新型耐磨蝕油管技術(shù)在油田中的應(yīng)用

新型耐磨蝕油管技術(shù)在油田中的應(yīng)用

王玉榮,賈博

(大港油田第一采油廠工藝研究所，天津 300280)

摘要：隨著油田大斜度井及側(cè)鉆井井?dāng)?shù)逐漸增多，抽油機(jī)井管桿偏磨問(wèn)題日益突出。從大港油田第一采油廠油井維護(hù)作業(yè)中管桿偏磨、腐蝕斷脫及管柱漏失井入手，介紹了目前內(nèi)襯油管及內(nèi)涂層油管處理技術(shù)的優(yōu)越性，研究確定了技術(shù)適應(yīng)性、適應(yīng)范圍，并進(jìn)行了綜合對(duì)比分析評(píng)價(jià)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，內(nèi)襯油管磨損量低于N80油管，對(duì)接箍磨損量基本為零，起到了雙向保護(hù)作用；具有耐磨涂層轉(zhuǎn)移膜的油管磨損實(shí)驗(yàn)后表面仍比較平滑。兩種技術(shù)均顯示了較好的耐磨性能?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，兩項(xiàng)技術(shù)減緩了管桿偏磨腐蝕，延長(zhǎng)其自身檢泵周期一倍以上，拓寬了防偏磨技術(shù)思路，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，為今后井筒油管柱磨蝕治理技術(shù)水平的提高奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：磨蝕；油管；內(nèi)襯；內(nèi)涂層；檢泵周期

中圖分類(lèi)號(hào)：TE358

作者簡(jiǎn)介：第一王玉榮(1973年生)，女，工程師，2003年畢業(yè)于天津理工學(xué)院，現(xiàn)從事采油專(zhuān)業(yè)技術(shù)研究工作。郵箱：yongmeicy@sina.cn。

Application of New Anti-Abrasion Tubing Technology in Oilfields

Wang Yurong, Jia Bo

(TechnologyResearchInstituteofNo.1OilProductionPlant,DagangOilfield,Tianjin300280,China)

Abstract:With the number of highly deviated wells and side drilling wells gradually increased, the problem of eccentric wear of rod for pumping wells was highlighted. We originated from the corrosion and broken on suck rod and tubing leakage during oil well maintaining work in No.1 Oil Production Plant in Dagang Oilfield. The superiority of lining tubing and undercoated tubing was introduced. According to research, we found the adaptability and scope about this kind of technology, and then made a comprehensive comparison to get an analysis and evaluation. Indoor experiments confirmed lined tubing wear was less than N80 tubing, and the amount of wear butt hoop was almost zero, which played the role of bi-directional protection. Tubing wear of resistant surface coating transfer film was still relatively smooth after the experiment. Both of the techniques showed good wear resistance. Field application data showed that the two technology slowed pipe rod eccentric wear corrosion, extended the own pump inspection period over one time, and broadened the technical ideas on avoiding suck with high economic benefit, which laid a foundation on technology improving of governing the corrosion and broken on suck rod and tubing.

Key words: abrasion; tubing; lining; internal coating; pump inspection period

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中、高含水期，油藏地質(zhì)狀態(tài)、油井井身情況發(fā)生較大變化，大斜度井及側(cè)鉆井井?dāng)?shù)逐漸增多，抽油機(jī)井管桿偏磨造成的斷、磨、漏問(wèn)題日益突出。每年因油管、抽油桿偏磨腐蝕造成的作業(yè)量占油井全部維護(hù)工作量的20%～30%，增加了作業(yè)費(fèi)用和管桿投入費(fèi)用。近幾年來(lái)，通過(guò)綜合治理，偏磨問(wèn)題得到一定緩解，但仍是造成油井免修期短的主要原因。

1 概況

大港油田第一采油廠共有油井830口，開(kāi)井618口，其中抽油機(jī)井524口。統(tǒng)計(jì)斜度大于10°且存在偏磨的油井占開(kāi)井總數(shù)的42%左右。2013年第一采油廠躺井167井次，因管桿問(wèn)題造成的維護(hù)工作量約占總工作量的33%。其中油管漏失及抽油桿偏磨比例占管桿躺井總數(shù)的51.6%，嚴(yán)重影響了油井的正常生產(chǎn)(表1)。

表1　2010—2013年油井管桿斷磨漏統(tǒng)計(jì)表

2 管桿偏磨機(jī)理研究

2.1 機(jī)械磨損

2.1.1 井斜影響

由于井斜造成抽油桿柱在徑向上產(chǎn)生分力，從而使抽油桿柱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生靠向油管的趨勢(shì)，一旦管桿接觸并有一定的徑向力，就會(huì)產(chǎn)生管桿偏磨。

