新型碳纖維連續(xù)柔性抽油桿技術的應用

宋成清（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

新型碳纖維連續(xù)柔性抽油桿采用耐高溫樹脂為膠結質，高強碳纖維為桿芯，高強耐磨纖維為外包層，經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，具有更好的機械性能，與傳統(tǒng)鋼制抽油桿相比，具有質量輕、耐磨性高、作業(yè)施工便捷的技術優(yōu)勢。

1 主要研究內容

1.1 桿體材質及加工工藝研究

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，由聚丙烯腈等有機纖維在保持纖維狀態(tài)下，經固相反應轉化而成。碳纖維連續(xù)抽油桿以耐高溫樹脂作為樹脂基體，以碳纖維作為增強材料，采用拉擠成型工藝生產。桿體截面呈圓形，力學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鋼材會產生強大的腐蝕作用，降低鋼材的使用壽命。碳纖維抽油桿為高分子復合材料，在90 ℃的酸堿溶液和原油中浸泡3 個月，無任何變化，具有很強的耐腐蝕作用，經107次疲勞試驗后，剩余強度仍有90%（同樣條件下，鋼桿的剩余強度僅為30%～40%）。室內模擬井況進行磨損試驗，磨損1100 萬次，連續(xù)抽油桿外壁稍有磨損痕跡；室內連續(xù)抽油桿拉力試驗，拉力達到20 t，抽油桿未斷，達到下井要求，見表1。

表1 碳纖維連續(xù)抽油桿和D 級抽油桿的技術參數

2）耐高溫性。室內高溫抗拉強度試驗：使用WDW-300 試驗機，恒溫120 ℃條件下，將金屬接頭與柔性抽油桿連接后進行抗拉強度試驗，最大拉力達到203 kN（圖1）。相同條件下，進行同樣尺寸鋼制抽油桿試驗，最大拉力僅為194 kN（圖2），室內試驗證明，改進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。現場使用120 ℃熱水進行化清洗井，連續(xù)洗井時間120 min，桿柱系統(tǒng)無桿脫現象，運行正常，溫變穩(wěn)定性可以滿足現場應用需要。

1.3 配套工具研究

1）專用安全接頭的研究。針對油井進行高溫蒸汽熱洗時井內溫度較高的現狀，優(yōu)選溫變小的航空金屬材料作為專用金屬接頭的材質，并設計錐形割縫結構，通過金屬接頭材質的優(yōu)選及金屬接頭結構的設計，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)起下抽油桿設備研究[2]。作業(yè)部分以電動液壓系統(tǒng)為輸出動力，其中輸出軸輸出拉力可以達到500 kN。電動機通過減速裝置輸出正反向旋轉力，帶動轉盤轉動實現起下連續(xù)柔性抽油桿作業(yè)。

圖1 高溫下碳纖維連續(xù)抽油桿抗拉強度試驗曲線

圖2 高溫下鋼制抽油桿抗拉強度試驗曲線

2 現場試驗

2.1 系統(tǒng)效率較低井應用效果

在系統(tǒng)效率較低井試驗2 口井。2012年6月在泵深較淺低效井試驗1 口井，該井泵深1143 m，試驗前消耗功率4.856 kW，耗電116.5 kWh，試驗后消耗功率3.078 kW，耗電73.8 kWh，節(jié)能36.6%，系統(tǒng)效率提高2.85 個百分點。試驗前抽油桿偏磨嚴重，試驗后連續(xù)生產510 天后，于2013年11月經作業(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730 天。

2013年11月試驗1 口深井，該井泵深1491 m，應用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。試驗后經2 次110 ℃高溫化清熱洗，系統(tǒng)均運行正常。試驗后上電流由試驗前的29 A 下降到9 A，有功功率由6.266 kW 下降到3.057 kW，節(jié)電率達到51.21%，系統(tǒng)效率由試驗前的3.08%提高到6.41%，提高了3.33%。

2.2 高產液需換機換泵井應用效果

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

3 效益分析

3 口試驗井高強耐磨連續(xù)柔性抽油桿及配套工具共投入費用24 萬元。

在系統(tǒng)效率較低井上應用，平均單井日節(jié)電59.9 kWh，年可節(jié)約電費2.8 萬元；節(jié)約Φ19 mm 鋼制抽油桿1600 m 費用5.4 萬元。在高產液需換機換泵井上應用，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2.6 萬元；可節(jié)約一次性大型抽油機成本14.4萬元，節(jié)約Φ22 mm 鋼制抽油桿800 m 費用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 天計算，預計可累增油216 t，可創(chuàng)經濟效益78 萬元。

4 結論

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）質量輕，在小機型井上應用，可實現6 型機帶Φ70 mm 抽油泵，節(jié)約了一次性換大抽油機成本。碳纖維連續(xù)抽油桿比鋼制抽油桿每米質量輕3.8 kg。再加上接箍的活塞作用減少，抽油機的耗電大幅度降低。

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,顧學林,常德友.碳纖維連續(xù)抽油桿的應用現狀及研究方向[J].石油機械,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)技術學院學報,2013,14(1):25-28.

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