空心抽油桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

張朋舉，任　坤，單慧玲，任松林，張仙文，王壯壯，賈玉生（．中國(guó)石油吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆哈密839009；．中國(guó)石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆鄯善8380）①

空心抽油桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

張朋舉1，任坤2，單慧玲2，任松林1，張仙文1，王壯壯1，賈玉生1
（1．中國(guó)石油吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆哈密839009；2．中國(guó)石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆鄯善838202）①

為了使空心抽油桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更好地指導(dǎo)制造過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以空心抽油桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要制造方法、實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題3個(gè)方面為研究方向，采用了對(duì)比分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、舉例說(shuō)明的方法，分析了SY／T5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性提出了一些建議。

空心抽油桿；標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用

近年來(lái)，邊際油田（稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等）的規(guī)模化開(kāi)發(fā)對(duì)采油工藝的發(fā)展提出了更高的要求?？招某橛蜅U具有特殊獨(dú)的立通道，可通過(guò)該通道向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降黏劑和防腐劑，能有效地降低開(kāi)采難度，可以增加分層開(kāi)采計(jì)量層數(shù)［1］。由于這些優(yōu)勢(shì)，使得空心抽油桿的應(yīng)用范圍逐年擴(kuò)大，空心抽油桿采油工藝技術(shù)也得到了較大發(fā)展［2］。國(guó)內(nèi)空心抽油桿制造也呈現(xiàn)出較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。我國(guó)已制定了特種抽油桿標(biāo)準(zhǔn)，例如SY5550—1992《空心抽油桿》［3］，分別于1998年、2006年對(duì)其進(jìn)行了修訂，目前，最新的標(biāo)準(zhǔn)為SY／T 5550—2012《空心抽油桿》。該標(biāo)準(zhǔn)在指導(dǎo)規(guī)范化生產(chǎn)制造的同時(shí)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)空心抽油桿制造業(yè)的發(fā)展。筆者通過(guò)研究空心抽油桿的制造及應(yīng)用鏈，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，并提出了一些建議。

1　空心抽油桿結(jié)構(gòu)分析

1．1 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)國(guó)家能源局2012年發(fā)布的SY／T5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)的要求，空心抽油桿的加工形式分為鐓鍛式、摩擦焊接式2種類型，其連接形式分為接箍連接式（J）型、直接連接（Z）型2種類型。標(biāo)準(zhǔn)中涉及了7種規(guī)格，外徑尺寸為?32～?42mm、壁厚為5～6mm。這幾種結(jié)構(gòu)形式的空心抽油桿均被各空心抽油桿生產(chǎn)廠家采用，在國(guó)內(nèi)各大油田的油井作業(yè)工藝中廣泛使用。

1．2 鋼級(jí)及力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定空心抽油桿的等級(jí)分為C、D、H3個(gè)等級(jí)，其中H級(jí)又分成HL級(jí)（材料型高強(qiáng)度桿）和HY級(jí)（工藝型高強(qiáng)度桿）。因?yàn)榭招某橛蜅U也是抽油桿的一種，作為有桿采油系統(tǒng)的一部分，與實(shí)心抽油桿在力學(xué)性能上有一致性，因此該空心抽油桿中的C、D、H級(jí)與實(shí)心抽油桿的力學(xué)性能數(shù)據(jù)相同。

1．3 螺紋結(jié)構(gòu)

空心抽油桿的螺紋結(jié)構(gòu)與實(shí)心抽油桿相似，為10牙／25．4mm并符合具有公差和間隙為2A-2B級(jí)的統(tǒng)一螺紋牙型，如同ANSI／ASME B1．1所定義［4］。與實(shí)心抽油桿相比，空心抽油桿螺紋根部沒(méi)有卸荷槽，導(dǎo)致空心抽油桿外螺紋加工根部始終存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了保證空心抽油桿內(nèi)腔的密封性，一般采用O型密封圈進(jìn)行密封，所有空心抽油桿的內(nèi)螺紋和外螺紋端均采用了特殊設(shè)計(jì)，桿頭端配有密封圈安裝槽，如圖1所示。接箍端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　桿頭端示意

