柔性连续抽油杆的研究与发展现状

证明, 柔性连续抽油杆是今后抽油杆的发展必然趋势。
关键词: 柔性连续抽油杆; 研制; 发展; 应用
中图分类号: T E 993. 2
文献标识码: A
机械采油是国内外传统采油的主要方式, 而有杆泵抽油是当今世界石油行业中应用最广泛的技术。世界 上采用机械采油的井数大约是总生产井数的 90% , 而采用有杆泵抽油的井数是机械采油井数的 80%～ 85%。目前我国陆上约 90% 的油井采用有杆泵抽油。然而由于泵杆普遍采用的刚性抽油杆本身结构特点及 加工工艺造成金属内部组织缺陷 (主要在靠近刚性抽油杆端部的热处理过渡区) , 在使用过程中容易从此处 断裂、脱扣, 加上抽油杆的长度短 (每根 8 m 左右)、强度低、易结蜡和无法消除活塞效应等缺点, 导致安装过 程中工人劳动强度大和作业时间长, 一些弊病难以克服, 直接影响抽油效率[1～ 3]。
莫易敏 潘运平 (武汉理工大学)
摘 要: 着重介绍了国外柔性连续抽油杆的研究情况和国内柔性连续抽油杆的研制以及在华北、青海、中原和胜利油
田的应用情况。将国内柔性连续抽油杆与国外连续抽油杆和刚性抽油杆的性能比较, 国产柔性连续抽油杆具有抗拉强度
高、弹性模量大、结构伸长率小等优点。在油田试用结果表明: 柔性连续抽油杆的泵效提高显著, 节能降耗效果明显。实践
1965 年加拿大艾尔伯达 Co rod M anufactu re 有限公司提出了半刚性金属连续抽油杆的概念, 开始研制 连续金属抽油杆, 1968 年研制成功[4, 5]。这种半刚性金属连续抽油杆的横截面为椭圆, 加工工艺大致是: 成卷 圆形钢材开卷→矫直→焊接→轧制成预期所需形状和尺寸→收卷, 再经热处理、喷丸清理、光洁表面、涂防锈 剂、无损探伤检测, 把半刚性抽油杆收卷到直径为 5. 5 m 的卷筒上, 卷筒装到特殊设计的运输拖车上, 安装 时由卡车牵引拖到矿井, 再利用专门设计的巨型作业车将半刚性连续抽油杆通过直径为 12 m 的导向管, 由 液压驱动的副履带和矫直系统为动力进行起下作业。 半刚性连续抽油杆在出厂时下端焊接能与柱塞泵杆相 连接的接头, 在井场安装时根据下泵深度再利用特种焊接工具车进行现场焊接。油井起下作业时间一般需要 5～ 8 h。Co rod M anufactu re 公司生产 19. 05 mm、20. 64 mm、22. 23 mm 等 6 种规格的连续抽油杆, 分别在加 拿大、美国、前苏联、委内瑞拉等国成功的试用。 20 世纪 80 年代, 我国大庆油田曾引进这种抽油杆和特种作 业车, 但由于运输时体积过于庞大, 推广应用受限制。
能耐磨损。其工作温度在- 40～ 180 ℃。表面防 护材料的研制成功, 为我国柔性连续抽油杆的 进一步产业化奠定了坚实的基础。
2. 2 柔性连续抽油杆的应用 自 1997 年以来, 柔性抽油杆先后在华北、青海、胜利、中原油田安装试用, 取得了良好的效果[15～ 17]。从表
1 中可以看出, 泵效提高率在华北油田的 5 口井中为 20. 7%～ 190% ; 在青海油田的 2 口试验井中为 36. 8% ～ 112% ; 在中原油田的 2 口井中为 60. 2%～ 84. 3% ; 在胜利油田的 2 口试验井中为 25%～ 84. 3%。
柔性连续抽油杆作为一种新型的有杆泵抽油的泵杆, 在试用阶段就显示出了极强的优越性, 倍受石油专 家的好评。 它不仅能很好地弥补刚性抽油杆存在的一些不足, 而且能发挥其独特的优点。 因此, 柔性抽油杆 是今后抽油杆的发展必然趋势。
1 国外柔性抽油杆的发展状况
