碳纖維連續(xù)抽油桿的應用及節(jié)能效果分析

白羽

（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

抽油機舉升系統(tǒng)所使用的金屬抽油桿，存在以下幾方面問題：一是桿管偏磨嚴重，目前為鋼-鋼摩擦，采取扶正器預防后，活塞效應加劇，懸點載荷加大；二是鋼制抽油桿密度大，桿斷脫概率增大、能耗高；三是三元驅和深井等特殊井還存在腐蝕斷裂、漏失、舉升難等問題。為了緩解金屬抽油桿的上述問題，近年來，逐漸應用了碳纖維復合材料抽油桿。碳纖維連續(xù)抽油桿是一種新型抽油桿，是由碳纖維、樹脂、玻璃纖維等原材料按照合適配比，以耐高溫樹脂作為基體，以碳纖維作為增強材料，經(jīng)拉擠工藝制成的復合材料制品，具有密度小、耐磨、耐腐蝕、強度高的特點[1-3]。該技術最早起源于美國，國內(nèi)對碳纖維連續(xù)抽油桿的研究從21世紀開始，在新疆油田、勝利油田等有所應用，取得了明顯的節(jié)能降載效果。為此，開展碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)場試驗應用，進一步研究碳纖維連續(xù)抽油桿的適應性，設計配套技術，優(yōu)化桿柱結構，實現(xiàn)抽油機井降載、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，驗證該材質的抽油桿與鋼質抽油桿相比有哪些優(yōu)勢，通過與國家石油裝備監(jiān)督檢驗中心合作，參考SY/T 6585—2013、GB/T 2577—2005、SY/T 5029—2013、GB/T 3854—2005、GB/T 228.1—2010 等國家和行業(yè)標準，對碳纖維連續(xù)抽油桿的力學、密度、腐蝕等性能進行了檢測。

1.1 力學性能

碳纖維連續(xù)抽油桿具有良好的耐疲勞、抗拉性能。對碳纖維連續(xù)抽油桿進行疲勞試驗，疲勞壽命在100 萬次以上。在抗拉性能試驗中，?19 mm 抽油桿最大拉力達到371 kN。相同條件下，進行同樣尺寸鋼制抽油桿試驗，最大拉力為194 kN。

?19 mm 碳纖維抽油桿材料的彎曲強度達到1 207 MPa，彎曲彈性模量70 GPa，既有較高的彎曲強度，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。應用萬能實驗機，對碳纖維連續(xù)抽油桿進行三點彎曲試驗，國家標準碳纖維抽油桿層間剪切強度要求為60 MPa，?19 mm 桿體的層間剪切強度高達80 MPa，高于指標要求33.3%。

1.2 抽油桿密度

對碳纖維連續(xù)抽油桿進行硬度、密度檢測，應用巴克爾硬度計對碳纖維連續(xù)抽油桿擠壓，平均巴克爾硬度55 HBa，高于鋼制抽油桿標準。

密度檢測方面，應用密度儀，通過測量樣品在空氣中質量和水中質量，計算密度值，不同材質質量對比見表1。碳纖維連續(xù)抽油桿單位長度質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載荷。

表1 不同材質質量對比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采出液、聚驅采出液、三元采出液中浸泡3 個月，表觀均無變化。對浸泡后的樣品進行力學性能檢測，腐蝕前后力學性能對比見表2。抽油桿彎曲強度、彎曲彈性模量、層間剪切強度腐蝕后性能剩余量在97%以上，抗拉強度的性能剩余量在90%左右，說明碳纖維抽油桿的桿體抗腐蝕性能良好。

表2 腐蝕前后力學性能對比Tab.2 Comparison of mechanical properties before and after corrosion

2 配套作業(yè)技術

由于碳纖維抽油桿是連續(xù)柔性桿，常規(guī)井下作業(yè)設備無法實現(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)設備的作業(yè)部分以電動液壓系統(tǒng)為輸出動力，其作業(yè)平臺上裝有通過液壓馬達驅動的牽引機頭，載荷可達到500 kN，由牽引機頭夾持碳纖維連續(xù)抽油桿進行起、下及防沖距的調整，速度可以達到20 m/min。并且該設備上裝有電子計數(shù)裝置，可準確記錄下井桿長度。

碳纖維連續(xù)抽油桿地面作業(yè)裝置由運載車、控制箱、滾筒、排桿器、井口導向器、計長儀等部分組成。碳纖維連續(xù)抽油桿地面作業(yè)裝置組成見圖1，井口導向器固定在井口四通的法蘭上，可以繞井口的垂直線旋轉，使碳纖維抽油桿垂直對準井眼；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，并配備測重器和計長器，用來測量抽油桿柱的質量和長度。