圖2　接箍端示意

2　存在的問(wèn)題

筆者調(diào)研了2種典型的空心抽油桿生產(chǎn)制造工藝，認(rèn)為SY／T5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范制造方面存在一定的不適應(yīng)性，并且追蹤現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出了一些相關(guān)的問(wèn)題。

2．1 生產(chǎn)制造

2．1．1 桿頭及接箍的內(nèi)表面

1） 摩擦焊接式。摩擦焊接式的桿頭和接箍均為獨(dú)立加工的。由于一部分制造廠家應(yīng)該實(shí)心棒料鉆孔加工，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)桿頭和接箍的內(nèi)表面沒(méi)有明確的粗糙度要求，同時(shí)對(duì)螺紋加工后的表面也沒(méi)有明確的表面粗糙度要求。在空心抽油桿的應(yīng)用過(guò)程中，粗糙的內(nèi)表面會(huì)導(dǎo)致電加熱電纜的摩擦破損，降低使用壽命；螺紋表面的粗糙程度也會(huì)對(duì)螺紋粘扣性能產(chǎn)生一定的影響。

2） 鐓鍛式。與摩擦焊接式的鉆孔加工桿頭和接箍的工藝相比，鐓鍛式的內(nèi)表面一般情況下為鍛造態(tài)，粗糙度一般情況都會(huì)優(yōu)于摩擦焊接式的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)比摩擦焊接式和鐓鍛式這2種情況，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該對(duì)桿頭和接箍的內(nèi)表面有一定的表面粗糙度要求，這樣可以避免用戶在使用時(shí)，出現(xiàn)同一標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)不同產(chǎn)品的選擇。對(duì)比實(shí)心抽油桿標(biāo)準(zhǔn)：APISpec11B—2010第27版中，對(duì)機(jī)加工鐓粗區(qū)域的表面粗糙度Ra不得超過(guò)3．175μm（125μin），有明確的規(guī)定。

2．1．2強(qiáng)度一致性對(duì)比

1） 摩擦焊接式。摩擦焊接式桿頭和接箍在生產(chǎn)制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生明顯的焊縫，如圖3所示，在典型的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，摩擦焊接焊縫周圍會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，而熱影響區(qū)的抗疲勞強(qiáng)度達(dá)不到桿體抗疲勞強(qiáng)度的要求。焊縫熱影響區(qū)在應(yīng)用中容易成為薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)生空心抽油桿的斷裂失效，如圖4所示。

圖3　摩擦焊空心抽油桿

圖4　空心抽油桿斷裂實(shí)物

2） 鐓鍛式。鐓鍛式包括接箍連接式（J）型、直接連接（Z）型這2種類型的空心抽油桿，在大多數(shù)生產(chǎn)廠家均采用整體熱處理技術(shù)，避免了力學(xué)性能產(chǎn)生較大的起伏，并且在跟蹤50口井的使用的過(guò)程中，應(yīng)用效果良好。在SY／T5029—2013《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)附錄L中，對(duì)實(shí)心抽油桿疲勞性能有相關(guān)的要求［5］?？招某橛蜅U由于O型密封圈的安裝槽的影響，會(huì)對(duì)疲勞性能產(chǎn)生影響。在SY／T5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)中并未針對(duì)空心抽油桿的疲勞性能進(jìn)行規(guī)定。

2．1．3 硬度要求根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)6．2．5中空心抽油桿接箍的硬度規(guī)定為56～66 HRA。這種規(guī)定的意義完全保證了獨(dú)立接箍的力學(xué)性能，并不是適合直接連接（Z）型空心抽油桿。

