KD級防腐蝕抽油桿試驗與應用評價

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（華東）石油工程學院，山東青島 266580）＊

目前，勝坨油田部分區塊油井液面深、礦化度高，導致了在用的D 級抽油桿、連續抽油桿在生產過程中出現了嚴重的不適應性。部分區塊腐蝕嚴重、礦化度高，遠遠高出全廠平均水平，腐蝕性強；連續桿、D 級桿不耐腐蝕，無法有效滿足生產的需求，造成了腐蝕躺井率高。據統計，腐蝕區塊作業油井中，腐蝕桿斷井占總作業井次的比例高達33%。針對這些問題，為提高腐蝕井抽油桿的使用壽命，降低躺井率和作業費用，開展了防腐蝕技術研究及防腐蝕桿的試驗應用工作。

1 抽油桿防腐蝕技術

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腐蝕、垢下腐蝕、CO2腐蝕、H2S腐蝕為主，腐蝕形態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）電化學腐蝕井液高礦化度引起污水高電導率，促進了電化學腐蝕。高氯離子含量能破壞桿表面的鈍化膜，加速腐蝕反應的陽極過程速度。

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

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腐蝕較高體積分數的H2S可與鐵反應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力和特定的腐蝕介質共同作用下發生的金屬材料的破裂現象，它的發生一般認為需要同時具備3個基本條件：一定的拉應力、敏感材料和特定的環境。在濕潤的環境中，腐蝕介質深入鋼內部，固溶于晶格中，使鋼的脆性增大，在外加應力或殘余應力作用下形成開裂，最終導致抽油桿斷裂［2］，如圖1所示。腐蝕斷裂主要出現在高強鋼、高內應力構件及硬焊縫上。

圖1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂機理

1.2 產出液物性分析

以勝坨油田1區塊為代表分析產出液物性。

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

2）產出氣體分析1區塊產出氣中CO2、H2S體積分數高，其中CO2體積分數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）地層水結垢趨勢分析分別取采油廠各聯合站、1區塊地層水進行結垢指數化驗，化驗結果顯示1區塊結垢指數達到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，國內在腐蝕井中應用的抽油桿主要有D級桿、連續桿、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，無法滿足生產的強度需求，不銹鋼桿價格高，無法大規模推廣應用。為了滿足腐蝕井的配套要求，與廠家結合進行了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整，主要包括Cr、Mn、C、Mo、Ni等的調整，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，綜合考慮適應介質與經濟效益2個方面，最終選擇了價格比較經濟的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（華東）機電工程學院的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》石油行業標準規定的抽油桿疲勞壽命試驗方法，試驗加載應力σmax＝406 MPa，應力比R＝0.1，對KD 級抽油桿壽命進行了測試。試驗結果如表1。試驗結果表明：對于該材料生產的KD 級抽油桿，經過多次試驗，抽油桿疲勞壽命均達到標準規定值。

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力為633 MPa（791 MPa×80%），腐蝕介質為H2S飽和的0.5%冰醋酸＋6.6% NaCl的水溶液。

2）試驗時間720h。

3）試驗結果720h試驗后，宏觀檢查，所有試樣均未發現斷裂；720h 試驗后，所有試樣用10倍放大鏡檢查均未發現裂紋。

4）結論該桿通過了美國腐蝕工程師協會NACE TM0177—2005標準規定的抗SSC檢測。

2.3 力學性能指標評價

根據生產要求，防腐蝕桿不僅要在耐腐蝕性能上達到K 級桿的水平，還要在力學性能上滿足D 級桿的要求。經測試，該桿的各項力學性能指標均滿足了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雜的，所有用來計算懸點大載荷的公式都只能得到近似結果。因此在進行強度計算時，一般采用經驗公式［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

最大許用載荷根據改進的古德曼應力圖公式計算得

式中：PA為最大許用載荷，N；a、b為系數，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。

則抽油桿應力范圍百分數為

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，生產正常。理論計算值：桿柱最大載荷是111.7kN，抽油桿應力范圍是65%。現場實測值：桿柱最大載荷是110kN，抽油桿應力范圍是63%。通過理論計算和現場實測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需要。

2.5 綜合配套技術

抽油桿短節、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，與廠家結合配套生產了KD 級防腐蝕桿短節、KD 級防腐蝕接箍、KD 級活塞拉桿。目前已經在勝坨油田推廣應用，取得了非常顯著的效果。

3 現場試驗與應用

3.1 應用情況

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，應用KD 桿后，桿平均壽命延長到了417d，延長了166d，且持續有效，目前已減少作業40余井次，創造了良好的經濟效益和社會效益。

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852d，相對平均減少作業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井應用KD桿前后對比

3.3 適應性評價

2010年下入的KD 級防腐蝕桿再次桿斷的共有22口井，統計如表4。對桿斷井進行分析發現：KD 桿應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 結論及認識

1）KD 級防腐蝕桿在一定范圍內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.石油作業防硫化氫技術［M］.東營：中國石油大學出版社，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：石油化學工業出版社，1978.