2.1.2 管桿振動(dòng)產(chǎn)生偏磨

在有桿泵抽油機(jī)井中，當(dāng)抽油機(jī)“驢頭”下行時(shí)，抽油桿柱做變速運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生抽油桿的慣性力，同時(shí)由于抽油桿的變速運(yùn)動(dòng)和交變載荷的影響，又引起抽油桿的彈性振動(dòng)。在相同泵掛下，生產(chǎn)參數(shù)越大，特別是沖次越大，慣性力越大，對(duì)抽油桿穩(wěn)定的影響也就越大。這里的生產(chǎn)參數(shù)主要指抽油機(jī)井的沖程、沖次、抽油桿直徑及泵掛深度[1]。

2.1.3 抽油桿失穩(wěn)偏磨

在有桿泵抽油過(guò)程中，抽油桿柱下行受到阻力。中性點(diǎn)以上的抽油桿始終處于拉伸狀態(tài)，不會(huì)彎曲變形；中性點(diǎn)以下的抽油桿自重不能抵消阻力，處于受壓狀態(tài)，容易彎曲發(fā)生偏磨。桿柱的塑性較強(qiáng)，上部重力不會(huì)很快對(duì)下部形成壓力，而下部桿柱在上沖程的慣性力作用下還在向上運(yùn)動(dòng)，桿柱發(fā)生螺旋彎曲，即“桿柱失穩(wěn)”。

桿柱失穩(wěn)造成如下危害：①增大了沖程損失，降低了泵效；②增加超應(yīng)力破壞的機(jī)會(huì)；③增大管桿間的磨損，容易造成抽油桿斷脫和油管漏失[2]。

2.2 腐蝕磨損

2.2.1 綜合含水率升高

油田產(chǎn)出液中綜合含水率的上升使產(chǎn)出液由油包水型轉(zhuǎn)換為水包油型，油管與抽油桿之間的接觸面因?yàn)槭ピ偷臐?rùn)滑保護(hù)而加快磨損；同時(shí)，高溫且富含礦物質(zhì)、CO2、H2S、H+、Cr及細(xì)菌等腐蝕介質(zhì)的產(chǎn)出水與管桿直接接觸，會(huì)使其產(chǎn)生腐蝕。偏磨與腐蝕結(jié)合具有更大的破壞性，因?yàn)槌橛蜅U表面保護(hù)層及金屬處理層被磨去后，偏磨處與腐蝕介質(zhì)直接接觸，再加上摩擦產(chǎn)生的熱使抽油桿鐵質(zhì)更加活潑，加劇了腐蝕。

2.2.2 管桿的材質(zhì)

油管耐腐蝕性能達(dá)不到要求，油管表層涂料的強(qiáng)度和耐腐蝕性較差。偏磨使表面氧化膜保護(hù)層或防腐層脫落，在井溫和摩擦產(chǎn)生的熱能作用下，管桿表面鐵分子活化，成為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極;而產(chǎn)出液具有強(qiáng)腐蝕性，形成了大陰極小陽(yáng)極的電化學(xué)腐蝕，使偏磨處優(yōu)先被腐蝕。腐蝕改變摩擦面性質(zhì)，加速了摩擦面的磨損，偏磨和腐蝕協(xié)同進(jìn)一步加速了抽油桿有效截面的減小和油管內(nèi)壁減薄，造成桿斷脫和油管穿孔[3]。

3 油管柱防磨蝕處理技術(shù)應(yīng)用情況

油管柱防磨蝕處理技術(shù)就是將油管內(nèi)壁加襯低摩擦系數(shù)的惰性材料或內(nèi)涂低摩阻系數(shù)、低透氧率材料以保護(hù)油管，防止抽油桿與油管內(nèi)壁本體直接摩擦，可以顯著降低摩擦系數(shù)，減輕管桿磨損和腐蝕，起到防腐防磨作用。國(guó)內(nèi)外各油田針對(duì)日益加劇的偏磨腐蝕問(wèn)題，研發(fā)了多種管柱防磨防腐技術(shù)，主要代表為油管內(nèi)襯技術(shù)和環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)[4]。

3.1 油管內(nèi)襯技術(shù)

該技術(shù)于1995年由美國(guó)首先研發(fā)并形成專(zhuān)有技術(shù)，在德國(guó)、日本等國(guó)家推廣應(yīng)用，2003年引入中國(guó)。2005年美國(guó)伊利諾斯州油氣協(xié)會(huì)在第59 屆年會(huì)上對(duì)聚乙烯內(nèi)襯油管防止管桿偏磨腐蝕進(jìn)行了比較詳細(xì)的描述，目前被認(rèn)為是治理偏磨腐蝕的有效技術(shù)，2010年在大港油田第一采油廠開(kāi)展了先導(dǎo)性試驗(yàn)。