2．2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2．2．1 螺紋

1） 螺紋根部斷裂。由于空心抽油桿的桿頭螺紋與實(shí)心抽油桿的螺紋參數(shù)一致，生產(chǎn)工藝也一致，都是擠壓成形。由于實(shí)心抽油桿的結(jié)構(gòu)，螺紋加工結(jié)尾處有卸荷槽如圖5所示，而空心抽油桿螺紋結(jié)尾沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)，如圖6所示，所以導(dǎo)致空心抽油桿擠壓螺紋結(jié)束時(shí)，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，該處也為空心抽油桿的薄弱環(huán)節(jié)，在應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)從該處斷裂的現(xiàn)象如圖7所示。

2） 螺紋粘扣。作者在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過(guò)程采用摩擦焊接工藝生產(chǎn)的空心抽油桿，發(fā)現(xiàn)較容易出現(xiàn)螺紋粘扣的現(xiàn)象，如圖8所示。張朋舉等在文獻(xiàn)［6］中的研究表明，空心抽油桿的粘扣既與制造質(zhì)量有關(guān)，又與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不當(dāng)有關(guān)。在預(yù)防措施中提出，空心抽油桿的最小規(guī)格為?34mm×5．5mm，外徑尺寸超過(guò)了25．4mm（1in）。根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋（UN和UNR螺紋牙型），8牙／in的UN螺紋已經(jīng)廣泛替代了粗牙螺紋，應(yīng)用在超過(guò)25．4mm（1in）的管子上［7］。所以建議將8牙／25．4mm作為空心抽油桿螺紋形式的研究方向，這樣螺距P增大后，更加方便引扣，發(fā)生螺紋粘結(jié)的可能性會(huì)進(jìn)一步減小。

圖5　實(shí)心抽油桿桿頭示意

圖6　空心抽油桿桿頭示意

圖7　桿頭螺紋根部斷裂

圖8　現(xiàn)場(chǎng)桿頭粘扣形貌

2．2．2 相關(guān)輔助配件

1） 異徑接頭?？招某橛蜅U在使用過(guò)程中，以目前的幾種典型工藝分析，例如電加熱工藝、熱洗清蠟工藝、泵上摻稀工藝等，這些工藝大多數(shù)情況下會(huì)和實(shí)心抽油桿混合使用，因此異徑接頭用于連接不同規(guī)格的空心抽油桿、連接實(shí)心抽油桿與空心抽油桿，形成整體的桿柱系統(tǒng)，滿足采油工藝的要求。但是在新版的標(biāo)準(zhǔn)中，并沒(méi)有涉及到這方面的內(nèi)容。

2） 注入三通。新標(biāo)準(zhǔn)中在附錄A中明確了空心抽油桿電加熱裝置，但是空心抽油桿桿柱在組合應(yīng)用時(shí)，在井口光桿位置都有注入三通等附件，這樣才能保證電纜順利下入空心抽油桿的內(nèi)孔?？招某橛蜅U應(yīng)用的最大特點(diǎn)就是利用其密閉的內(nèi)孔，所以在應(yīng)用的過(guò)程中，均會(huì)涉及到注入三通的應(yīng)用。

