碳纖維連續(xù)柔性抽油桿技術的應用與認識

付堯 張學斌 任立新 李季（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

統(tǒng)計近年來抽油機井檢泵情況，偏磨斷脫檢泵率雖呈逐年下降趨勢，但偏磨斷脫所占比例卻呈逐年上升趨勢，由2013 年的57.0%上升到2017 年的64.9%，成為抽油機井檢泵率居高不下、檢泵周期縮短、檢泵成本增加的主要原因。為此，開展碳纖維柔性桿技術的研究與應用，以解決金屬驅動桿使用壽命短，易造成桿管偏磨和斷脫的問題，達到降本增效目的。

1 工藝技術

優(yōu)選含碳量99%以上的碳纖維作為主體材料，碳纖維是一種三維碳化合物，由聚丙烯腈等有機纖維在保持纖維形狀的條件下，經固相反應轉化而成。碳纖維柔性桿以耐高溫樹脂作為樹脂基體，以碳纖維作為增強材料，采用擠壓、固化工藝一次成型，桿體截面呈圓形，力學性能優(yōu)于桿體呈帶狀結構[1]。該抽油桿區(qū)別于鋼制抽油桿和以鋼絲繩外包裹橡膠為主體材料的連續(xù)抽油桿，并兼有這兩種抽油桿的技術優(yōu)勢，質量輕、耐腐蝕、耐疲勞、摩擦系數低等，能夠較好的適用于抽油機井舉升工藝技術。

1.1 碳纖維連續(xù)桿的材料選擇

為了提高碳纖維抽油桿的耐磨性能，桿體由桿心和包覆桿心的保護層組成。桿心采用碳纖維復合材料，保護層采用玻璃纖維復合材料。

根據復合材料的特性，碳纖維連續(xù)桿的抗拉強度、拉伸模量和耐疲勞性能，主要取決于增強材料的力學性能及其在產品中所占的比例，而其耐溫、耐腐蝕及彎曲性能取決于基體樹脂。因此選擇碳纖維和樹脂的種類對碳纖維連續(xù)桿性能影響至關重要。

一是碳纖維的選擇[2]?？紤]碳纖維的高比強度、高比模量、低密度、耐高溫、熱膨脹低、耐疲勞和耐腐蝕等特性，選用了美國的阿卡薩牌碳纖維。

二是基體樹脂的選擇。考慮樹脂的耐溫、耐介質腐蝕、柔韌性及加工工藝的實現等綜合性能，選用了美國的阿卡薩牌樹脂。

1.2 碳纖維連續(xù)桿的拉擠工藝

碳纖維連續(xù)桿拉擠工藝流程見圖1。將增強材料連續(xù)浸漬黏結樹脂膠液，然后拉過加熱的模具進行成型和固化。在環(huán)氧樹脂膠液中添加一定比例的固化劑、促進劑、阻燃劑和脫模劑。拉擠成型的主要工藝參數是：膠槽的溫度、模具的溫度、固化溫度和牽引力。

圖1 碳纖維連續(xù)桿拉擠工藝流程

2 配套技術

2.1 專用金屬接頭的研制

滑動式金屬端接頭由帶外螺紋接頭的頂桿、鎖緊螺母、定位螺釘、外套簡、內套筒和碳纖維抽油桿組成，滑動式金屬端接頭示意圖見圖2。

粘接式金屬端接頭由帶外螺紋接頭的外套筒、膠和碳纖維抽油桿組成見圖3。

圖2 滑動式金屬端接頭示意圖

圖3 粘接式金屬端接頭示意圖

室內高溫抗拉強度試驗：使用WDW-300 試驗機，恒溫120 ℃條件下，將金屬接頭與碳纖維柔性桿連接后進行抗拉強度試驗，最大拉力達到203 kN，高溫下碳纖維柔性桿與金屬接頭連接系統(tǒng)、鋼制抽油桿抗拉強度試驗曲線見圖4。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，室內試驗證明，碳纖維柔性桿和專用金屬接頭連接處較鋼制抽油桿耐高溫穩(wěn)定性好[3]。

2.2 作業(yè)配套技術

滾筒式作業(yè)車的主要技術參數：最大提升載荷15 t、最大起下速度20 m/min、滾筒直徑大于或等于2.5 m、電動機功率20 kW。滾筒式作業(yè)車示意圖見圖5。