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

主要創(chuàng)新點有4 方面：一是整車高度設計，根據(jù)碳纖維連續(xù)抽油桿最小彎曲半徑，綜合考慮設計了收卷盤直徑，同時將裝載車底盤下沉，整車高度3.9 m，保證整車高度符合道路運輸規(guī)定；二是電動機功率匹配，根據(jù)作業(yè)時碳纖維連續(xù)抽油桿拉力，計算出卷盤最大扭矩，進而推算出電動機最大輸出功率，經(jīng)綜合考慮，電動機功率設計為45 kW，滿足了作業(yè)施工要求；三是安全制動系統(tǒng)，匹配了手動制動器、電動機電磁制動和蝸輪蝸桿減速器三級制動系統(tǒng)，保證了施工安全性；四是井口導向裝置增加了滾動滑輪和端部橫梁，避免了作業(yè)過程中桿體損傷和桿體斷裂飛出的安全隱患。

2.2 連接技術

連接技術是保證碳纖維抽油桿可靠使用的關鍵。為實現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿與光桿、加重桿的可靠連接，同時方便作業(yè)施工，開展了桿柱連接技術研究。

1）確定桿柱結構。因碳纖維連續(xù)抽油桿密度小、質量輕，為保證下沖程時平穩(wěn)運行，桿柱需匹配加重桿。為實現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿與光桿、加重桿的可靠連接，同時考慮后期作業(yè)施工，最終確定了桿柱結構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、旋轉接頭、安全接頭、加重桿、泵內(nèi)扶正桿。

2）研制連接技術。為保證碳纖維連續(xù)抽油桿可靠連接，設計研制了防斷脫接頭、安全接頭、旋轉接頭。防斷脫接頭包括外套、錐套和螺紋連接體。外套的內(nèi)側設有與錐套匹配的錐面；錐套的中央設置有通孔，抽油桿穿在該通孔內(nèi)，錐套的兩端分別設置兩個切口，從錐套的兩端沿軸線方向切入，兩個切口的切面相互垂直；螺紋連接體通過螺紋連接在外套的端部并將錐套封在外套內(nèi)，其作用是防止預先與碳纖維壓緊的連接襯套后退位移導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，采用錐面夾緊結構，通過錐套滑動后產(chǎn)生的擠壓作用來夾緊抽油桿，抽油桿的載荷越大夾緊力越大，最大拉力可達35 t。此外，由于連續(xù)桿在施工連接安裝時，桿體不能自由旋轉的原因，需要在防斷脫接頭下端連接可自由旋轉的連接頭，且桿柱下井時存在一定旋轉角度，考慮會影響碳纖維連續(xù)抽油桿力學性能，因此設計了旋轉接頭。旋轉接頭內(nèi)部可自由旋轉，旋轉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)設置剪切銷釘，當桿柱拉力大于120 kN 時，銷釘被剪斷，作業(yè)時碳纖維連續(xù)抽油桿可順利起出。安全接頭上端連接防斷脫接頭，下端連接旋轉接頭[4-6]。

3 桿柱優(yōu)化試驗

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，最大限度發(fā)揮碳纖維連續(xù)抽油桿的節(jié)能效果。

開展標準井模擬試驗，評價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。評價了4 種桿柱組合在4 種不同沉沒度下的系統(tǒng)效率。試驗條件：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（加重桿占桿柱質量55%）。

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，方案二在動液面400~600 m內(nèi)，系統(tǒng)效率最高，保持在32%以上。因此在進行桿柱配比方案設計時，加重桿占桿柱重量比例在30%左右為宜。桿柱配比室內(nèi)模擬試驗結果見圖2。

圖2 桿柱配比室內(nèi)模擬試驗結果Fig.2 Results of indoor simulation test of rod ratio

4 節(jié)能效果分析

4.1 試驗井應用效果評價

碳纖維連續(xù)抽油桿具有的質量輕、高強度、高耐磨的特性，適用于存在偏磨問題的抽油機井、換大泵增產(chǎn)時抽油機型號偏小井而需要加深泵掛深抽的抽油機井、低系統(tǒng)效率抽油機井[7-8]。

在某采油廠開展了碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)場應用試驗，目前共應用106 口井，表現(xiàn)出較好的節(jié)能降載效果，應用后平均最大懸點載荷下降20.2%，平均系統(tǒng)效率上升8.37 個百分點，平均節(jié)電率達到24.39%，年節(jié)電能力達到了137.47×104kWh。106口試驗井應用效果見表3。

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

其中，現(xiàn)場應用超長沖程抽油機30 口井，將長沖程智能抽油機超長舉升能力與碳纖維連續(xù)抽油桿防磨降載的技術優(yōu)勢結合，實現(xiàn)了降低交變載荷、降低舉升能耗、提高泵效的目的[9-10]。應用的30 口井平均單井沖程48.3 m、沖次0.09 min-1、動液面460 m、日耗電46.2 kWh。與游梁式抽油機相比，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 效益預計

優(yōu)化后管理與優(yōu)化前無變化，其他費用不變，只需計算節(jié)電效益。按生產(chǎn)時間350 d、電價0.706 1 元/kWh計算，年節(jié)約電費97.07萬元。

5 結論

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

2）與鋼制抽油桿相比，碳纖維抽油桿具有密度小、抗拉強度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)勢，能夠有效降低桿柱載荷，累計應用106 口井，平均節(jié)電率達到24.39%，年節(jié)約電費97.07 萬元，具有很好的節(jié)電效果。

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