我國空心抽油桿的制造與應用

張朋舉，張德松，殷志杰，孫奇，趙全

（1.中國石油吐哈油田分公司機械廠，新疆鄯善838202；2.中國石油玉門油田分公司酒東采油廠，甘肅酒泉735000）

我國空心抽油桿的制造與應用

張朋舉1，張德松1，殷志杰1，孫奇2，趙全2

（1.中國石油吐哈油田分公司機械廠，新疆鄯善838202；2.中國石油玉門油田分公司酒東采油廠，甘肅酒泉735000）

介紹了國內空心抽油桿的主要結構和制造工藝，分析了空心抽油桿在熱洗清蠟、摻稀采油、電加熱采油、分層注水、排液采氣5個方面的應用工藝。分析認為：直接連接式將成為空心抽油桿結構形式的發展方向；鍛造成形與摩擦焊接+形變熱處理這兩種工藝，將成為國內空心抽油桿制造的主要方法；空心抽油桿的系列應用工藝將會成為國內稠油油田、高含蠟油田、天然氣田開發的可靠方法。

空心抽油桿；制造；應用；結構；直接連接式；鐓鍛式；摩擦焊接式

近年來，隨著邊際油田（稠油區塊、高含蠟區塊等）規模性的開發，空心抽油桿的制造和應用技術得到了推動和發展。空心抽油桿特有獨立通道，可通過該通道向井內注入熱蒸汽、熱水或熱油、降黏劑和防腐劑，可有效地降低開采難度，增加分層開采計量層數［1-3］，提高開采效率，降低開采成本。

在空心抽油桿的制造方面，隨著摩擦焊接技術在工業制造領域的成熟應用，使用該技術制造空心抽油桿，成為了一種主要的制造方法。據相關資料顯示，我國石油機械制造業已成功地將摩擦焊接技術應用于鉆桿和空心桿生產上［4-12］。隨著國內油田鉆采技術的進一步發展，先后出現了多種空心抽油桿的結構形式以及多種空心抽油桿的輔助配套應用工具。近些年，有部分企業和科研單位，將熱模鍛制造技術，成功地應用到空心抽油桿的制造中，且制造工藝日臻完善。

空心抽油桿制造工藝的發展，為該產品在采油、采氣、注水等鉆采工藝的應用奠定了基礎。與此同時，邊際油田的規模性開采和難動用儲量的進一步開發，推動了基于該產品的多種采油、采氣、注水應用工藝的發展。

1 空心抽油桿的制造

1.1 主要結構

SY/T 5550—2012《空心抽油桿》規定了空心抽油桿的4種結構形式，分別是接箍連接鐓鍛式、直接連接鐓鍛式、接箍連接焊接式、直接連接焊接式。4種不同結構形式的空心抽油桿如圖1所示。在這4種結構中，根據生產工藝的不同，可分為鐓鍛式和摩擦焊接式；根據結構形式的不同，可分為直接連接式和接箍連接式。直接連接式和接箍連接式的區別具體表現在制造工序的復雜程度和制造成本上。

圖1 4種不同結構形式的空心抽油桿示意

1.2 制造工藝

1.2.1 摩擦焊接式

摩擦焊是一種現代的固相熱壓焊技術，具有焊接效率高、節能等優點［13］。摩擦焊接式空心抽油桿，是將獨立加工成的桿頭或者接箍，夾持在高速旋轉的摩擦焊機上，通過桿頭和桿體的高速摩擦實現固態焊接。其最大的優點是：空心抽油桿的桿頭和接箍可以獨立加工，由于工件的尺寸較小，因此獨立加工方法的選擇較多，可以保證加工尺寸精度和加工質量。摩擦焊接式內螺紋端接頭如圖2所示。

