周娜

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）＊

目前，勝坨油田部分區(qū)塊油井液面深、礦化度高，導(dǎo)致了在用的D 級(jí)抽油桿、連續(xù)抽油桿在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的不適應(yīng)性。部分區(qū)塊腐蝕嚴(yán)重、礦化度高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出全廠平均水平，腐蝕性強(qiáng)；連續(xù)桿、D 級(jí)桿不耐腐蝕，無法有效滿足生產(chǎn)的需求，造成了腐蝕躺井率高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕區(qū)塊作業(yè)油井中，腐蝕桿斷井占總作業(yè)井次的比例高達(dá)33%。針對(duì)這些問題，為提高腐蝕井抽油桿的使用壽命，降低躺井率和作業(yè)費(fèi)用，開展了防腐蝕技術(shù)研究及防腐蝕桿的試驗(yàn)應(yīng)用工作。

1 抽油桿防腐蝕技術(shù)

1.1 腐蝕機(jī)理

1.1.1 抽油桿腐蝕原因

勝坨油田抽油桿腐蝕主要以電化學(xué)腐蝕、垢下腐蝕、CO2腐蝕、H2S腐蝕為主，腐蝕形態(tài)主要有均勻腐蝕與局部腐蝕2種，局部腐蝕主要分為腐蝕裂紋、點(diǎn)蝕、坑蝕［1］。

1）電化學(xué)腐蝕井液高礦化度引起污水高電導(dǎo)率，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕。高氯離子含量能破壞桿表面的鈍化膜，加速腐蝕反應(yīng)的陽極過程速度。

2）垢下腐蝕高礦化度污水有較強(qiáng)的結(jié)垢趨勢，引起垢下腐蝕（垢下形成的閉塞電池效應(yīng)），以及流體產(chǎn)生的沖刷腐蝕等。

3）CO2腐蝕 CO2引起的腐蝕基于氫離子的陰極去極化作用，多為坑蝕或點(diǎn)蝕，溫度在50～90℃之間的腐蝕較為嚴(yán)重。

4）H2S腐蝕較高體積分?jǐn)?shù)的H2S可與鐵反應(yīng)生成黑色疏松分層狀或粉末狀的硫化鐵膜，形成宏觀原電池，加速金屬腐蝕。

1.1.2 普通抽油桿腐蝕疲勞斷裂機(jī)理

抽油桿腐蝕疲勞斷裂是在拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的金屬材料的破裂現(xiàn)象，它的發(fā)生一般認(rèn)為需要同時(shí)具備3個(gè)基本條件：一定的拉應(yīng)力、敏感材料和特定的環(huán)境。在濕潤的環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)深入鋼內(nèi)部，固溶于晶格中，使鋼的脆性增大，在外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成開裂，最終導(dǎo)致抽油桿斷裂［2］，如圖1所示。腐蝕斷裂主要出現(xiàn)在高強(qiáng)鋼、高內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件及硬焊縫上。

圖1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂機(jī)理

1.2 產(chǎn)出液物性分析

以勝坨油田1區(qū)塊為代表分析產(chǎn)出液物性。

1）產(chǎn)出液水性分析1區(qū)塊礦化度高，易引起污水高電導(dǎo)率，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕過程的進(jìn)行。例如：ST＊1井地層水化驗(yàn)結(jié)果顯示，總礦化度達(dá)到80000mg／L，其中Cl－含量高達(dá)50000 mg／L，加速了腐蝕。

2）產(chǎn)出氣體分析1區(qū)塊產(chǎn)出氣中CO2、H2S體積分?jǐn)?shù)高，其中CO2體積分?jǐn)?shù)2.31%，高出全廠平均值，含H2S 油井有62口，易引起CO2腐蝕、H2S腐蝕。

3）地層水結(jié)垢趨勢分析分別取采油廠各聯(lián)合站、1區(qū)塊地層水進(jìn)行結(jié)垢指數(shù)化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果顯示1區(qū)塊結(jié)垢指數(shù)達(dá)到1.56，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全廠平均水平，容易引起垢下腐蝕。