3　分析及討論

在SY／T5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)中，4種結(jié)構(gòu)的空心抽油桿，對(duì)于2000m以內(nèi)的井，摩擦焊接式的空心抽油桿完全滿足應(yīng)用要求。對(duì)于我國(guó)東部大多數(shù)油田井深條件，摩擦焊接式空心抽油桿可以滿足使用要求。我國(guó)西部大多數(shù)油田的井深超過(guò)2000m，所以鐓鍛式空心抽油桿有較大的應(yīng)用空間。因此新版行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的4種結(jié)構(gòu)符合空心抽油桿現(xiàn)有生產(chǎn)和應(yīng)用的需求。在生產(chǎn)制造方面，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該針對(duì)獨(dú)立加工的桿頭接箍?jī)?nèi)壁和整體加工的桿頭接箍?jī)?nèi)壁，做統(tǒng)一的粗糙度要求。這樣，用戶在使用時(shí)不會(huì)因?yàn)榭招某橛蜅U結(jié)構(gòu)類型的不同，而產(chǎn)生不同的使用效果。空心抽油桿由于結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化，疲勞數(shù)據(jù)無(wú)法跟實(shí)心抽油桿一樣表示出來(lái)，但是在應(yīng)用過(guò)程中，摩擦焊接式的焊縫處為抗疲勞性能的薄弱環(huán)節(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該對(duì)摩擦焊縫處的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行定義，使其與桿體抗疲勞的能力相一致。在空心抽油桿應(yīng)用過(guò)程中，由于對(duì)螺紋承載面在圓周方向上的壁厚偏差進(jìn)行定義，空心抽油桿螺紋的承載面、螺紋結(jié)尾處由于加工工藝的影響為加工應(yīng)力集中處，所以針對(duì)加工制造過(guò)程中，應(yīng)對(duì)螺紋承載面的壁厚偏差進(jìn)行嚴(yán)格定義。空心抽油桿螺紋粘扣涉及到的方面較多，與加工制造、庫(kù)存運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)操作有關(guān)，應(yīng)從這3個(gè)方面加強(qiáng)，才能規(guī)避粘扣現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)增加相關(guān)附件建議，例如異徑接頭、注入三通等，增強(qiáng)空心抽油桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的規(guī)范性。

4　結(jié)論

1） SY／T 5550—2012《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)中的4種結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，涵蓋了國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田的使用現(xiàn)狀，并充分考慮了制造、檢測(cè)、應(yīng)用等方面的內(nèi)容。

2） 在制造方面，SY／T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)中提出了一些要求。建議針對(duì)桿頭、接箍部位的內(nèi)表面作統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)摩擦焊接式的強(qiáng)度一致性及焊縫疲勞性能作統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求。

3） 在應(yīng)用方面，SY／T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)中有一些要求。建議參照APISpec11B—2010第27版，增加附錄部分，將相關(guān)輔助配件納入，以增加標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性。

［1］ 魏新春．一體式空心抽油桿采油技術(shù)研究［D］．成都：西南石油大學(xué)，2008．

［2］ 趙曉，邢慶河，張士誠(chéng)．空心抽油桿在油井舉升中的應(yīng)用［J］．油氣田地面工程，2006，25（7）：5-6．

［3］ 吳則中，陳強(qiáng)，鐘永海，等．我國(guó)29年來(lái)抽油桿研制工作回顧與展望［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：62-67．

［4］ API Spec 11B，第27版，抽油桿、光桿與襯套、接箍、加重桿、光桿卡子、密封盒和抽油三通規(guī)范［S］．

［5］ SY／T 5029—2013，抽油桿［S］．

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

［7］ The American Society of Mechanical Engineers．ASME B1．1—2003 Unified Inch Screw Threads（UN and UNR Thread Form）［S］．2003．

Industry Standard of Hollow Sucker Rods Adaptability Analysis

ZHANG Pengju1，REN Kun2，SHAN Huiling2，REN Songlin1，ZHANG Xianwen1，WANG Zhuangzhuang1，JA Yusheng1
（1．Machinery Plant，PetroChina Tuha Oilfield Company，Hami 839009，China；2．Turpan Oil Production Plant，Petro China Tuha Oilfield Company，Shanshan 838202，China）

In order to help the hollow sucker rod industry standards better serve for themanufac-t process and field application，the hollow sucker rod structure features are used in the arti-clemainmanufacturingmethods and the practical problems as research directions，which ana-lyses the latest edition of the Standard in ways of comparative analysis，field investigation and il-lustration．And the author puts forward some suggestions which are adapted to the Standard．

hollow sucker rods；standard；a pplication

TE933．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．007

1001－3482（2015）08－0030－04

①2015－02－05

張朋舉（1983-），男，陜西禮泉人，工程師，碩士，現(xiàn)從事空心抽油桿的制造與應(yīng)用方面的研究工作，Email：zhan-gpengju＠petrochina．com．cn。