這種工藝不但應用在抽油桿的生產中，同時也應用在油管的修復、鉆桿的制造中。國內采用這種工藝生產摩擦焊接式空心抽油桿的步驟分為3步。

（1）接箍端和桿頭端的獨立加工，流程為：棒料鋸切→鉆孔→粗車削→淬火→回火→精車削→擠壓螺紋。

（2）桿體的熱加工，流程為：桿體探傷→淬火→回火→桿體校直→車削平端面。

圖2 摩擦焊接式內螺紋端接頭

（3）摩擦焊接及輔助工藝，流程為：摩擦焊接→焊縫熱處理→去除飛邊→滾壓焊縫→涂漆打包。

在這個系列工藝中，桿頭和接箍的獨立熱處理加工、車削加工、螺紋擠壓加工為準備工藝；桿體母材經過調質處理，為了保證力學性能，大多數生產廠家生產桿體時選擇Cr、Mo鋼為基本原材料，對比選擇熱處理參數與力學性能進行匹配。

在焊縫熱處理工序中，有部分企業采用的是焊縫回火工藝，指焊接完成之后，在空氣中對焊縫進行冷卻，然后對冷卻后的焊縫進行回火處理，用來消除摩擦焊接過程中產生的焊接應力。此外，為了提高焊縫的韌性，有部分企業采用形變和相變強化結合的方式，應用形變熱處理工藝提高焊縫韌性。摩擦焊接工藝在空心抽油桿制造上的應用，也呈現出了這兩種工藝。根據材料方面的知識可知，焊縫回火工藝無法保證焊縫部位和桿體在力學性能上一致，例如韌性指標、疲勞性能指標。前一種工藝相當于“正火+中頻感應加熱回火”工藝。文獻［4］采用焊縫回火工藝，按照一定的工藝規范進行焊接，隨后對接頭進行局部中頻感應加熱回火熱處理，改善了焊縫的韌性，降低了硬度，不產生回火脆化現象及回火軟化現象。后一種工藝相當于“淬火+回火”工藝，利用摩擦焊接完成后，對焊縫的熱處理工藝，克服了焊后熱處理工藝留下的兩個薄弱環節，使摩擦焊接接頭的強度和韌性同時提高，進一步完善了摩擦焊接工藝，擴大了其應用空間［14］。

因此，從工藝角度分析，對比摩擦焊接+焊縫回火和摩擦焊接+形變熱處理這兩種制造工藝，后者的工藝優勢更加明顯。因此，摩擦焊接+形變熱處理工藝將成為摩擦焊接式制造工藝的發展方向。1.2.2鐓鍛式

鐓鍛式空心抽油桿是采用熱擠壓成形的方式，將無縫鋼管原材料按照一定的比例進行管端加厚處理后，再采用模鍛成形的方法，使其達到所規定的形狀。類似的工藝應用在加厚油管、鉆桿、實心抽油桿等鉆采產品上。例如，目前外加厚油管形成了一次成形為關鍵技術的生產工藝［15-16］；根據鉆桿制造規格，形成了多次熱鍛成形的關鍵工藝［17］；較大規格的鉆桿，形成了接頭熱模鍛成形與管體摩擦焊接的生產工藝；實心抽油桿的生產，同樣也是應用熱模鍛多次聚料、一次成形的工藝［18-20］。

國內生產鐓鍛式空心抽油桿的具體工藝步驟為：原材料檢測→鍛前加熱→熱鍛成形→熱處理→螺紋加工→水壓試驗→涂漆打包。與其他相關的石油機械類產品一樣，鐓鍛式空心抽油桿的成形分為桿頭成形和接箍成形。其中，桿頭成形的關鍵工藝在文獻［21］中有詳細描述，接箍的成形工藝在文獻［22］中有詳細描述。

目前，國內鐓鍛式空心抽油桿的生產也有兩種結構形式，一種是圖1（a）所示的獨立接箍連接式；一種是圖1（b）所示的直接連接式。這兩種形式的空心抽油桿都是熱成形工藝完成后，應用整體淬火+整體回火的方法，提高空心抽油桿的力學性能。接箍連接式需要增加獨立的接箍加工工序，導致生產效率低下，生產成本較高；因此，直接連接式鐓鍛空心抽油桿將成為鐓鍛式制造工藝的發展方向。