3.1.1 技術(shù)原理及性能

聚乙烯內(nèi)襯油管是通過(guò)軋制設(shè)備將一定厚度的高密度聚乙烯材料內(nèi)襯于普通油管中，在鋼管的內(nèi)表面產(chǎn)生過(guò)盈配合，在油管內(nèi)表面形成內(nèi)襯油管(圖1)。其內(nèi)襯材料是緊密高分子長(zhǎng)鏈的高密度聚乙烯材料，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無(wú)毒無(wú)污染，且耐磨性高、質(zhì)量輕。油管防腐耐磨復(fù)合內(nèi)襯的密度為0.96g/cm3，耐滑動(dòng)摩擦磨損性是45鋼的7～8倍，滑動(dòng)摩擦系數(shù)是鋼的1/3，而且對(duì)配對(duì)副磨損極小，抽油桿無(wú)需采取其他防偏磨措施[5，6]。

圖1　聚乙烯內(nèi)襯油管圖 Fig.1　Polyethylene lined tubing

3.1.2 耐磨性能室內(nèi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

模擬機(jī)械采油舉升系統(tǒng)井下生產(chǎn)狀況，研制往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)行了耐磨性室內(nèi)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)條件：接箍與油管表面的正壓力為500N；往返次數(shù)為40萬(wàn)次；冷卻介質(zhì)為油田污水。結(jié)果顯示，內(nèi)襯油管磨損量為0.38mm，為N80油管磨損量0.62mm的61.3%，內(nèi)襯油管對(duì)接箍磨損量基本為零(圖2、圖3)，真正起到了雙向保護(hù)的作用，顯示了高密度聚乙烯內(nèi)襯油管較好的耐磨性能(表2)[7，8]。

圖2　N80油管與接箍對(duì)磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 Fig.2　Wear experiment results of N80 tubing and coupling

圖3　內(nèi)襯油管與接箍對(duì)磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 Fig.3　Wear experiment results of lining tubing and coupling

內(nèi)襯管壁厚(mm)內(nèi)孔直徑(mm)耐溫等級(jí)(℃)?73油管?89油管高密度聚乙烯(HDPE)耐熱聚乙烯(PE-RTⅡ)4～5526580120

3.2 環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)

3.2.1 技術(shù)原理及性能

環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)是在油管內(nèi)壁涂裝一定厚度(0.5mm)的環(huán)氧粉末，采用納米級(jí)片狀石墨作為耐磨潤(rùn)滑劑，來(lái)降低涂層表面的粗糙度，降低涂層摩擦系數(shù)；采用經(jīng)特殊處理的高硬度耐磨填料(莫氏硬度為7～8級(jí))提高涂層的耐磨性能和抗沖擊能力。水、氧、離子是構(gòu)成電化學(xué)腐蝕的三大因素，涂層對(duì)這些介質(zhì)的屏蔽作用決定了其耐腐蝕性能。由于其表面光滑，提高了流體效率、減少結(jié)蠟及結(jié)垢，從而提高了管子重復(fù)使用率(圖4、表3)[7]。

圖4　環(huán)氧粉末內(nèi)涂層油管圖 Fig.4　Inner coating tube of epoxy powder

3.2.2 防腐耐磨內(nèi)涂層油管實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)抗拉和錘擊撞擊實(shí)驗(yàn)證明:內(nèi)涂層油管在達(dá)到油管的抗拉極限或產(chǎn)生永久變形前，涂層不易損壞，即涂層的抗拉、抗沖擊強(qiáng)度依賴(lài)于基體油管的強(qiáng)度。磨損實(shí)驗(yàn)表明，有一層耐磨涂層轉(zhuǎn)移膜的油管表面比較平滑，而未噴涂耐磨涂層的抽油桿表面有深淺不一的溝槽和不規(guī)則疤痕材料堆積(圖5)，表明內(nèi)涂層油管有較好的耐磨性。防腐耐磨內(nèi)涂層油管的應(yīng)用，將有效解決管桿偏磨問(wèn)題，大大延長(zhǎng)油管、抽油桿的使用壽命[9]。

表3　環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)規(guī)格及參數(shù)表

圖5　防腐耐磨內(nèi)涂層油管磨損結(jié)果對(duì)比圖 Fig.5　Wear result contrast of corrosion resistant lining coating tubing

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1 油管內(nèi)襯技術(shù)

