化，具有很強(qiáng)的耐腐蝕作用，經(jīng)107次疲勞試驗(yàn)后，剩余強(qiáng)度仍有90%（同樣條件下，鋼桿的剩余強(qiáng)度僅為30%～40%）。室內(nèi)模擬井況進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損1100 萬次，連續(xù)抽油桿外壁稍有磨損痕跡；室內(nèi)連續(xù)抽油桿拉力試驗(yàn)，拉力達(dá)到20 t，抽油桿未斷，達(dá)到下井要求，見表1。

表1 碳纖維連續(xù)抽油桿和D 級(jí)抽油桿的技術(shù)參數(shù)

2）耐高溫性。室內(nèi)高溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：使用WDW-300 試驗(yàn)機(jī)，恒溫120 ℃條件下，將金屬接頭與柔性抽油桿連接后進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，最大拉力達(dá)到203 kN（圖1）。相同條件下，進(jìn)行同樣尺寸鋼制抽油桿試驗(yàn)，最大拉力僅為194 kN（圖2），室內(nèi)試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的柔性抽油桿和接頭系統(tǒng)較普通鋼制抽油桿耐高溫穩(wěn)定性更高?，F(xiàn)場(chǎng)使用120 ℃熱水進(jìn)行化清洗井，連續(xù)洗井時(shí)間120 min，桿柱系統(tǒng)無桿脫現(xiàn)象，運(yùn)行正常，溫變穩(wěn)定性可以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要。

1.3 配套工具研究

1）專用安全接頭的研究。針對(duì)油井進(jìn)行高溫蒸汽熱洗時(shí)井內(nèi)溫度較高的現(xiàn)狀，優(yōu)選溫變小的航空金屬材料作為專用金屬接頭的材質(zhì)，并設(shè)計(jì)錐形割縫結(jié)構(gòu)，通過金屬接頭材質(zhì)的優(yōu)選及金屬接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了抽油桿系統(tǒng)在高溫條件下的穩(wěn)定可靠[1]。

2）作業(yè)起下抽油桿設(shè)備研究[2]。作業(yè)部分以電動(dòng)液壓系統(tǒng)為輸出動(dòng)力，其中輸出軸輸出拉力可以達(dá)到500 kN。電動(dòng)機(jī)通過減速裝置輸出正反向旋轉(zhuǎn)力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)起下連續(xù)柔性抽油桿作業(yè)。

圖1 高溫下碳纖維連續(xù)抽油桿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

圖2 高溫下鋼制抽油桿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)效率較低井應(yīng)用效果

在系統(tǒng)效率較低井試驗(yàn)2 口井。2012年6月在泵深較淺低效井試驗(yàn)1 口井，該井泵深1143 m，試驗(yàn)前消耗功率4.856 kW，耗電116.5 kWh，試驗(yàn)后消耗功率3.078 kW，耗電73.8 kWh，節(jié)能36.6%，系統(tǒng)效率提高2.85 個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)前抽油桿偏磨嚴(yán)重，試驗(yàn)后連續(xù)生產(chǎn)510 天后，于2013年11月經(jīng)作業(yè)起出抽油桿表面光滑，有效地減輕了抽油桿偏磨[2]，繼續(xù)下井使用至今，已連續(xù)生產(chǎn)730 天。

2013年11月試驗(yàn)1 口深井，該井泵深1491 m，應(yīng)用Φ19 mm 柔性抽油桿800 m，柔性抽油桿下連接Φ22 mm 鋼制抽油桿676.84 m。試驗(yàn)后經(jīng)2 次110 ℃高溫化清熱洗，系統(tǒng)均運(yùn)行正常。試驗(yàn)后上電流由試驗(yàn)前的29 A 下降到9 A，有功功率由6.266 kW 下降到3.057 kW，節(jié)電率達(dá)到51.21%，系統(tǒng)效率由試驗(yàn)前的3.08%提高到6.41%，提高了3.33%。

2.2 高產(chǎn)液需換機(jī)換泵井應(yīng)用效果

2013年11月在高產(chǎn)液需換機(jī)換泵井上試驗(yàn)1 口井，該井抽油機(jī)機(jī)型為6 型機(jī)，泵深為1183 m，因此該井泵徑由Φ57 mm 調(diào)整到Φ70 mm。若使用常規(guī)鋼制抽油桿，該井理論載荷將達(dá)到70.59 kN，需換大抽油機(jī)后換泵。試驗(yàn)使用Φ19 mm 柔性抽油桿800 m，下部連接Φ22 mm 鋼制抽油桿383 m，試驗(yàn)后測(cè)試懸點(diǎn)最大載荷僅為53.88 kN，較理論載荷低16.71 kN，懸點(diǎn)最大載荷【1】較使用鋼制抽油桿降低了24%，使用柔性抽油桿后實(shí)現(xiàn)了小機(jī)型帶動(dòng)Φ 70 mm 抽油泵，為小機(jī)型高產(chǎn)液井換大泵節(jié)省了一次性大抽油機(jī)成本投入。

3 效益分析

3 口試驗(yàn)井高強(qiáng)耐磨連續(xù)柔性抽油桿及配套工具共投入費(fèi)用24 萬元。

在系統(tǒng)效率較低井上應(yīng)用，平均單井日節(jié)電59.9 kWh，年可節(jié)約電費(fèi)2.8 萬元；節(jié)約Φ19 mm 鋼制抽油桿1600 m 費(fèi)用5.4 萬元。在高產(chǎn)液需換機(jī)換泵井上應(yīng)用，與全廠平均水平相比單井日節(jié)電112.4 kWh，年可節(jié)約電費(fèi)2.6 萬元；可節(jié)約一次性大型抽油機(jī)成本14.4萬元，節(jié)約Φ22 mm 鋼制抽油桿800 m 費(fèi)用3.0 萬元；換大泵后該井日增油1.2 t，以Φ70 mm 抽油泵保修期180 天計(jì)算，預(yù)計(jì)可累增油216 t，可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益78 萬元。

4 結(jié)論

1）碳纖維連續(xù)抽油桿相比鋼制抽油桿具有較高的耐腐蝕性、耐疲勞性、耐磨性和抗拉性能。

2）質(zhì)量輕，在小機(jī)型井上應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)6 型機(jī)帶Φ70 mm 抽油泵，節(jié)約了一次性換大抽油機(jī)成本。碳纖維連續(xù)抽油桿比鋼制抽油桿每米質(zhì)量輕3.8 kg。再加上接箍的活塞作用減少，抽油機(jī)的耗電大幅度降低。

3）柔性好，可連續(xù)盤繞，作業(yè)工作量小[3]。由于碳纖維抽油桿是柔性連續(xù)的，極大地減少了中間接頭，降低了接頭斷脫事故的概率。最小曲率半徑小于1.5 m，可盤繞，方便運(yùn)輸和作業(yè)，并大大降低作業(yè)工人工作量，提高了作業(yè)效率。

[1]彭勇,顧學(xué)林,常德友.碳纖維連續(xù)抽油桿的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究方向[J].石油機(jī)械,2005,33(10):76-78.

[2]張汝貴.ND5320 柔性連續(xù)抽油桿作業(yè)車研制[J].包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,14(1):25-28.

[3]吳則中.碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的特點(diǎn)及應(yīng)用前景[J],石油機(jī)械,2002,30(2):53-56.