與實心抽油桿類似，空心抽油桿的原材料也選用Cr、Mo鋼為基本材料，選用水基淬火介質結合系列溫度參數進行處理，最終力學性能達到SY/T 5550—2012標準的要求。以20CrMo為基體材料的D級空心抽油桿成形后，桿頭端成形實物如圖3所示，接箍端成形實物如圖4所示。

圖3 空心抽油桿桿頭端成形實物

圖4 空心抽油桿接箍端成形實物

2 空心抽油桿的應用

利用空心抽油桿的密閉通道向井底注入介質，形成了熱洗清蠟工藝、摻稀采油工藝、電加熱采油工藝、分層注水工藝。同樣，可以利用該通道實現天然氣井的正常生產，形成排液采氣工藝。

2.1 熱洗清蠟工藝

原油在舉升過程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，溶解的石蠟便以結晶體析出，長大聚集并沉積在抽油桿和油管壁上，出現所謂的結蠟現象［23］。油井的清蠟和防蠟是日常管理的重要工作之一。隨著生產時間的推移，油井結蠟將導致原油舉升通道受阻，抽油機的載荷上升，若不及時清蠟會導致油井無法正常生產，致使油井修井作業。

空心抽油桿熱洗清蠟技術原理如圖5所示，將空心抽油桿下至油井結蠟點以下，采用單流結構，液體只能從空心抽油桿內腔流出，不能從油管內腔流入。進行熱洗時，熱洗液從三通閥流入，沿空心抽油桿內腔流經單流閥，返出到油管內腔。由于空心抽油桿的內徑為23～30mm，過流面積小，熱洗所使用的介質用量較少，熱量損失較小，空心抽油桿熱洗有90%的熱量傳遞給油管內壁，常規熱洗只有50%左右的熱量傳遞給油管內壁［24］。

圖5 空心抽油桿熱洗清蠟技術原理示意

這種工藝在我國西部的春光油田、青海油田、新疆油田、寶浪油田、吐哈油田、玉門油田均已使用，提高了油井清蠟的效率、降低了操作成本，已經成為油井清蠟、防蠟的主要方法。

2.2 摻稀采油工藝

影響原油黏度的因素有輕質組分、直鏈烴類、膠質、瀝青質的含量；其中，前兩者含量降低，后兩者含量增加，原油黏度增加。稀油輕質組分和直鏈烴類與稠油具有較好的互溶性，摻入稀油可以減少稠油中瀝青的質量分數，增加稠油在稀油中的溶解量，降低瀝青粒子相互纏結程度，從而降低稠油的黏度［25-26］。隨著稠油黏度的降低，便可達到人工舉升的條件。空心抽油桿的摻稀采油工藝就是利用該原理，將稀油運至轉油池，用離心泵泵入稀油罐，再經過過濾器，通過摻稀泵泵入井筒內，稀油在摻稀點附近流入井筒，在井筒內與稠油充分混合，形成混合油，混合油的黏度可以達到有桿泵采油系統的順利舉升條件。目前，這種工藝廣泛應用于我國東部的遼河油田、西部的吐哈油田。空心抽油桿摻稀采油工藝原理如圖6所示。