圖4 高溫下碳纖維柔性桿與金屬接頭連接系統(tǒng)、鋼制抽油桿抗拉強度試驗曲線

圖5 滾筒式作業(yè)車示意圖

井口導向器固定在井口四通的法蘭上（圖6），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抽油桿，并配備側重器和計長器，用來測量抽油桿柱的重量和長度；作業(yè)車操作簡單、方便靈活、安全可靠[4]。

圖6 井口導向器

1）碳纖維連續(xù)桿下入操作規(guī)程。上井前，將下金屬端接頭與碳纖維抽油桿桿體安裝固定好；到井場后將滾筒式作業(yè)車擺正位置；在井口四通法蘭上固定好井口導向裝置；將碳纖維抽油桿桿體連同下金屬端接頭穿過井口導向裝置；通過螺紋將加重桿與下金屬端接頭連接牢固；啟動電動機使?jié)L筒勻速旋轉，使碳纖維抽油桿桿體以不大于20 m/min 的速度下入，預計柱塞底部快接觸固定凡爾罩時放慢速度至不大于5 m/min，直至柱塞底部接觸固定凡爾罩；上提碳纖維抽油桿桿體，直至碳纖維抽油桿桿體承載時停住，使用專用卡具卡住碳纖維抽油桿桿體并坐在四通法蘭上；用卷尺自四通法蘭沿碳纖維抽油桿桿體測量出防沖距加光桿長度，再減去懸繩器至井口四通法蘭的距離長度，并作記號，在記號處截斷碳纖維抽油桿桿體；將上金屬端接頭與碳纖維抽油桿桿體安裝固定好；將上金屬端接頭與光桿連接固定好。

2）碳纖維連續(xù)桿起出操作規(guī)程。在井口四通法蘭上固定好井口導向裝置；使用滾筒式作業(yè)設備將上金屬端接頭及碳纖維抽油桿桿體上起15 m 左右，再使用專用卡具卡住碳纖維抽油桿桿體并坐在四通法蘭上；連接牽引鋼絲繩；啟動電動機帶動滾筒旋轉，以不大于20 m/min 的速度將碳纖維抽油桿起出并盤繞在滾筒上，直至下金屬端接頭起出井口外；卸下金屬端接頭與加重桿的連接，將碳纖維抽油桿桿體全部盤繞在滾筒上，拆卸并收起井口導向裝置。

2.3 桿柱優(yōu)化匹配技術研究

抽油機井在抽汲過程中，作用在懸點上的摩擦載荷由抽油桿柱與油管的摩擦力、柱塞與襯套之間的摩擦力、抽油桿柱與液柱之間的摩擦力、液體與油管之間的摩擦力、液體通過游動閥的摩擦力、慣性載荷六部分組成，同時桿柱在舉升液體中受到浮力作用。而碳纖維柔性桿需克服上述各種載荷和浮力的影響。因此，計算不同驅替方式下，即不同采出液濃度的各種載荷和浮力，便可計算出與之匹配加重桿的長度參數。

以200 mg/L 為步長對采出液濃度進行分級，測試和查閱對應黏度值，進而計算不同泵徑與不同桿徑（鋼制φ22 mm 為3.136 kg/m、鋼制φ25 mm 為4.091 kg/m、碳纖維柔性桿φ22 mm 為0.5 kg/m、碳纖維柔性桿φ25 mm 為0.6 kg/m）組合下的抽油桿柱與油管的摩擦力、柱塞與襯套之間的摩擦力、抽油桿柱與液柱之間的摩擦力、液體與油管之間的摩擦力、液體通過游動閥的摩擦力、慣性載荷和和浮力，得到不同采出液濃度下的碳纖維柔性桿應用的匹配方案。形成了五種常用的抽油泵與柔性桿組合下的匹配方案，即φ57 mm 抽油泵與φ22 mm 柔性桿組合、φ70 mm 抽油泵與φ22 mm 柔性桿組合、φ70 mm 抽油泵與φ25 mm 柔性桿組合（表1）、φ83 mm 抽油泵與φ25 mm 柔性桿組合、φ95 mm抽油泵與φ25 mm 柔性桿組合。

3 現場實踐應用

3.1 實踐應用

試驗應用碳纖維連續(xù)桿7 口井，平均產液增加6 t/d、泵效增加7.4%、交變載荷下降11.98 kN，柔性桿平均運行1 335 天，柔性桿最長運行1 631 天。