油管內(nèi)襯技術(shù)在大港油田第一采油廠5口短周期井進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)，見(jiàn)到了明顯的延長(zhǎng)周期抗磨效果。次年推廣使用，主要在斜度大、方位變化大的井上應(yīng)用。深42-11井和中12-60井前期均采取常規(guī)防偏技術(shù)，因偏磨點(diǎn)轉(zhuǎn)移、應(yīng)力點(diǎn)集中問(wèn)題，防偏磨效果較差，應(yīng)用內(nèi)襯管后檢泵周期延長(zhǎng)3倍以上(表4)。

表4　復(fù)合內(nèi)襯抗磨油管先導(dǎo)試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

注：措施目的為檢泵。

油管內(nèi)襯技術(shù)累計(jì)應(yīng)用43井次，見(jiàn)效31井次，應(yīng)用前后平均最大載荷下降比例達(dá)到13.7%，平均檢泵周期由171天延長(zhǎng)至370天，部分井仍然延續(xù)(表5)。通過(guò)實(shí)施對(duì)比，內(nèi)襯油管對(duì)降低抽油機(jī)井懸點(diǎn)最大載荷和交變載荷、油井運(yùn)行工況有較好的改善。為提高效果，泵桿、油管配套專(zhuān)用防腐接箍，同時(shí)考慮耐溫等級(jí)、產(chǎn)出液物性對(duì)生產(chǎn)管柱下深限制，對(duì)于耐溫80℃內(nèi)襯油管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用深度一般不大于1800m。

表5　復(fù)合內(nèi)襯抗磨油管推廣應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)表

4.2 環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)

環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)于2012年引進(jìn)試驗(yàn)，主要選取同油田區(qū)塊、同生產(chǎn)層位及井眼軌跡、產(chǎn)能相近，泵徑、泵掛深度、管桿柱組合、工作制度設(shè)計(jì)相同的油井進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比其檢泵周期、產(chǎn)液量、懸點(diǎn)載荷及交變載荷等生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)，評(píng)價(jià)其技術(shù)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)可行性。

累計(jì)應(yīng)用環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)實(shí)施偏磨治理22口井，其中維護(hù)性作業(yè)19口，措施井3口，可對(duì)比18口，平均檢泵周期延長(zhǎng)176.5天，部分井仍然延續(xù)(表6)。通過(guò)實(shí)施對(duì)比，環(huán)氧粉末內(nèi)涂層對(duì)降低抽油機(jī)井懸點(diǎn)最大載荷和交變載荷幅度相對(duì)較小。

表6　環(huán)氧粉末內(nèi)涂層油管推廣應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)表

5 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

通過(guò)兩項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，達(dá)到了延長(zhǎng)檢泵周期的效果，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

(1)油管內(nèi)襯技術(shù)累計(jì)實(shí)施43口井，平均檢泵周期延長(zhǎng)199天，減少躺井作業(yè)費(fèi)用817萬(wàn)元；減少管桿投入283.6萬(wàn)元；減少作業(yè)原油損失2150t，按1000元/t計(jì)算，創(chuàng)效215萬(wàn)元，累計(jì)創(chuàng)效1315.6萬(wàn)元。投入450萬(wàn)元，平均投入產(chǎn)出比為1∶2.92。

(2)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層油管技術(shù)實(shí)施22口井，延長(zhǎng)檢泵周期176.5天，減少躺井作業(yè)費(fèi)用304萬(wàn)元；減少管桿投入157.5萬(wàn)元；減少作業(yè)原油損失924t，按1000元/t計(jì)算，創(chuàng)效92.4萬(wàn)元，累計(jì)創(chuàng)效470.74萬(wàn)元，投入367.35萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為1∶1.51。

截至目前，大港油田第一采油廠應(yīng)用內(nèi)襯及內(nèi)涂層技術(shù)后油井使用壽命最長(zhǎng)已達(dá)730天，且仍在繼續(xù)。躺井率下降，管桿報(bào)廢率降低，井筒工藝技術(shù)取得了較大進(jìn)步，獲得了顯著的社會(huì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1) 油管內(nèi)襯技術(shù)具有良好的耐磨耐腐蝕性能，雖一次性投入高，但可以有效延長(zhǎng)油管使用壽命，降低油管報(bào)廢率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

(2) 環(huán)氧粉末內(nèi)涂層油管技術(shù)具有與油管內(nèi)襯技術(shù)相同的技術(shù)功效和相近的一次性投入，且具有透氧率低、防腐性能好、耐磨周期長(zhǎng)、附著力高、耐溫性能好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用效果較好，使用數(shù)量可根據(jù)偏磨段確定。

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