一種新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的研制與推廣

賀國(guó)偉

（玉門油田分公司機(jī)械廠，甘肅 酒泉 735019）

一種新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的研制與推廣

賀國(guó)偉

（玉門油田分公司機(jī)械廠，甘肅 酒泉 735019）

介紹了一種超高強(qiáng)度防腐抽油桿的研制背景、研制過程和研制結(jié)果，并將它和目前國(guó)內(nèi)外油田使用的H級(jí)抽油桿和K級(jí)抽油桿在機(jī)械性能和抗腐蝕方面進(jìn)行了對(duì)比研究，并將通過油田現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，結(jié)果證明新型抽油桿在機(jī)械性能和抗腐蝕方面的總體性能優(yōu)于其它類別的抽油桿，可見這種新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的市場(chǎng)推廣價(jià)值很高。

抽油桿；新型超高強(qiáng)度級(jí)；抗腐蝕

隨著國(guó)內(nèi)外采油裝備的不斷發(fā)展，抽油桿的發(fā)展趨勢(shì)是新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、抗腐蝕、高強(qiáng)度、耐磨損等。為滿足原油開采中的低液面、高含水、高凝等方面的要求，國(guó)內(nèi)外近年來在抽油桿研制上已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，各油田的油井深度越來越深,2000m以上的深抽油井所占比例越來越大，市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)度H級(jí)抽油桿的需求在逐年增加，長(zhǎng)期以來，H級(jí)抽油桿（抗拉強(qiáng)度為966～1195Mpa）因腐蝕造成桿體疲勞斷裂的問題一直以來困擾國(guó)內(nèi)外各油田，而防腐抽油桿（K級(jí)）抗拉強(qiáng)度620～793Mpa，又不能適用于深油井。基于以上矛盾，我們提出研制一種抗拉強(qiáng)度高同時(shí)抗腐蝕性能好的新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿。

抽油桿腐蝕形成的機(jī)理是非常復(fù)雜的，幾十年來國(guó)內(nèi)外各大科研院所都在研究其腐蝕機(jī)理，并試圖尋找較好的解決辦法，但都只是在局部領(lǐng)域取得成功。從油田鉆、采、修井作業(yè)和井下地質(zhì)資料來看，造成抽油桿腐蝕的因素主要有生物菌腐蝕、H2S腐蝕、酸腐蝕、SO2、CO2氣腐蝕等，其中生物菌腐蝕、H2S、CO2腐蝕又最為嚴(yán)重，每年因該原因腐蝕的抽油桿約占抽油桿總量的20%～30%。

目前制約超高強(qiáng)度防腐抽油桿研發(fā)的因素較多，主要是對(duì)腐蝕機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)問題；各地區(qū)、各油田的生物菌種不同和井下介質(zhì)的差別；抽油桿材料價(jià)格問題；特殊涂料的研發(fā)和處理工藝等問題。超高強(qiáng)度防腐抽油桿在采油設(shè)備方面屬于國(guó)際上前沿課題，對(duì)其研發(fā)是十分必要的，此次研發(fā)抽油桿材料首次采用中鉻合金鋼，其成功研發(fā)將提高我國(guó)抽油桿在國(guó)際上的知名度，將提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值。

1 研制方案

1.1 研究目標(biāo)

1）完成一種新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的工藝試驗(yàn)。

2）完成多種規(guī)格系列新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的產(chǎn)品研發(fā)和推廣應(yīng)用。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容

我們主要研究了H2S、CO2及生物菌等對(duì)金屬的腐蝕機(jī)理，研究了中鉻合金鋼的抗腐蝕效果。采用中鉻合金鋼研制出超高強(qiáng)度防腐抽油桿，并小批量生產(chǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和使用。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

新型超高強(qiáng)度級(jí)防腐抽油桿的研制屬國(guó)際前沿課題，其成功研制不僅對(duì)H2S、生物菌對(duì)抽油桿的腐蝕機(jī)理有更深刻的認(rèn)識(shí)，更主要是使我國(guó)抽油桿的制造技術(shù)水平和研發(fā)能力在國(guó)際上也處于領(lǐng)先地位，目前抽油桿國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)API11B規(guī)范中高強(qiáng)度抽油桿是D級(jí)（抗拉強(qiáng)度為966～1195Mpa），防腐抽油桿為K級(jí)（抗拉強(qiáng)度為620～793Mpa），而我們研發(fā)的超高強(qiáng)度防腐HK級(jí)抽油桿抗拉強(qiáng)度為966～1195Mpa。

