塔河油田抽油桿接箍磨損腐蝕研究與對策

李京帥 李 森 王尊策 任向海 王子研 李若寧 陳 星

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油田主要的采油方式逐漸由自噴式采油轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械式采油，其中以有桿泵開采方式占據(jù)主導地位。 然而，抽油桿接箍的斷裂會導致有桿泵采油運行效率降低、產(chǎn)液能力下降和系統(tǒng)效率降低［1］。 針對抽油桿接箍失效的問題，倪國斌從理論上敘述了機械式開采方式的機理，提出為提高機械式采油效率需進一步探究阻礙機械式采油的因素［2］。 為了深入研究導致機械式采油低效的原因，眾多研究人員根據(jù)抽油桿的生產(chǎn)工藝流程，分析引起抽油桿接箍斷脫的原因，并提出相應(yīng)的預防措施［3～8］。 部分研究者通過實驗并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，根據(jù)抽油桿接箍在油田中的使用情況，通過扶正類防偏磨技術(shù)延長抽油桿的服役年限［9～14］。 由于各油田井況和采油工藝不同，眾多學者致力于對抽油桿接箍本身材料性能的研究，但缺乏對某油井具體工況的分析。 為此，筆者針對塔河油田具體井況（奧陶系碳酸鹽巖油藏， 有桿泵采油井占總生產(chǎn)井的比例為86.8%）和開采條件，將材料基體為35CrMo 的典型抽油桿接箍失效件作為研究對象， 從宏觀、微觀角度分析抽油桿接箍失效的因素，通過對新型扶正防偏磨金屬接箍的扶正滑套外表面進行鎳基合金熱噴涂工藝處理，使之達到扶正、防磨損和防腐蝕的目的，為機械采油設(shè)備的研發(fā)與改進奠定基礎(chǔ)，也為相關(guān)設(shè)計提供參考。

1 宏觀形貌分析

在油田生產(chǎn)過程中，由于抽油桿接箍安裝位置和工況的差異，其磨損和腐蝕情況也存在差異性。 據(jù)統(tǒng)計，2017 年塔河油田抽油機井中因桿和泵發(fā)生故障的井共有230 口，其中因桿柱斷脫而檢修的井數(shù)為56 口，約占總故障井數(shù)的1/4。圖1所示的是不同抽油桿接箍的磨損程度，因3#接箍磨損狀況較為普遍， 故以3#接箍作為研究對象，對它進行磨損腐蝕分析。

3#接箍基體外圓面一側(cè)基本被磨穿且中部出現(xiàn)一條裂紋，內(nèi)部螺紋磨損嚴重，連接強度下降，接箍產(chǎn)生裂紋處存在明顯的腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物（圖2），該抽油桿接箍直接造成油井故障，導致油井停產(chǎn)。 3#接箍位于TK477 井，其位置在泵上900m 左右，兩端連接7/8 英寸（22mm）抽油桿，該油井下泵深度為1 904～2 376m，接箍原始壁厚為7.145mm，經(jīng)測量磨損后平均壁厚為1.770mm， 磨損率達75.23%。 在下沖程過程中，抽油桿柱受壓而產(chǎn)生螺旋屈曲，由于抽油桿接箍外徑大于抽油桿桿體外徑，因此抽油桿接箍優(yōu)先與油管接觸，進而產(chǎn)生局部偏磨，偏磨嚴重時就會導致接箍失效。

2 材料性能分析

2.1 材料化學成分

為了確定抽油桿接箍材料本身對失效形式的影響，需要進行化學成分分析。 在圖2 所示的裂紋壁上取樣，使用德國斯派克直讀光譜儀對材料為35CrMo 的抽油桿接箍進行化學成分分析，檢測結(jié)果和GB/T 699—1999 中35CrMo 的成分對比見表1。可以看出，塔河油田抽油桿接箍材料化學成分符合國標的要求。

