碳纖維連續(xù)抽油桿的應(yīng)用及節(jié)能效果分析

白羽

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

抽油機(jī)舉升系統(tǒng)所使用的金屬抽油桿，存在以下幾方面問(wèn)題：一是桿管偏磨嚴(yán)重，目前為鋼-鋼摩擦，采取扶正器預(yù)防后，活塞效應(yīng)加劇，懸點(diǎn)載荷加大；二是鋼制抽油桿密度大，桿斷脫概率增大、能耗高；三是三元驅(qū)和深井等特殊井還存在腐蝕斷裂、漏失、舉升難等問(wèn)題。為了緩解金屬抽油桿的上述問(wèn)題，近年來(lái)，逐漸應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料抽油桿。碳纖維連續(xù)抽油桿是一種新型抽油桿，是由碳纖維、樹(shù)脂、玻璃纖維等原材料按照合適配比，以耐高溫樹(shù)脂作為基體，以碳纖維作為增強(qiáng)材料，經(jīng)拉擠工藝制成的復(fù)合材料制品，具有密度小、耐磨、耐腐蝕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)[1-3]。該技術(shù)最早起源于美國(guó)，國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿的研究從21世紀(jì)開(kāi)始，在新疆油田、勝利油田等有所應(yīng)用，取得了明顯的節(jié)能降載效果。為此，開(kāi)展碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，進(jìn)一步研究碳纖維連續(xù)抽油桿的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)配套技術(shù)，優(yōu)化桿柱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井降載、節(jié)電。

1 碳纖維連續(xù)抽油桿特性

為確定碳纖維連續(xù)抽油桿的性能，驗(yàn)證該材質(zhì)的抽油桿與鋼質(zhì)抽油桿相比有哪些優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與國(guó)家石油裝備監(jiān)督檢驗(yàn)中心合作，參考SY/T 6585—2013、GB/T 2577—2005、SY/T 5029—2013、GB/T 3854—2005、GB/T 228.1—2010 等國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿的力學(xué)、密度、腐蝕等性能進(jìn)行了檢測(cè)。

1.1 力學(xué)性能

碳纖維連續(xù)抽油桿具有良好的耐疲勞、抗拉性能。對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞壽命在100 萬(wàn)次以上。在抗拉性能試驗(yàn)中，?19 mm 抽油桿最大拉力達(dá)到371 kN。相同條件下，進(jìn)行同樣尺寸鋼制抽油桿試驗(yàn)，最大拉力為194 kN。

?19 mm 碳纖維抽油桿材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到1 207 MPa，彎曲彈性模量70 GPa，既有較高的彎曲強(qiáng)度，也有一定的柔韌性。

碳纖維連續(xù)抽油桿具有良好的層間剪切性能。應(yīng)用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳纖維抽油桿層間剪切強(qiáng)度要求為60 MPa，?19 mm 桿體的層間剪切強(qiáng)度高達(dá)80 MPa，高于指標(biāo)要求33.3%。

1.2 抽油桿密度

對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿進(jìn)行硬度、密度檢測(cè)，應(yīng)用巴克爾硬度計(jì)對(duì)碳纖維連續(xù)抽油桿擠壓，平均巴克爾硬度55 HBa，高于鋼制抽油桿標(biāo)準(zhǔn)。

密度檢測(cè)方面，應(yīng)用密度儀，通過(guò)測(cè)量樣品在空氣中質(zhì)量和水中質(zhì)量，計(jì)算密度值，不同材質(zhì)質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表1。碳纖維連續(xù)抽油桿單位長(zhǎng)度質(zhì)量約是鋼制抽油桿的四分之一，可以大幅降低抽油桿柱懸點(diǎn)載荷。

表1 不同材質(zhì)質(zhì)量對(duì)比Tab.1 Comparison of the quality of different materials

1.3 耐腐蝕性

將碳纖維連續(xù)抽油桿樣品分別在水驅(qū)采出液、聚驅(qū)采出液、三元采出液中浸泡3 個(gè)月，表觀均無(wú)變化。對(duì)浸泡后的樣品進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，腐蝕前后力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表2。抽油桿彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、層間剪切強(qiáng)度腐蝕后性能剩余量在97%以上，抗拉強(qiáng)度的性能剩余量在90%左右，說(shuō)明碳纖維抽油桿的桿體抗腐蝕性能良好。

表2 腐蝕前后力學(xué)性能對(duì)比Tab.2 Comparison of mechanical properties before and after corrosion

2 配套作業(yè)技術(shù)

由于碳纖維抽油桿是連續(xù)柔性桿，常規(guī)井下作業(yè)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)起、下桿作業(yè)，因此需要研制專用的作業(yè)裝置和連接工具，確保在符合安全規(guī)定的前提下，滿足作業(yè)需求。