针对刚性抽油杆的缺陷, 自 20 世纪 60 年代以来国外工业发达国家积极研制连续抽油杆以求获得有杆 泵抽油的技术突破, 从而获得最佳的综合经济效益。 据资料介绍, 美国自 20 世纪 60 年代起就开展了研究开 发连续抽油杆的工作。B eth lehem 钢铁公司和M obil 石油公司经过多年的试验室研究, 1962 年试制出外层包 覆防腐材料的 1×37 钢绞线柔性抽油杆, 其直径为 15. 9 mm (5 8 寸) 缠绕在直径为 1. 22 m 的工字轮上。 1972 年初在 H ugo ton 油田安装试用, 泵挂深度 1 219 m ; 后来陆续在德克萨斯的油井上也进行了试验。 这种 1×37 绞线的伸长较大, 油泵的净冲程损失也较大。 对游梁式抽油机进行改造后虽然能达到抽油的目的, 但 是这种方式的成本很高。若每台游梁式抽油机都按此法改装, 油田难以承受。1974 年美国B eth lehem 钢铁公 司研制出了 6×19、6W (19)、6X (19) 等结构的圆股钢丝绳外包覆防腐层的柔性抽油杆, 取得了专利权。 1977 年美国人 Bobby 等对安装进行了突破性的改进: 采用游梁式抽油机; 油井安装时柔性抽油杆上下两端部分 别与圆钢抽油杆联结; 采用差动式抽油泵弥补 1×37 绞线自伸长造成的冲程损失, 并获取了美国专利。1×37 绞线和普通圆股钢丝绳 6W (19)、6X (19) 陆续试运行 3 年后无法推广应用, 主要因为其本身结构缺陷而产生 的结构伸长大、弹性模量低。20 世纪 80 年代初美国A celson 公司的 H en sloy 等人经过多年的试验研究, 利用 航天材料研制出了一种高级石墨、玻璃纤维、芳纶纤维和乙烯基酯树脂等材料复合而成的带状柔性抽油杆。
表 1 柔性抽油杆试用情况调查表
4) 防护技术处理[9～ 14 ]。 武汉理工大学与宁 夏恒力钢铁集团有限公司合作研制成功了柔性
连续抽油杆表面包覆材料的工艺和装备生产
线。柔性连续抽油杆热挤塑工艺见图 1。通过对 柔性连续抽油杆表面包覆材料基础试验、电化
学腐蚀试验、摩擦磨损试验研究, 成功研制出了 3 种柔性连续抽油杆表面包覆材料配方, 这种特 殊的包覆材料既耐硫化氢、酸、碱、盐的腐蚀且
2 国内柔性抽油杆的研制与应用
我国柔性连续抽油杆的研究起步较晚, 20 世纪 90 年代初, 国内一些油田和大专院校的采油专家, 先后 提出了研究、开发我国自己的柔性抽油杆及采油系统的设想, 金属制品行业的工程技术人员也有过这方面的 设想, 但双方对相互专业的了解和沟通甚少, 缺乏必要的协作和联系, 使柔性抽油杆的研制和开发仅仅停留 在设想阶段。 1993 年石油大学 (北京) 以张嗣伟校长为首的科研小组对国外柔性抽油系统进行了研究, 提出 了国内发展柔性抽油系统的设想和方案[ 6 ]。并与宁夏恒力钢铁集团有限公司合作研制开发柔性连续抽油杆, 根据现有杆泵抽油系统的特点, 攻克诸多技术难关, 研制成功特殊结构的柔性连续抽油杆, 克服了普通钢丝 绳结构伸长大、弹性模量低的弱点, 采用柔性连续抽油杆两端加金属连接套的方式解决了圆钢抽油杆与柔性 连续抽油杆间的联结; 这种独创性的连接方式使柔性连续抽油杆在油井中的应用变得十分简捷方便, 无须对 现有的机械抽油系统做任何改造就可以使用, 大大简化了产品在油田推广应用的难度。 2. 1 国内柔性连续抽油杆的研制
收稿日期: 2002210214. 作者简介: 莫易敏 (19602) , 男, 教授; 武汉, 武汉理工大学机电工程学院 (430070). 3 武汉市科委重点科技攻关项目资助 (991002036G) 1
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前苏联是石油发达国家之一, 有自己独特的采油技术和装备。为提高抽油装置的可靠性和使用寿命在解 体前也不断地开展柔性抽油杆的研制。20 世纪 70 年代前期, 苏联奥伦堡石油联合公司研制出了断面厚度为 2～ 3. 5 m 宽度为 45 mm 的高强度连续钢带替代圆钢抽油杆, 整根钢带的长度为 800～ 1 500 m , 按照下泵深 度的需要而截取。并研制配套了超长冲程抽油机。这种高强度钢带缠绕在直径为 1. 18～ 2. 5 m 的卷筒上, 地 面抽油机带动卷筒转动, 实现钢带上下往复运动和起下作业。 1944 年瑞典的列旦工程公司也研制成功了与 此相近的钢带式超长冲程抽油机, 在奥伦堡石油联合公司的油田进行了矿场试验。