我們通過模擬試驗(yàn)，提高了H2S、生物菌對(duì)金屬腐蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)；研究了材料中Cr、Ni、Mo含量的變化對(duì)抽油桿鍛造、熱處理、滾壓加工性能的影響；研究了材料中Cr、Ni、Mo含量的變化對(duì)抽油桿抗腐性能的影響。其中新材料的選用和試驗(yàn)其材料的性

價(jià)比非常合理，我們對(duì)新材料的鍛造和熱處理工藝試驗(yàn)和工藝技術(shù)攻關(guān)取的了成功，新材料超高強(qiáng)度抽油桿抗腐蝕能力和效果測(cè)試很好，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度級(jí)防腐抽油桿的技術(shù)空白，次采用性價(jià)比合理的材料研制超高強(qiáng)度防腐桿，為復(fù)雜條件下的深抽井降低開采成本開辟了新的途徑。

1.4 研究情況

1.4.1 腐蝕機(jī)理及防腐措施

微生物細(xì)菌的腐蝕機(jī)理：微生物細(xì)菌對(duì)金屬的腐蝕，在20世紀(jì)有國(guó)外學(xué)者曾提出硫酸鹽還原菌參與金屬腐蝕中陰極去極化理論后才開始受到重視。全球每年因微生物腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，雖然有關(guān)金屬腐蝕的微生物種類很多，但是其中比較重要的是直接參與自然界硫、鐵和氮循環(huán)的微生物。參與硫循環(huán)的有硫氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原菌；參與鐵循環(huán)的有鐵氧化細(xì)菌和鐵細(xì)菌；參與氮循環(huán)的主要有硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等。這些細(xì)菌按其生長(zhǎng)發(fā)育中對(duì)氧的要求，又可分為好氧腐蝕菌和厭氧腐蝕菌兩類。主要有鐵細(xì)菌、硫氧化菌、硫酸鹽還原菌及硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等。

控制微生物腐蝕的主要措施較多，例如：限制營(yíng)養(yǎng)源；控制微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件；采用化學(xué)殺菌劑和抑菌劑；物理、生物控制方法；改變金屬的化學(xué)成份；金屬表面防腐層的改變等。但油井的工作環(huán)境較難改變，同時(shí)井液中的CO2和H2S和微生物細(xì)菌的結(jié)合是抽油桿腐蝕的最關(guān)鍵因素，因此控制腐蝕的辦法最好是采取改變抽油桿金屬材料的化學(xué)成份和改變金屬表面防腐層。

1.4.2 抽油桿材料的優(yōu)選

抽油桿材料的優(yōu)選是該HK級(jí)抽油桿研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到項(xiàng)目的成敗。根據(jù)我廠多年三抽采油設(shè)備及煉化設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)，井口裝置和井下作業(yè)工具的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)分析，金屬Cr、Ni、Mo具有較好的抗酸、H2S、生物菌腐蝕性能，因我們決定利用Cr、Ni、Mo、C含量不等的標(biāo)準(zhǔn)材料制成常規(guī)D級(jí)短桿在油田H2S、生物菌腐蝕較嚴(yán)重的井進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)3～6月后采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析后選擇性價(jià)比合理的材料。最終選用了中鉻合金鋼。

1.4.3 新材料的熱處理工藝技術(shù)攻關(guān)

通過事先制定的多種熱處理工藝方案，對(duì)材料進(jìn)行熱處理，并分別檢測(cè)其力學(xué)性能，確保新材料熱處理后力學(xué)性能穩(wěn)定、金相組織合理、各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)H級(jí)桿的要求。通過多種方案的比對(duì)，確定合理的熱處理工藝。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步檢測(cè)其鍛造性能、加工性能、百萬(wàn)次疲勞壽命。

2 研制結(jié)果及討論

2.1 新產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)

新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的鍛造、熱處理工藝合理，具有可操作性?？估瓘?qiáng)度為966～1195Mpa；延伸率：≥12%；斷面收縮率：45%～55%；疲勞壽命大于100萬(wàn)次。新產(chǎn)品的其它各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)完全能達(dá)到SY/T5029《抽油桿》及API11B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

2.2 新產(chǎn)品抗腐性能試驗(yàn)