圖6 空心抽油桿摻稀采油工藝原理示意

2.3 電加熱采油工藝

空心抽油桿電加熱采油工藝同樣是利用稠油對溫度的敏感，利用空心抽油桿集膚效應［27］，產生熱量并傳遞至井筒內的稠油，實現黏度的降低，達到正常舉升。空心抽油桿電加熱采油工藝原理如圖7所示。將工業用電380 V、50 Hz交流電流經過配電柜的變壓器變成單相高壓交流電（500 V、800 V、1 200 V），頻率在400～500 Hz，當高壓交變電流經過導線傳輸至電纜和空心抽油桿的接觸處并流經空心抽油桿時，空心抽油桿周圍變化的磁場在空心抽油桿中產生感應電流，從而使得沿空心抽油桿截面的電流分布不均勻，尤其當頻率較高時，電流幾乎集中在管內壁極薄層內流過［28］，從而大幅度增加電流阻抗，使空心抽油桿桿體的溫度升高。空心抽油桿溫度升高形成熱源，為井筒內的原油加熱，并可以通過調節頻率和功率控制加熱溫度。一般情況下，稠油都有一個拐點溫度，超過這個溫度，稠油黏度會明顯下降，反之稠油黏度會明顯上升。所以在現場應用的過程中，要確保井口溫度在拐點溫度以上，用以滿足原油的正常舉升。

圖7 空心抽油桿電加熱采油工藝原理示意

2.4 分層注水工藝

注水，是通過注水井向油層注水補充能量，保持油層壓力，是在依靠天然能量進行采油之后或油田開發早期為了提高采收率和采油速度而被廣泛采用的一項重要開發措施［23］。利用空心抽油桿的獨立通道，可對敏感地層實施精細注水。采用封隔器和橋式通道配合空心抽油桿工作，在完井過程中，將封隔器和滑套與油管柱結合，當油管下至指定位置后再下入空心抽油桿柱，保證空心抽油桿與橋式通道結合。在油管柱中注水，在一定的工作壓力下井底的滑套、井段中的封隔器會完全打開，對井筒進行卡封。空心抽油桿分層注水工藝原理如圖8所示。當卡封完成之后，就可以形成油套環空注一層、油管注一層、空心抽油桿注一層的注水工藝。這種工藝的最大優勢是：井下無水嘴，無鋼絲繩投撈作業，不僅節省投撈配水測試費用，而且避免投撈事故；可以實現地面直接驗封，水量直接讀取，容易實現遠程集中控制。

2.5 排液采氣工藝

空心抽油桿排液采氣的主要原理是利用高速氣流攜帶液滴，被高速氣流攜帶的液滴在氣流的作用下，其前后存在一個壓力差，在壓力差的作用下液滴會變成一個橢球體，扁平橢球體液滴具有較大的有效面積，更加容易被攜帶到井口中。在臨界流狀態下，液滴相對于井筒不動。液滴的重力等于浮力加阻力，有：

圖8 空心抽油桿分層注水工藝原理示意

式中ρ1——液體密度，kg/m3；

ρg——氣體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Vd——橢球體積，m3；

Cd——阻力系數，取1；

Ad——橢球的垂直投影面積，m2；

vg——臨界流速，m/s；

V——天然氣的體積，m3；

σ——氣液表面張力，N/m。

由公式（1）~（2）可以得到臨界流速公式（3）：

標準狀態下的氣體流量qc為：

式中At——空心抽油桿橫截面積，m2；

P——標準狀態下的大氣壓強，Pa；

Z——天然氣的偏差系數；

T——絕對溫度，K。

因此，根據公式（1）~（3）可計算出常用4種規格空心抽油桿在10 MPa以內的臨界攜液流量，具體見表1。相關資料顯示，應用空心抽油桿配合氣舉閥，在N2氣舉誘噴后可實現連續生產［29］。應用空心抽油桿進行排水采氣，為天然氣藏的高效開發提供了一種方式。