瑞典的钢带式长冲程抽油 机的卷筒直径为 2. 3 m , 钢带缠绕长度为 1 500 m , 钢带的断面尺寸为 2. 5 mm ×45 mm。前苏联金属制品研 究所与莫斯科布耳金石油天然气研究所于 80 年代末研制成功了带密封填料的抽油杆钢绞线, 其结构为 1× 37, 这种绞线的生产工序比较复杂, 每根钢丝在捻制前分别涂上一层主要成分为流体聚硫橡胶的涂料, 捻制 后先后涂上硫化膏和硫化剂、密封胶, 并在专用设备和试验机上进行了磨损和腐蚀性能检测。 同时又分别对 7×19, 6W (19) + 7×7 ( IW S) 结构的镀锌钢丝绳、外包聚乙烯防腐层的钢丝绳进行综合性能检测。 先后在阿 塞拜疆油田下井试验 9 个月。 70 年代末、80 年代初苏联伊万诺夫司基等人在总结了前人研究柔性抽油杆的 经验后, 采用 202r2B 2H 2160 矿井提升钢丝绳做柔性抽油杆。矿井提升钢丝绳的结构稳定, 钢丝绳横断面金属 填充系数等均优于 1×37 绞线和 6X (19) 等圆股钢丝绳。该种钢丝绳在阿里迈吉耶夫油气管理局进行了下井 试验, 泵深达 1 018 m。为了解决提升钢丝绳受载荷后的结构伸长、弹性伸长引起的柱塞冲程损失, 研制出三 级差动式深井泵。 试验证明, 采用提升钢丝绳代替圆钢抽油杆是可行的, 但需要对油田使用的抽油系统进行 更新改造, 带来诸多不便。 苏联解体后, 这一研制工作基本上停止。
其特点是: 抗拉强度高; 柔性好, 可缠绕到直径为 2. 44 m 的卷筒上, 连续长度可以达到1 520 m ; 重量轻; 耐磨 损。1992～ 1993 年先后在油井中安装使用, 泵深达到 1 371 m。连续运行 8 个月后抽出检验, 复合材料磨损轻 微。 但这种复合材料具有制造成本较高、耐高温性能差的缺点。
1) 柔性连续抽油杆的选料。柔性连续抽油杆一般选用中、高碳低合金冷拔钢丝捻制而成。线材经等温索 氏体化处理, 金属的显微结构呈细片状分布均匀的渗碳体和铁素体, 这种组织具备良好的冷加工性能和物理 机械性能。再经足够深度的冷拔工艺处理, 达到充分的加工硬化, 使钢丝既具有足够高的抗拉强度, 而且具有
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良好的塑韧性[7 ]。
2) 柔性连续抽油杆的制作工艺。 柔性抽油杆采用多层钢丝捻制而成。 以 <19 mm 的钢丝绳为例进行说 明: 该加密的密封式钢丝绳的内部是 70# 钢的直钢丝 (其中 <3 mm 的 19 根, <1 mm 的 6 根) , 外部由一层 Z 型 异型丝包覆、密封而成, 其中 Z 型丝为 55# 钢。 采用这种工艺制作的柔性连续抽油杆受轴向拉力作用使各层 钢丝受到的旋转力矩大小相等、方向相反, 从而达到不旋转。
3) 柔性抽油杆的结构特点[8]。 ①外层钢丝闭锁紧密, 钢丝与钢丝之间无缝隙, 外界的腐蚀介质不易进入 内部, 耐腐蚀。 ②外表圆滑。 在收放线和运行中, 柔性连续抽油杆与轮槽工作面间的接触面积大, 运行平稳, 耐磨损。 ③经特殊工艺处理的柔性连续抽油杆在承受载荷时, 结构稳定, 消除了结构伸长。 ④密封式柔性连 续抽油杆刚性好, 可以竖直立起, 在使用过程中不会打弯, 平直度好, 从收线轮上放出的柔性连续抽油杆呈直 线, 无翘起。 ⑤结构紧凑, 横截面内金属填充数高达 0. 90～ 0. 93。
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武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF W UHAN UN IVERSITY பைடு நூலகம்F TECHNOLOGY
文章编号: 167124431 (2003) 0220040204
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