小批量生產(chǎn)新產(chǎn)品后，隨機(jī)抽取部分試樣進(jìn)行抗腐性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)新產(chǎn)品具有良好的抗腐性能。經(jīng)CO2壓力為0.3MPa，流速為1.5m/s,恒溫80℃高溫高壓釜中經(jīng)168h耐蝕性試驗(yàn)完畢后取出試樣，記錄各試樣腐蝕后形貌，清除腐蝕產(chǎn)物后再記錄形貌，通過腐蝕形貌對(duì)比，對(duì)各試樣的耐腐蝕性能進(jìn)行分析。

圖1 新型HK級(jí)抽油桿試樣清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

圖2 K級(jí)抽油桿試樣清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

圖3 H級(jí)抽油桿試樣清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

從圖1～圖3可見HK級(jí)表面的腐蝕較均勻，宏觀看去清除腐蝕產(chǎn)物后的試樣表面出現(xiàn)均勻且較小的腐蝕坑，相比較而言，腐蝕坑最淺且面積不大，說明新型新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿HK級(jí)試樣的防腐效果相對(duì)最好。對(duì)其腐蝕速度測(cè)定的結(jié)果見表1。

表1 各試樣的年平均腐蝕速率表

我們又對(duì)材料進(jìn)行常溫常壓H2S腐蝕模擬試驗(yàn)，腐蝕在常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行，H2S壓力為0.1MPa，溫度為25℃，腐蝕溶液均為NACEA標(biāo)準(zhǔn)溶液，成分為：0.5%NaCl＋0.5%CH3COOH。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 常溫常壓H2S腐蝕裝置示意圖

經(jīng)168h耐蝕性試驗(yàn)完畢后取出試樣，記錄各試樣腐蝕后形貌，清除腐蝕產(chǎn)物后再記錄形貌，通過腐蝕形貌對(duì)比，對(duì)各試樣的耐腐蝕性能進(jìn)行分析。

圖5 K級(jí)抽油桿清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

圖6 H級(jí)抽油桿清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

圖7 新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿清除腐蝕產(chǎn)物前后形貌圖

由圖5至圖7可以看出，三種抽油桿的試樣均不同程度的受到腐蝕。其中K級(jí)抽油桿腐蝕后的試樣表面腐蝕產(chǎn)物較為均勻，新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿HK級(jí)和H級(jí)的試樣腐蝕后表面腐蝕產(chǎn)物分布不均，但HK級(jí)試樣腐蝕后的表面無明顯腐蝕產(chǎn)物，而H級(jí)試樣表面有明顯的分層現(xiàn)象，材料腐蝕嚴(yán)重。

3 推廣應(yīng)用

新產(chǎn)品在吐哈油田腐蝕嚴(yán)重的深井進(jìn)行礦場(chǎng)使用試驗(yàn)，平均下井深度2600m，使用1年后從井下取出對(duì)比檢測(cè)腐蝕情況，結(jié)果顯示該新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿抗腐效果良好，與常規(guī)H級(jí)桿相比其腐蝕速率下降約3倍以上。

2）通過油田的現(xiàn)場(chǎng)試用，新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的使用，可大大減少腐蝕斷桿和停抽檢泵時(shí)間，平均減輕桿柱質(zhì)量15%，降低功率消耗6%～8%，適用于重載荷、耐腐蝕性中深井。

4 結(jié)論

一種新型超高強(qiáng)度防腐抽油桿的研制成功，不但可大大減少油田中深井腐蝕斷桿和停抽檢泵時(shí)間，而且新型抽油桿的材料選用、鍛造、熱處理工藝合理，具有可操作性，同時(shí)價(jià)格合理，有利于新產(chǎn)品在油田后期開發(fā)的推廣使用。

[1]王公德.參與金屬腐蝕的微生物其控制[M].生物學(xué)通報(bào)，1986-02.

[2]王素玲，常瑞清，等.基于振動(dòng)力學(xué)的抽油桿柱傳動(dòng)效率數(shù)值仿真研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（9）：1-5.

[3]趙海洋，劉振東，等.加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計(jì)方法研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（8）：55-58.

[4]岑學(xué)齊，吳曉東，吳延強(qiáng)，等.深井采油中玻璃鋼-鋼混合抽油桿設(shè)計(jì)新方法[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（9）：28-32.

[5]吳則中，陳強(qiáng)，鐘永海，等.我國(guó)29年來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.

[6]鄧學(xué)峰，羅懿，王薇，等.斜井中的桿管偏磨預(yù)防工具研制與應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（2）：48-50.

[7]王玉明，唐術(shù)華，楊立恒，楊光清.鄯善油田抽油桿斷裂原因與防治對(duì)策研究[J].鉆采工藝，2002,25（4）：58-63.

TE933