王一平（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

抽油機(jī)井生產(chǎn)過程中，金屬光桿磨損是一種常見現(xiàn)象，通常這一過程比較緩慢。但是在注聚開采以后，隨著聚合物采出濃度的升高，井液中的聚合物對(duì)光桿金屬表面腐蝕作用加劇了磨損，造成了井口盤根密封不嚴(yán)，井液泄漏，既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度又造成了環(huán)境污染[1]。由于出現(xiàn)了上述影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的情況，研究了激光熔覆液體式多元共滲光桿并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 光桿磨蝕現(xiàn)狀

目前，大慶采油六廠抽油機(jī)井共開井2362口，其中水驅(qū)井1180口，聚驅(qū)井1182口；光桿磨蝕嚴(yán)重井489口，其中水驅(qū)井81口，聚驅(qū)井408口（表1）。

表1 采油六廠光桿磨蝕嚴(yán)重抽油機(jī)井統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)情況來看，光桿磨蝕嚴(yán)重井主要集中在聚驅(qū)，水驅(qū)的81口井都屬于高含水井，平均含水達(dá)98%。從現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果來看，光桿磨蝕主要分兩種情況：

1）光桿表面布滿形狀不規(guī)則的磨蝕點(diǎn)。主要分布在光桿的下部，造成光桿表面粗糙，無法與盤根緊密接觸，并加劇了盤根的磨損，嚴(yán)重時(shí)磨蝕點(diǎn)連成溝槽。

2）光桿磨損粗細(xì)不均。光桿下部磨損嚴(yán)重，上部磨損較輕，磨損嚴(yán)重的井光桿上部與下部直徑相差達(dá)6mm，使盤根無法適應(yīng)光桿直徑變化，造成井液泄漏。

現(xiàn)場(chǎng)以第一種磨蝕占多數(shù)，第二種磨蝕較少，通常也伴有磨蝕點(diǎn)。由于光桿的嚴(yán)重磨蝕，使盤根無法密封，造成井液泄漏，污染了采油樹和井場(chǎng)，使加盤根的周期大大縮短。正常情況下，抽油機(jī)井的加盤根周期一般在90天左右，光桿嚴(yán)重磨蝕井的加盤根周期平均只有7天左右，周期最短的井只有4天，大大增加了工作強(qiáng)度（表2）。

表2 正常井與光桿磨蝕井加盤根周期對(duì)比

抽油機(jī)井在生產(chǎn)過程中，井液中的原油在光桿的表面形成了一層很薄的油膜，這層油膜有兩個(gè)作用：對(duì)光桿起到潤(rùn)滑作用，減輕磨損；保護(hù)光桿表面不受井液中氯離子、硫化氫、無機(jī)鹽等成分的腐蝕。隨著油田進(jìn)入特高含水期，高含水井液中含油越來越少，不能形成有效的油膜，保護(hù)光桿不受磨損和腐蝕[2]。特別是注聚以后，井液中的聚合物對(duì)光桿表面的油膜有破壞作用，因此更加劇了光桿的磨蝕[3]。

2 工藝原理及光桿性能指標(biāo)

2.1 耐磨抗腐蝕性強(qiáng)

激光熔覆液體式多元素共滲工藝是通過液態(tài)型式把含有提高產(chǎn)品性能的元素（主要的七種：碳、氮、氧、硫、鋁、鋅、鉻）滲透到抽油光桿體中的工藝。在傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了兩步涂鍍法：第一步為激光熔覆層。利用內(nèi)表面激光熔覆和激光相變硬化等激光改性技術(shù)，對(duì)相應(yīng)鋼級(jí)的抽油光桿表面進(jìn)行復(fù)合處理獲得的新的表面組織，處理后的表面HV（維氏硬度）達(dá)700以上，硬層深度0.1～0.2mm。第二步為非金屬復(fù)合涂層。在激光熔覆層上噴涂一種有機(jī)和無機(jī)相結(jié)合的非金屬材料，該材料在航空及航天領(lǐng)域率先使用，把該技術(shù)引用到光桿的耐磨、防腐領(lǐng)域中來。該復(fù)合材料有極低的摩擦系數(shù)（耐磨系數(shù)0.01），自潤(rùn)滑性，化學(xué)性能十分穩(wěn)定，對(duì)油管基體的覆蓋性和結(jié)合力非常好。該復(fù)合涂層經(jīng)過臺(tái)式直線和旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)加荷2t，連續(xù)500h不間斷試驗(yàn)，涂層無脫落，無磨損現(xiàn)象。通過上述兩步法使該光桿表面的防腐蝕、抗磨等性能更突出、更穩(wěn)定。

這種工藝能使被處理的光桿增加表面硬度，提高耐磨性。光桿經(jīng)過處理后，桿體表面可形成含碳、氮、氧、硫、鋁、鋅、鉻的ε相（Fe2-3N）和γ相（Fe4N）以及含氮奧氏淬火層。這種化合物由于表面組織致密，化學(xué)穩(wěn)定性高，阻止了采出液中金屬原子與光桿的直接接觸，從而防止了腐蝕原電的形成，使光桿耐磨和防腐蝕性大大提高。

2.2 疲勞抗力及耐磨性強(qiáng)