表1 4種規格空心抽油桿的臨界攜液流量m3/d

3 討論

從目前國內對空心抽油桿的制造可以發現，應用摩擦焊接和鍛造成型均可以實現，尚未發現有相關資料針對這兩種技術制造的空心抽油桿在材料性能上的比較，特別是針對疲勞性能的比較。根據SY/T 5550—2012中對性能的要求，這兩種制造工藝均可滿足。生產經驗表明，就結構而言，直接連接式加工工序較少，加工成本較低，結構優越性明顯，將成為空心抽油桿結構的發展方向。文獻［30］建議：對摩擦焊接式桿頭、接箍部位的內表面作統一標準要求，對摩擦焊接式的強度一致性及焊縫疲勞性能作統一標準要求。在實際應用過程中，以中國石油吐哈油田魯克沁采油廠為例，在應用摩擦焊接式空心抽油桿時，85%的質量問題發生在焊縫處；該采油廠在開采深井和超深井時已經全部更換成鐓鍛式空心抽油桿，桿柱的斷脫率已大幅度下降。

在空心抽油桿的應用方面，電加熱采油工藝、熱洗清蠟工藝、摻稀采油工藝、排液采氣工藝已經成為部分油田的主要開采方法。例如：中國石油青海油田英東采油廠大規模應用電加熱采油工藝；中國石油吐哈油田魯克沁采油廠大規模應用摻稀采油工藝；中國石化新疆勘探中心春光采油廠大規模應用熱洗清蠟工藝；中國石化中原油田應用排液采氣工藝，實現了水淹氣藏的開發。實踐證明，基于空心抽油桿密閉通道在采油和采氣工藝上的應用，可對特殊油氣藏實現有效開發。

4 結語

（1）空心抽油桿的制造有兩種方法：①鐓鍛式，在熱鍛成型制造過程中，鐓鍛式空心抽油桿以直接連接式為主要發展方向；②摩擦焊接式，制造工藝以摩擦焊接+形變熱處理工藝為發展方向，結構形式也是以直接連接式為主要發展方向。

（2）利用空心抽油桿進行油井清蠟、稠油開采、天然氣井排液采氣已經成為油氣井的主要開發方法之一，這些工藝的拓展應用可以讓油氣田的開發更加高效，讓難動用儲量、部分特殊油氣藏有了可靠的開采方法。

［1］魏新春.一體式空心抽油桿采油技術研究［D］.成都：西南石油大學，2003：1-2.

［2］張朋舉，王語，殷志杰，等.D級鐓鍛式空心抽油桿的熱處理工藝［J］.金屬熱處理，2015，40（1）：71-74.

［3］張朋舉，韓軍，鞠漢良，等.空心抽油桿螺紋黏結原因分析及預防［J］.鋼管，2014，43（5）：48-51.

［4］崔蘭，張玉鳳，霍立興，等.空心抽油桿摩擦焊接頭強韌性控制［J］.材料開發與應用，1997，12（5）：20-24.

［5］崔蘭，霍立興，張玉鳳，等.空心抽油桿摩擦焊接接頭斷裂失效分析［J］.石油礦場機械，2002，31（6）：49-51.

［6］張中信，朱海，吳則中，等.摩擦焊在石油機械制造業中的應用［J］.石油礦場機械，1998，27（1）：4-7.

［7］何艷玲，石志強，孫永興.空心抽油桿摩擦焊接頭的焊后熱處理工藝研究［J］.石油工程建設，2005，31（6）：49-51.

［8］劉軍.摩擦焊在美國的應用與發展［J］.焊接技術，1995（4）：46-47.

［9］王滕寧.摩擦焊在美國制造業中的應用［J］.山東機械，2003（4）：20-21.

［10］周君.摩擦焊技術發展與展望［J］.機械工人，2006（2）：27-29.

［11］Stayanarayana VV，Madhusudhan Reddy G，Mohandas T，et al.Continuous drive friction welding studies on AISI 430 ferritic stainless steel［J］．Science and Tecnology ofWelding and Joining，2003，8（3）：184-193.

［12］Hakan Ates，Mehmet Turker，Adem Kurt.Effect of friction pressure on the properties of friction welded MA956 iron-based superalloy［J］．Materialsand Design，2007，28（3）：1-6

［13］張俊.空心抽油桿摩擦焊工藝研究［D］.北京：中國石油大學，2008：1-2.