表1 抽油桿接箍材料化學成分 %

2.2 硬度測試

為了確保該抽油桿接箍的加工過程滿足生產(chǎn)要求，需要進行硬度測試。 在開裂接箍不同位置處選取3 個具有代表性的測試點進行硬度測試。 3 個測試點的硬度值分別為234、240、231HBS，可以得到接箍的平均硬度值為235HBS，根據(jù)GB/T 699—1999 中的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后35CrMo 的硬度值不小于229HBS10/3000，因此3#接箍的硬度符合國標要求。

2.3 金相分析

在生產(chǎn)過程中，高溫高壓可能會造成接箍主體本身的組織變化， 因此需要進行金相分析，觀察其微觀組織形態(tài)。 選取同批次未經(jīng)使用接箍和3#接箍制備金相試件，分別經(jīng)打磨、拋光和腐蝕后用蔡司Axiovert 25 光學顯微鏡進行觀察。 由圖3 可知，白色物體為接箍金相組織中的鐵素體，黑色物體為索氏體，均屬于正常組織，因此可以排除由材料組織變化而引起接箍失效的可能性。

圖3 兩種接箍金相組織對比

3 腐蝕微觀形貌分析

3.1 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

保留3#接箍表面腐蝕物， 并加工成電鏡試件，進行超聲波清洗，利用掃描電鏡觀察腐蝕產(chǎn)物，結(jié)果如圖4、5 所示。 由圖4 可知，低倍鏡下3#接箍表面有大量的微裂紋、 孔洞和夾雜相生成。接箍表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋， 腐蝕產(chǎn)物組織疏松、附著性差，無法對基體形成保護，為腐蝕離子提供通道，進一步加劇腐蝕。 由圖5 可知，高倍鏡下接箍斷口大部分是沿晶開裂的，裂紋沿著大致垂直所施應(yīng)力的晶界延伸， 斷口存在部分韌窩狀態(tài)。 因此，外加應(yīng)力導致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕，最終造成了接箍斷口處的嚴重腐蝕。

圖4 低倍鏡下裂紋源區(qū)形貌 ×200

圖5 高倍鏡下裂紋源區(qū)形貌 ×1600

3.2 能譜儀微觀成分分析

多種腐蝕性元素的腐蝕產(chǎn)物均有組織疏松、附著性差的特征， 需要進行能譜儀微觀成分分析，明確腐蝕性介質(zhì)的類型。

在3#接箍表面腐蝕嚴重區(qū)域， 選取18 個點進行能譜儀微觀成分分析，筆者選取其中具有代表性的3 個點進行分析（圖6～8），并將光譜處理分析結(jié)果列于表2～4。

圖6 第1 個點斷面腐蝕區(qū)能譜分析圖

圖7 第2 個點斷面腐蝕區(qū)能譜分析圖

圖8 第3 個點斷面腐蝕區(qū)能譜分析圖

表2 第1 個點光譜處理分析結(jié)果

表3 第2 個點光譜處理分析結(jié)果

（續(xù)表3）

表4 第3 個點光譜處理分析結(jié)果

（續(xù)表4）

可以看出， 除了接箍本身的主要元素C、Fe含量高以外，Cl、S 等較為典型的強腐蝕性元素含量也較高。 由于腐蝕產(chǎn)物受到偏磨，其腐蝕性元素的含量遠高于能譜儀分析的比例，故接箍所受腐蝕較為嚴重。 此外，腐蝕產(chǎn)物中含有少量Ca 和Na 元素，在腐蝕區(qū)形成了少量質(zhì)地疏松的腐蝕產(chǎn)物。

4 新型防偏磨金屬接箍扶正器

由上文分析可知，抽油桿接箍材料與加工方式完全滿足生產(chǎn)要求，是偏磨和腐蝕造成了井下抽油桿接箍的失效。 為了減少抽油桿接箍的偏磨和腐蝕現(xiàn)象，且針對塔河油田超深、高溫、高壓和非均質(zhì)性極強的油井特點，筆者以由基本扶正器結(jié)構(gòu)演化而來的扶正防偏磨金屬接箍作為研究對象進行詳細分析。

4.1 扶正防偏磨金屬接箍技術(shù)

