一種特超高強(qiáng)度抽油桿的開發(fā)

文／金軍濤，王萬(wàn)榮·寧夏長(zhǎng)慶石油機(jī)械制造有限責(zé)任公司

關(guān)文韜，張泓·長(zhǎng)慶油田第九采油廠工藝所

抽油桿(圖1)是人工舉升采油系統(tǒng)不可缺少的部件，為一細(xì)長(zhǎng)桿件，上接光桿，下接抽油泵，起傳遞動(dòng)力的作用。單根桿常規(guī)長(zhǎng)度為8 米或9.14 米，材質(zhì)一般是低碳合金鋼，在鍛造成形后，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，在油管內(nèi)用內(nèi)螺紋接箍一根根連接起來，形成抽油桿柱，起到井繩和傳遞動(dòng)力的作用，將地面抽油機(jī)驢頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞到井下抽油泵，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械采油。

圖1 抽油桿

我們公司是一家集石油機(jī)械研發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造和銷售服務(wù)于一體的企業(yè)，主要經(jīng)營(yíng)抽油桿及附件的生產(chǎn)加工，目前在抽油桿產(chǎn)品的防腐、抗磨、扶正刮蠟等研究課題上取得了顯著成效，相繼開發(fā)了超強(qiáng)度型、耐腐蝕型、抗磨型、扶正刮蠟型等適合不同井況的專用抽油桿、抽油光桿及配套的接箍產(chǎn)品，滿足了市場(chǎng)不同層次的需求。

隨著石油勘探和鉆采技術(shù)的進(jìn)步，更多大斜度井、水平井、超深井不斷涌現(xiàn)，對(duì)有桿采油系統(tǒng)中的抽油桿承載能力提出了更高的要求，目前所用的普通抽油桿(D級(jí)，抗拉強(qiáng)度793～965MPa)與超高強(qiáng)度(HL級(jí)、HY 級(jí)，抗拉強(qiáng)度965 ～1195MPa)，已不能滿足需求。

據(jù)采油廠工藝所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)水平井、定向井、超深井等復(fù)雜工況的油井中使用的H 級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿，有一半以上的下井使用壽命達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)，頻繁出現(xiàn)斷桿問題，甚至有少部分在下井后不到一個(gè)月就出現(xiàn)非正常斷脫問題，已致使原油產(chǎn)量降低，修井費(fèi)用增加，采油成本提高。

開發(fā)特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿

針對(duì)市場(chǎng)需求，我們公司聯(lián)合油田的工藝所成立了專項(xiàng)攻關(guān)小組，立項(xiàng)開發(fā)特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿。項(xiàng)目組由我公司技術(shù)研發(fā)中心的工程師和油田工藝所的工程師共同組成，油田工藝所的工程師負(fù)責(zé)性能指標(biāo)的制定和抽油桿在試用期間的驗(yàn)證，我司負(fù)責(zé)抽油桿制造工藝改進(jìn)。油田工藝所的工程師結(jié)合油田生產(chǎn)需要，提出了特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿的開發(fā)目標(biāo)：首先，要適用于水平井、定向井、超深、超重載荷的油井；其次，強(qiáng)度要比常規(guī)超高強(qiáng)度抽油桿要高出一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，開發(fā)目標(biāo)設(shè)定在1195 ～1450MPa；第三，具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還要有一定的韌性；第四，整體抽油桿柱的載荷和抗疲勞壽命要有所提高，具體目標(biāo)是下井使用壽命要比常規(guī)超高強(qiáng)度抽油桿增加一半以上。

工藝方案及驗(yàn)證

目標(biāo)明確后，就需要針對(duì)目標(biāo)，結(jié)合公司實(shí)際制定最優(yōu)工藝方案。抽油桿的生產(chǎn)制造工藝路線：鍛造-調(diào)質(zhì)熱處理-拋丸-機(jī)加工-表面淬火處理-組包裝-浸漆防護(hù)。該工藝路線中，對(duì)最終性能影響最大的主要是調(diào)質(zhì)熱處理和表面淬火兩個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合公司多年來在抽油桿產(chǎn)品上的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)客戶要求的性能指標(biāo)進(jìn)行工藝分析，見表1。

表1 不同類型抽油桿性能指標(biāo)