2.1 作業(yè)裝置研制

專用起、下桿作業(yè)設(shè)備的作業(yè)部分以電動(dòng)液壓系統(tǒng)為輸出動(dòng)力，其作業(yè)平臺(tái)上裝有通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的牽引機(jī)頭，載荷可達(dá)到500 kN，由牽引機(jī)頭夾持碳纖維連續(xù)抽油桿進(jìn)行起、下及防沖距的調(diào)整，速度可以達(dá)到20 m/min。并且該設(shè)備上裝有電子計(jì)數(shù)裝置，可準(zhǔn)確記錄下井桿長(zhǎng)度。

碳纖維連續(xù)抽油桿地面作業(yè)裝置由運(yùn)載車、控制箱、滾筒、排桿器、井口導(dǎo)向器、計(jì)長(zhǎng)儀等部分組成。碳纖維連續(xù)抽油桿地面作業(yè)裝置組成見(jiàn)圖1，井口導(dǎo)向器固定在井口四通的法蘭上，可以繞井口的垂直線旋轉(zhuǎn)，使碳纖維抽油桿垂直對(duì)準(zhǔn)井眼；作業(yè)車有排桿器，便于在滾筒外多層纏繞碳纖維連續(xù)抽油桿，并配備測(cè)重器和計(jì)長(zhǎng)器，用來(lái)測(cè)量抽油桿柱的質(zhì)量和長(zhǎng)度。

圖1 碳纖維連續(xù)抽油桿地面作業(yè)裝置組成Fig.1 Structure of ground operation device for carbon fiber continuous sucker rod

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有4 方面：一是整車高度設(shè)計(jì)，根據(jù)碳纖維連續(xù)抽油桿最小彎曲半徑，綜合考慮設(shè)計(jì)了收卷盤直徑，同時(shí)將裝載車底盤下沉，整車高度3.9 m，保證整車高度符合道路運(yùn)輸規(guī)定；二是電動(dòng)機(jī)功率匹配，根據(jù)作業(yè)時(shí)碳纖維連續(xù)抽油桿拉力，計(jì)算出卷盤最大扭矩，進(jìn)而推算出電動(dòng)機(jī)最大輸出功率，經(jīng)綜合考慮，電動(dòng)機(jī)功率設(shè)計(jì)為45 kW，滿足了作業(yè)施工要求；三是安全制動(dòng)系統(tǒng)，匹配了手動(dòng)制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)和蝸輪蝸桿減速器三級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)，保證了施工安全性；四是井口導(dǎo)向裝置增加了滾動(dòng)滑輪和端部橫梁，避免了作業(yè)過(guò)程中桿體損傷和桿體斷裂飛出的安全隱患。

2.2 連接技術(shù)

連接技術(shù)是保證碳纖維抽油桿可靠使用的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿與光桿、加重桿的可靠連接，同時(shí)方便作業(yè)施工，開(kāi)展了桿柱連接技術(shù)研究。

1）確定桿柱結(jié)構(gòu)。因碳纖維連續(xù)抽油桿密度小、質(zhì)量輕，為保證下沖程時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行，桿柱需匹配加重桿。為實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿與光桿、加重桿的可靠連接，同時(shí)考慮后期作業(yè)施工，最終確定了桿柱結(jié)構(gòu)由上至下依次為光桿、防斷脫連接頭、碳纖維連續(xù)抽油桿、防斷脫接頭、旋轉(zhuǎn)接頭、安全接頭、加重桿、泵內(nèi)扶正桿。

2）研制連接技術(shù)。為保證碳纖維連續(xù)抽油桿可靠連接，設(shè)計(jì)研制了防斷脫接頭、安全接頭、旋轉(zhuǎn)接頭。防斷脫接頭包括外套、錐套和螺紋連接體。外套的內(nèi)側(cè)設(shè)有與錐套匹配的錐面；錐套的中央設(shè)置有通孔，抽油桿穿在該通孔內(nèi)，錐套的兩端分別設(shè)置兩個(gè)切口，從錐套的兩端沿軸線方向切入，兩個(gè)切口的切面相互垂直；螺紋連接體通過(guò)螺紋連接在外套的端部并將錐套封在外套內(nèi)，其作用是防止預(yù)先與碳纖維壓緊的連接襯套后退位移導(dǎo)致接頭與碳纖維連續(xù)抽油桿分離。螺紋連接體另一端與抽油桿桿柱連接，采用錐面夾緊結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐套滑動(dòng)后產(chǎn)生的擠壓作用來(lái)夾緊抽油桿，抽油桿的載荷越大夾緊力越大，最大拉力可達(dá)35 t。此外，由于連續(xù)桿在施工連接安裝時(shí)，桿體不能自由旋轉(zhuǎn)的原因，需要在防斷脫接頭下端連接可自由旋轉(zhuǎn)的連接頭，且桿柱下井時(shí)存在一定旋轉(zhuǎn)角度，考慮會(huì)影響碳纖維連續(xù)抽油桿力學(xué)性能，因此設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)接頭。旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部可自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)接頭上部連接安全接頭，下部連接加重桿。為有效解決砂卡、蠟卡情況下桿體難以拔出的問(wèn)題，研制了安全接頭。安全接頭由安全體和下接頭組成，安全體內(nèi)設(shè)置剪切銷釘，當(dāng)桿柱拉力大于120 kN 時(shí)，銷釘被剪斷，作業(yè)時(shí)碳纖維連續(xù)抽油桿可順利起出。安全接頭上端連接防斷脫接頭，下端連接旋轉(zhuǎn)接頭[4-6]。