扶正防偏磨金屬接箍由接箍主體、 扶正滑套、限位螺扣和銷釘組成。 在扶正滑套表面進行鎳基合金熱處理工藝，可起到防偏磨、防腐蝕的作用。 此接箍結(jié)構(gòu)簡單緊湊、扶正滑套便于裝卸和更換，在節(jié)約成本的同時，兼具扶正、防局部偏磨和防腐蝕的效果。

4.2 鎳基合金熱噴涂工藝

抽油桿接箍通過熱處理工藝后，可提高材料的耐腐蝕性、耐磨性。 其中，鎳基合金元素主要包括鉻、鉬、鎢及少量的鈮、鉭和銦，除具有較好的耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕和焊接性能也顯著提高， 通過噴涂工藝將它包覆在基體材料內(nèi)部，起到防腐蝕、防偏磨的效果。 目前，鎳基合金熱噴涂工藝在油田中已被廣泛應(yīng)用。

5 現(xiàn)場實驗與效果評價

通過對多個油井進行檢泵工作， 選取了井液具有較高礦化度、 生產(chǎn)期間含水率偏高且桿管偏磨較為嚴重的某個井， 進行扶正防偏磨金屬接箍現(xiàn)場實驗。 該井使用型號為38×5.1/CYB38TH6.6-1.2 的管式泵，泵掛深度2 919.18m，初期以5m×3n/min 的工作制度試抽求產(chǎn)，油壓0.8MPa，套壓0MPa，回壓0.8MPa，電流36/41A，出液穩(wěn)定。該油井整體抽油桿柱下部接箍偏磨嚴重， 其中第172根抽油桿 （井下1 376m 左右） 以下3/4 英寸（19mm）抽油桿接箍偏磨最為嚴重。 因此在完井柱塞以上140 根抽油桿（泵上1 120m 左右）中每間隔1 個普通接箍下入1 個扶正防偏磨金屬接箍，共下入70 個扶正防偏磨金屬接箍。

目前，在塔河油田中扶正防偏磨金屬接箍已穩(wěn)定生產(chǎn)300 天， 與安全使用期限為60 天的尼龍扶正器和安全使用期限為150 天的金屬刮蠟扶正器相比，顯著地延長了服役期限，有效提高了油田生產(chǎn)效率。

6 結(jié)論

6.1 選取塔河油田中具有代表性的抽油桿接箍進行分析，從宏觀分析可以看出，抽油桿接箍受到嚴重的局部偏磨，導致接箍與抽油桿的螺紋連接強度降低，從而造成接箍的斷脫，此外失效接箍表面存在大量腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物。 通過對該接箍進行材料成分分析、 硬度測試和金相分析發(fā)現(xiàn)，塔河油田抽油桿接箍材料成分和硬度均滿足國標要求，3#接箍金相組織形態(tài)符合正常調(diào)質(zhì)處理工藝的顯微組織形態(tài)，其加工工藝符合國標要求。

6.2 通過對腐蝕產(chǎn)物進行微觀分析和能譜儀微觀成分分析可知，接箍受到Cl、S 等強腐蝕性元素的腐蝕，且腐蝕較為嚴重。 此外，接箍斷口是由外加應(yīng)力導致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕共同造成的。

6.3 抽油桿接箍失效是接箍與油管發(fā)生局部偏磨與強腐蝕性元素引起的腐蝕共同作用的結(jié)果，偏磨造成接箍基體與腐蝕性元素的結(jié)合，腐蝕產(chǎn)物組織疏松又進一步加劇了接箍的偏磨，二者的相互作用縮短了抽油桿接箍的服役期限。 因此，在生產(chǎn)過程中需同時考慮抽油桿接箍的防偏磨和防腐蝕措施。

6.4 扶正防偏磨金屬接箍的現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)適用于塔河油田超深、高溫、高壓和非均質(zhì)性極強的油井，與尼龍扶正器和金屬刮蠟扶正器相比，其效果顯著，可廣泛應(yīng)用于塔河油田的生產(chǎn)。