［14］陳祥禧.摩擦焊區焊熱處理工藝研究［J］.石油機械，2003，31（S1）：38-41.

［15］崔奮，張德松，王國正，等.外加厚油管一次成形技術應用分析［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：90-93.

［16］周勇，郭勝.鋼管加厚一次成型工藝的開發［J］.軋鋼，2007，24（1）：30-32.

［17］趙旺初，徐新成，楊向東，等.石油鉆桿管端加厚分步鐓鍛成形工藝研究［J］.鍛壓技術，2014，39（12）：10-13.

［18］周瑞芬，柏琳，高源.油田用抽油桿鐓鍛成形過程數值仿真研究［J］.科學技術與工程，2010，10（26）：6415-6420.

［19］俞彥勤，黃早文，鄧小山，等.抽油桿鐓鍛成形新工藝的試驗研究［J］.機械工藝師，2000（2）：10-11.

［20］黃早文，俞彥勤，唐鍇，等.抽油桿頭部鐓鍛［J］.石油機械，1993，21（8）：1-6.

［21］黃早文，俞彥勤，劉和平，等.淺析空心抽油桿頭部鍛造成形［J］.石油機械，1994，22（12）：12-15.

［22］段元凱，殷志杰，張麗媛，等.液壓鐓鍛空心抽油桿成型技術研究及應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2014，34（10）：181.

［23］張琪.采油工程原理與設計［M］.東營：中國石油大學出版社，2006：348-349.

［24］邱海濤，馬艷，劉亮，等.空心抽油桿工藝技術在青海油田的運用及推廣［J］.鉆采工藝，2008，31（5）：150-151.

［25］張琪，王釗，萬仁溥．采油工程方案設計［M］．北京：石油工業出版社，2002：150-160.

［26］鄢宇杰，李永壽，邱小慶．塔河油田摻稀降黏技術研究及應用［J］．石油地質與工程，2012，26（6）：108-110.

［27］王旭.遼河油區稠油開采技術及下步技術攻關方向探討［J］.石油勘探與開發，2006，33（4）：484-490.

［28］李啟堂，王立影，何東升，等.基于集膚效應的空心抽油桿電熱系統的數值計算［J］.石油學報，2005，26（3）：110-113.

［29］宇文雙峰，劉剛，杜香梅，等.白廟凝析氣田空心抽油桿排液采氣工藝技術的應用［J］.鉆采工藝，2004，27（2）：26-29.

［30］張朋舉，任坤，單慧玲，等.空心抽油桿行業標準適應性分析［J］.石油礦場機械，2015，44（8）：30-33.

Domestic Manufac ture and App lication of Hollow Sucker Rod

ZHANG Pengju1，ZHANG Desong1，YIN Zhijie1，SUN Qi2，ZHAO Quan2
（1.Machinery Plant，PetroChina Tuha Oilfield Company，Shanshan 838202，China；（2.Jiudong Oil Production Plant，PetroChina Yumen Oilfield Company，Jiuquan 735000，China）

Described in the article are themain structure of and themanufacturing process for the home-made hollow sucker rod.And analyzed are the fivemajor applied processes of the said rod，i.e.，hot-washing of paraffin，dilute oil production，electric heating oil production，separate layer injection，and drainage gas recovery.The analysis result leads to such a conclusion that the direct connection type will become the development trend of the hollow sucker rod structure type；and for domestically manufacturing the sucker rod，the forge-formation process and the friction welding+thermomechanical treatment will be employed as themain method，and that the serial applied processes of the hollow sucker rod will be the effective selection by domestic exploitation of heavy oil field，high wax oil field and gas field.

hollow sucker rod；manufacture；app lication；structure；direct connection type；upsetting type；friction welding type

TG335.7；TE933+.2

A

1001-2311（2016）06-0040-06

2016-05-17；修定日期：2016-08-01）

張朋舉（1983-），男，碩士，工程師，從事空心抽油桿的制造與應用方面的研究工作。