SHY 級(jí)是擬開發(fā)的特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿，數(shù)據(jù)顯示，特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿的指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超高強(qiáng)度抽油桿，其抗拉強(qiáng)度已經(jīng)高出一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。該工藝的難點(diǎn)是在設(shè)備定制、原材料選用、熱處理工藝確定后，實(shí)現(xiàn)抽油桿的綜合力學(xué)性能提高。我們針對(duì)設(shè)備、原材料和熱處理工藝選定做了如下工作。

⑴熱處理爐改進(jìn)。針對(duì)熱處理后同根抽油桿不同位置力學(xué)性能不穩(wěn)定、偏差大、少部分抽油桿組織中存有“上貝氏體”危險(xiǎn)組織的技術(shù)難題，淬火爐與回火爐爐內(nèi)溫度測(cè)量點(diǎn)設(shè)計(jì)成“矩陣式”的創(chuàng)新布置方式，實(shí)現(xiàn)熱處理爐內(nèi)溫度測(cè)量與補(bǔ)償?shù)木纫螅徊捎弥悄芑娮訜o(wú)紙化溫控記錄裝置與數(shù)字化全自動(dòng)溫控系統(tǒng)，充分保證爐內(nèi)的真實(shí)溫度與工藝參數(shù)要求溫度一致，以此保障同一根細(xì)長(zhǎng)桿體不同位置力學(xué)性能、金相組織的一致性與穩(wěn)定性。

⑵定制表面感應(yīng)淬火設(shè)備，這個(gè)環(huán)節(jié)看似簡(jiǎn)單，但決定著桿體表面的耐磨性能。因抽油桿屬于鋼制實(shí)心超長(zhǎng)工件，規(guī)格尺寸不統(tǒng)一，同根桿體上的異形面與變截面較多，尺寸變化跨度大。首先，我們聯(lián)合專用設(shè)備廠家設(shè)計(jì)了一種適用于不同桿體直徑的抽油桿表面超音頻淬火設(shè)備，避免尺寸變化跨度大的異形面與變截面在熱處理時(shí)在不同截面過渡處產(chǎn)生不同大小的熱應(yīng)力，在超音頻電源設(shè)計(jì)加裝多檔連續(xù)加熱輸出功率與多檔自動(dòng)感應(yīng)速度控制模塊，同時(shí)配置加裝溫控檢測(cè)和報(bào)警裝置，從而解決了同根桿體上不同變截面在高頻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)保障了同根桿體任意位置處的淬硬層深度、表面硬度與心部硬度的均勻性。其次，通過調(diào)整淬火圈的內(nèi)徑與匝數(shù)、加熱功率大小、桿體前進(jìn)速度、桿體旋轉(zhuǎn)速度、冷卻方式、冷卻介質(zhì)、冷卻溫度、冷卻濃度等工藝參數(shù)，使桿體的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1195 ～1450MPa，表面硬度≥42HRC，心部硬度≥20HRC，淬硬層深度達(dá)到桿體直徑的5%～13%，桿體表面形成一層均勻的馬氏體組織使其桿體表面具有良好的耐磨性，同時(shí)回火索氏體的心部組織保障了抽油桿良好的韌性，使其疲勞壽命得到了充分的保障。

⑶對(duì)SHY 級(jí)抽油桿用圓鋼材料進(jìn)行篩選。初步選出可能適用的材料，包括25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA、30CrMoA、35CrMoA、40CrMnMoA、12Mn2CrSiA、15Mn2SiCrTiBA、16Mn2SiCrMoVTiA 等多種材料，經(jīng)過向八鋼、石鋼、濟(jì)鋼等多家國(guó)內(nèi)知名鋼廠詢價(jià)后，選取了25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA、30CrMoA、35CrMoA、40CrMnMoA 等6 種價(jià)格適中，市場(chǎng)供應(yīng)相對(duì)充足的材料做試驗(yàn)。

⑷試驗(yàn)圓鋼材料確定后，我們分別對(duì)以上材料直徑為φ16mm、φ19mm 和φ22mm 的圓鋼進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)淬火溫度為860℃，回火溫度為650℃，淬火介質(zhì)分別用油和水，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室分析，40CrMnMoA 由于塑性指標(biāo)偏低不能選用。其他5 種圓鋼在不同直徑和不同淬火介質(zhì)試驗(yàn)時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌性都能夠滿足設(shè)定的試驗(yàn)要求。

⑸對(duì)剩余5 種圓鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)之后進(jìn)行表面超音頻感應(yīng)淬火，測(cè)量強(qiáng)度和硬度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA 三種材料抗拉強(qiáng)度較低，表面硬度也偏低，不耐磨也不耐腐蝕，大批量規(guī)模化生產(chǎn)中不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制，30CrMoA 和35CrMoA 抗拉強(qiáng)度、表面硬度、心部硬度可以滿足要求。