3 桿柱優(yōu)化試驗(yàn)

研究碳纖維連續(xù)抽油桿與加重桿的合理比例，在保證施工順利的同時(shí)，最大限度發(fā)揮碳纖維連續(xù)抽油桿的節(jié)能效果。

開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)井模擬試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同舉升條件下碳纖維連續(xù)抽油桿和加重桿的節(jié)能效果。評(píng)價(jià)了4 種桿柱組合在4 種不同沉沒(méi)度下的系統(tǒng)效率。試驗(yàn)條件：沖程3 m、沖次4 min-1，泵深870 m，加重桿采用?25 mm 鋼制抽油桿。

碳纖維連續(xù)抽油桿與加重桿匹配比例：

方案一：碳纖維連續(xù)抽油桿750 m+加重桿120 m（加重桿占桿柱質(zhì)量20%）。

方案二：碳纖維連續(xù)抽油桿648 m+加重桿222 m（加重桿占桿柱質(zhì)量30%）。

方案三：碳纖維連續(xù)抽油桿546 m+加重桿324 m（加重桿占桿柱質(zhì)量40%）。

方案四：碳纖維連續(xù)抽油桿444 m+加重桿426 m（加重桿占桿柱質(zhì)量55%）。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案二在動(dòng)液面400~600 m內(nèi)，系統(tǒng)效率最高，保持在32%以上。因此在進(jìn)行桿柱配比方案設(shè)計(jì)時(shí)，加重桿占桿柱重量比例在30%左右為宜。桿柱配比室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 桿柱配比室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of indoor simulation test of rod ratio

4 節(jié)能效果分析

4.1 試驗(yàn)井應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

碳纖維連續(xù)抽油桿具有的質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高耐磨的特性，適用于存在偏磨問(wèn)題的抽油機(jī)井、換大泵增產(chǎn)時(shí)抽油機(jī)型號(hào)偏小井而需要加深泵掛深抽的抽油機(jī)井、低系統(tǒng)效率抽油機(jī)井[7-8]。

在某采油廠開(kāi)展了碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，目前共應(yīng)用106 口井，表現(xiàn)出較好的節(jié)能降載效果，應(yīng)用后平均最大懸點(diǎn)載荷下降20.2%，平均系統(tǒng)效率上升8.37 個(gè)百分點(diǎn)，平均節(jié)電率達(dá)到24.39%，年節(jié)電能力達(dá)到了137.47×104kWh。106口試驗(yàn)井應(yīng)用效果見(jiàn)表3。

表3 106 口試驗(yàn)井應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Application statistics of 106 test wells

其中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)30 口井，將長(zhǎng)沖程智能抽油機(jī)超長(zhǎng)舉升能力與碳纖維連續(xù)抽油桿防磨降載的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了降低交變載荷、降低舉升能耗、提高泵效的目的[9-10]。應(yīng)用的30 口井平均單井沖程48.3 m、沖次0.09 min-1、動(dòng)液面460 m、日耗電46.2 kWh。與游梁式抽油機(jī)相比，沖程增加11.2 倍，沖程損失由16.7%降至1.0%，沖次下降53 倍，交變載荷下降32%，日耗電下降69.6 kWh，有功節(jié)電率40.1%。

4.2 效益預(yù)計(jì)

優(yōu)化后管理與優(yōu)化前無(wú)變化，其他費(fèi)用不變，只需計(jì)算節(jié)電效益。按生產(chǎn)時(shí)間350 d、電價(jià)0.706 1 元/kWh計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)97.07萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）在油田開(kāi)發(fā)后期，碳纖維連續(xù)抽油桿具有低能耗、低維護(hù)成本的優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低油田開(kāi)發(fā)成本，推動(dòng)抽油機(jī)井舉升工藝的發(fā)展。

2）與鋼制抽油桿相比，碳纖維抽油桿具有密度小、抗拉強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低桿柱載荷，累計(jì)應(yīng)用106 口井，平均節(jié)電率達(dá)到24.39%，年節(jié)約電費(fèi)97.07 萬(wàn)元，具有很好的節(jié)電效果。

3）碳纖維連續(xù)抽油桿可以應(yīng)用在不同類型的抽油機(jī)上，在超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)上的應(yīng)用效果比普通抽油機(jī)更好。