例如：7-P261 試驗井采出液濃度為428 mg/L，2012 年12 月至今由于偏磨檢泵3 次，平均檢泵周期213 天，桿管偏磨比較嚴重。為客觀評價碳纖維柔性抽油桿試驗效果，設計使用加重桿250 m，與之匹配設計使用內噴涂油管，加重桿部分不布置扶正器，而使用雙向保護接箍。該井于2014年5月16日成功投產，初期增液2 t/d、泵效提高1.8%、交變載荷下降7.48 kN，7-P261 試驗井初期效果對比見表2。

2016 年4 月27 日桿斷檢泵，檢泵周期713 天，較試驗前延長500 天。起出柔性桿671 m，檢出發(fā)現柔性桿與加重桿連接處桿體接箍磨斷，柔性桿無磨損，第27 根抽油桿桿體偏磨，有14 根普通油管偏磨，4 根內涂層油管偏磨。2016 年5 月5 日利舊下入柔性抽油桿671 m，更換柔性桿與光桿及下部加重桿接頭。2016 年5 月7 日檢泵完開井，恢復正常生產，柔性桿至今運行1 593 天。

表1 φ70 mm 抽油泵與φ25 mm 柔性桿匹配方案

表2 7-P261 試驗井初期效果對比

表3 11-P222 試驗井初期效果對比

為進一步提升防偏磨效果，在第8 口試驗井—11-P222 上將加重桿設計安裝在柱塞下：采出液濃度為330 mg/L，2008 年到至今由于偏磨檢泵2 次，平均檢泵周期305 天。柱塞下設計使用φ50 mm 加重桿80 m，全井取消扶正器，2016 年5 月19 日投產，目前運行1 088 天，產液增加13 t/d、泵效增加7.2%、交變載荷下降4.31 kN，11-P222 試驗井初期效果對比見表3。

現場實踐應用表明，碳纖維連續(xù)桿以其質量輕、耐腐蝕、耐疲勞、柔性好、阻力小、摩擦系數低等優(yōu)點，較好地適應抽油機井舉升工藝技術，可有效減緩桿管偏磨問題，促進該工藝技術更好地發(fā)展。

3.2 效益評價

以7-P261 井為例，綜合考慮一次性投資、檢泵、維護和能耗費用，對φ70 mm 抽油泵與φ25 mm柔性桿匹配和φ70 mm 抽油泵與φ25 mm 鋼制桿匹配進行經濟效益評價。

1）一次性投資高2.9 萬元。由于地面舉升設備、井下抽油泵、油管均相同，故在一次性投資上不予考慮。碳纖維連續(xù)桿82 元/m，而鋼制抽油桿32 元/m，全井扶正器0.5 萬元/口。7-P261 井設計使用碳纖維連續(xù)桿671 m、鋼制桿250 m，共投入6.3 萬元，而試驗前全部設計使用鋼制桿投入3.4 萬元。

2）檢泵費用節(jié)省3.11 萬元。7-P261 井試驗前檢泵費用9.54 萬元，試驗后檢泵費用6.43 萬元。

3）維護費用相當。暫定二者均為φ70 mm 泵抽油機井平均維護費用1.80 萬元/a。

4）能耗費用節(jié)省6.31 萬元。φ70 mm 抽油泵與φ 25 mm 鋼制桿匹配抽油機井消耗功率11.67 kW，則能耗費用6.46 萬元/a；φ70 mm 抽油泵與φ 25 mm 連續(xù)桿匹配抽油機井消耗功率8.45 kW（測試），則能耗費用4.72 萬元/a，年節(jié)省能耗費用1.74 萬元。

截至目前，7-P261 井試驗前后節(jié)省費用7.80 萬元，7-P261 井柔性桿與鋼制桿費用對比見表4。隨著試驗規(guī)模的擴大，機型和桿、管均可降級使用，故一次性投入差距會越來越小，甚至于低于鋼制桿。

表4 7-P261 井柔性桿與鋼制桿費用對比

4 結論

1）現場試驗表明，碳纖維連續(xù)桿能夠滿足實際生產要求，適用于抽油機井舉升工藝。

2）碳纖維連續(xù)桿是一項新的工藝技術，有效緩解了鋼制桿的桿管偏磨、斷脫問題，同時具有節(jié)能降耗的優(yōu)勢，有力推動了抽油機井舉升工藝更好更快地發(fā)展。

3）開展碳纖維連續(xù)桿配套技術研究，有利于其高效長命運行。