⑹對(duì)經(jīng)過表面超音頻感應(yīng)淬火處理的30CrMoA、35CrMoA 試樣進(jìn)行金相分析，兩種材料的金相組織為均勻的回火索實(shí)體，均能夠滿足要求。

⑺最終確定原料和工藝：30CrMoA、35CrMoA 均能滿足設(shè)計(jì)要求，但35CrMoA 心部硬度較高，相比30CrMoA 可能會(huì)產(chǎn)生韌性不足的問題，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，我們最終決定以30CrMoA 為SHY 級(jí)抽油桿原材料，工藝為調(diào)質(zhì)、表面超音頻感應(yīng)淬火。試生產(chǎn)的SHY 級(jí)抽油桿見圖2。

圖2 SHY 級(jí)抽油桿

最終產(chǎn)品在交樣前，以φ19mm 原材料為例分別做了力學(xué)性能試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表2 和表3。

表2 力學(xué)性能

表3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證合格后，我們將SHY 特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿分別投放到幾家采油廠，進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證。各采油廠非常配合，驗(yàn)證后效果明顯，紛紛給予好評(píng)。

采油十二廠店子作業(yè)區(qū)固H1-1 井和試采作業(yè)區(qū)寧H5-3 井原使用的是HY 級(jí)抽油桿，桿柱組合φ19mm-φ16mm-φ19mm，因其大泵徑(泵徑φ56mm)、高沖次、重載荷、井筒軌跡復(fù)雜等原因，平均每三四個(gè)月就造成抽油桿斷脫事故，兩個(gè)作業(yè)區(qū)于2020 年8 月分別試用SHY 級(jí)抽油桿以后再未發(fā)生抽油桿斷脫事故，使用良好。

采油九廠五谷城作業(yè)區(qū)起三轉(zhuǎn)井站也曾因水平井超重載荷的緣故，常規(guī)的HY 級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿無(wú)法滿足其強(qiáng)度要求，短期頻繁發(fā)生斷裂事故，最短的僅僅使用66 天就發(fā)生斷裂。2020 年10 月份，塞平10-8井、塞平10-9井、塞平10-11井、塞平11-10井、塞平12-13 井陸續(xù)更換SHY 級(jí)抽油桿以后，效果明顯好轉(zhuǎn)，再未發(fā)生抽油桿斷裂及其他質(zhì)量問題。

采油六廠2021 年6 月份試用兩口井，目前效果良好，未出現(xiàn)問題。

近期長(zhǎng)慶油田頁(yè)巖油項(xiàng)目組對(duì)此型號(hào)抽油桿也有采購(gòu)試用意向，以解決其水平井、大泵徑、高沖次、重載荷下抽油桿容易斷脫的問題。

總結(jié)推廣

特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿替代定向井、斜井、水平井中使用的常規(guī)抽油桿與超高強(qiáng)度抽油桿，解決了其在定向井、斜井、水平井中下井使用壽命不足、頻繁斷桿的關(guān)鍵技術(shù)難題。特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿的成功開發(fā)，為摩擦阻力大、載荷大、出液量大的水平井、大斜度井和大泵強(qiáng)采的油井提供了強(qiáng)有力的支撐，大幅降低了抽油桿斷脫的概率，為油田降本增效、提質(zhì)增效發(fā)揮了積極作用。

回顧整個(gè)開發(fā)過程，這個(gè)項(xiàng)目的工藝創(chuàng)新在于技術(shù)人員利用統(tǒng)計(jì)分析的手段，對(duì)工藝參數(shù)精益求精，最終確定了合適的熱處理工藝，使得特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿在滿足超高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，其韌性指標(biāo)也滿足了客戶要求。在開發(fā)過程中，最大的工藝難點(diǎn)是設(shè)定出合適的熱處理工藝方案，既提高產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，又兼顧產(chǎn)品的韌性指標(biāo)。在經(jīng)歷了多次工藝試驗(yàn)后，最終制定出合適的工藝方案，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。這種特級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿生產(chǎn)制造工藝的成功開發(fā)，為客戶和我司都帶來了效益，實(shí)現(xiàn)了合作共贏。同時(shí)，對(duì)于有類似要求產(chǎn)品的開發(fā)，提供了借鑒意義，很值得推廣。