激光熔覆液體式多元素共滲工藝可顯著提高材料的疲勞抗力。依靠化合物層下的擴(kuò)散層作用氮過飽和固溶于α-Fe中，可阻礙錯(cuò)位的移動(dòng)，使?jié)B層具有更高的疲勞極限，從而提高了材料的疲勞強(qiáng)度。該工藝能極大地提高光桿的表面硬度、耐磨性，降低摩擦系數(shù)增加減磨性。經(jīng)試驗(yàn)，耐磨性達(dá)到常規(guī)表面淬火的16倍以上，是表面鍍硬鉻和表面離子氮化的2倍多，疲勞極限提高40%左右。

2.3 性能指標(biāo)

經(jīng)試驗(yàn)，多元素共滲光桿的抗腐蝕性是1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料光桿的5倍，是表面鍍硬鉻光桿的7倍，是發(fā)黑光桿的280倍。多元素共滲處理后的光桿表面有一層致密、高硬度的非金屬化合物，HV（維氏硬度）達(dá)700以上，共滲化合物具有良好自潤(rùn)滑性能，抗咬合、粘結(jié)特性顯著，可完全避免螺紋黏扣現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)，機(jī)械上扣扭矩大于或等于3900N·m，連續(xù)上、卸扣40個(gè)周期以上螺紋無任何變化，抗粘結(jié)壽命提高10倍以上。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

該多元共滲工藝使桿體在長(zhǎng)度及內(nèi)外表面上，組織及綜合性能均勻一致，完全克服了其他工藝的性能不均勻缺陷。光桿表面形成的防腐層（厚度約20～40μm，有機(jī)體本身形成的隔離層）與桿機(jī)體的結(jié)合為“冶金結(jié)合”，不會(huì)產(chǎn)生層裂或剝離現(xiàn)象；而其他形式的防腐層如鍍層、涂敷層均為“機(jī)械結(jié)合”，結(jié)合強(qiáng)度小，會(huì)存在不同程度的層裂和剝離現(xiàn)象。

光桿經(jīng)過處理后幾乎沒有變形產(chǎn)生，解決了常規(guī)熱處理方法難以解決的硬化變形的難題。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

2014年6月以來先后在5口抽油機(jī)井上開展了激光熔覆液體式多元共滲光桿耐磨蝕的試驗(yàn)。表3是5口井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以看出其平均加盤根周期只有5天左右。

表3 試驗(yàn)井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 首次試驗(yàn)失敗

在使用多元共滲光桿初期，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)將7種元素滲透到光桿體中，但光桿在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)是聚合物驅(qū)油把油層內(nèi)氫氧化合物、含酸物、油和水一同驅(qū)出油層，導(dǎo)致光桿嚴(yán)重腐蝕，需在共滲元素上找試驗(yàn)失敗的原因。

3.2 后續(xù)試驗(yàn)成功

經(jīng)過研究后，又添加了2種元素鎢和鎳。因?yàn)榻饘冁u元素具有硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定、耐磨蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)，且鎢只有在1000℃以上才出現(xiàn)氧化物揮發(fā)和液體氧化物，在溫度80～100℃情況下不與空氣、鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸以及王水起作用。鎳也是硬度高且延屬性強(qiáng)并具有鐵磁性的金屬，具有在空氣中難氧化，不易與濃硝酸、鹽酸、硫酸、有機(jī)酸反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 試驗(yàn)效果

在6月份更換試驗(yàn)光桿后，這幾口井的盤根周期由5天左右延長(zhǎng)至現(xiàn)在的90天左右，現(xiàn)場(chǎng)觀察光桿表面光潔，沒有出現(xiàn)磨蝕點(diǎn)，盤根也沒有井液泄漏，有效延長(zhǎng)了光桿使用壽命，延長(zhǎng)了更換光桿的周期。對(duì)比5口井試驗(yàn)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，最大載荷降低5.82kN，最小載荷升高1.66kN，交變載荷降低7.48kN。系統(tǒng)消耗的有功功率降低了8.5%，系統(tǒng)效率增加了8.51%，百米噸液耗電降低了30%（表4）。

表4 5口井試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）試驗(yàn)表明，多元素共滲光桿的抗腐蝕性是1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料光桿的5倍，是表面鍍硬鉻光桿的7倍，是發(fā)黑光桿的280倍。

2）多元素共滲處理后的光桿表面有一層致密、高硬度的非金屬化合物，HV（維氏硬度）達(dá)700以上，共滲化合物具有良好的自潤(rùn)滑性能，抗咬合、粘結(jié)特性顯著，可完全避免螺紋黏扣現(xiàn)象，抗粘結(jié)壽命提高10倍以上，與普通光桿對(duì)比節(jié)能10%左右。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明激光熔覆液體式多元共滲光桿具有優(yōu)異的耐磨蝕性能且各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于其他光桿。

[1]陳濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:263-264.

[2]楊海濱,李漢周,劉松林,等.抽油機(jī)井桿管防偏磨理論研究與技術(shù)實(shí)踐[M].北京:中國石化出版社,2000:12-15.

[3]趙子剛,陳會(huì)軍.抽油桿管偏磨機(jī)理與防治[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2000,19(3):32-34.