1.3 防腐蝕桿防腐蝕機(jī)理

目前，國內(nèi)在腐蝕井中應(yīng)用的抽油桿主要有D級(jí)桿、連續(xù)桿、K 級(jí)桿、不銹鋼桿［3］4種。其中，只有K 級(jí)桿、不銹鋼桿具有防腐蝕性能，但是K 級(jí)桿屈服強(qiáng)度僅有372MPa，無法滿足生產(chǎn)的強(qiáng)度需求，不銹鋼桿價(jià)格高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了滿足腐蝕井的配套要求，與廠家結(jié)合進(jìn)行了KD 級(jí)防腐蝕桿的研究與試驗(yàn)。

KD 級(jí)防腐蝕桿的主要防腐蝕機(jī)理是對(duì)防腐蝕抽油桿的合金成分及其含量進(jìn)行了調(diào)整，主要包括Cr、Mn、C、Mo、Ni等的調(diào)整，有效提高防腐蝕性能、塑性、沖擊韌性、淬透性、淬硬性、綜合性能。同時(shí)對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，有效保證了抽油桿的綜合性能。

2 室內(nèi)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

本文分析研究了3130、4720SR、4330M 三種型號(hào)的防腐蝕抽油桿，綜合考慮適應(yīng)介質(zhì)與經(jīng)濟(jì)效益2個(gè)方面，最終選擇了價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)的3130型防腐蝕抽油桿。

2.1 抽油桿疲勞壽命評(píng)價(jià)

在中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院的PLG－300kN 型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了3130型防腐蝕抽油桿的疲勞壽命試驗(yàn)。按照SY／T5029—2006《抽油桿》石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽油桿疲勞壽命試驗(yàn)方法，試驗(yàn)加載應(yīng)力σmax＝406 MPa，應(yīng)力比R＝0.1，對(duì)KD 級(jí)抽油桿壽命進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果如表1。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于該材料生產(chǎn)的KD 級(jí)抽油桿，經(jīng)過多次試驗(yàn)，抽油桿疲勞壽命均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

表1 KD級(jí)防腐蝕桿疲勞壽命

2.2 抗SSC性能檢測

1）試驗(yàn)條件 KD 級(jí)防腐抽油桿在加載應(yīng)力為633 MPa（791 MPa×80%），腐蝕介質(zhì)為H2S飽和的0.5%冰醋酸＋6.6% NaCl的水溶液。

2）試驗(yàn)時(shí)間720h。

3）試驗(yàn)結(jié)果720h試驗(yàn)后，宏觀檢查，所有試樣均未發(fā)現(xiàn)斷裂；720h 試驗(yàn)后，所有試樣用10倍放大鏡檢查均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4）結(jié)論該桿通過了美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE TM0177—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗SSC檢測。

2.3 力學(xué)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)生產(chǎn)要求，防腐蝕桿不僅要在耐腐蝕性能上達(dá)到K 級(jí)桿的水平，還要在力學(xué)性能上滿足D 級(jí)桿的要求。經(jīng)測試，該桿的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足了SY／T5029—2006《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)中KD 級(jí)抽油桿的要求，如表2所示。

表2 KD 級(jí)防腐蝕桿力學(xué)性能

2.4 強(qiáng)度校核

抽油桿桿柱在工作時(shí)的受力情況是相當(dāng)復(fù)雜的，所有用來計(jì)算懸點(diǎn)大載荷的公式都只能得到近似結(jié)果。因此在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式［4］。

懸點(diǎn)最大載荷采用克姆良爾公式計(jì)算得

式中：L為泵深，m；FA為平均每米液柱對(duì)整個(gè)活塞截面的作用力，N；FB為平均每米抽油桿在空氣中的重力，N；S為光桿沖程，m；n為沖次，min－1。

懸點(diǎn)最小載荷為

最大許用載荷根據(jù)改進(jìn)的古德曼應(yīng)力圖公式計(jì)算得

式中：PA為最大許用載荷，N；a、b為系數(shù)，取a＝0.25、b＝0.5625；T為抽油桿最小抗拉強(qiáng)度；A為最上端抽油桿的橫截面積；SF為使用系數(shù)。

則抽油桿應(yīng)力范圍百分?jǐn)?shù)為

為驗(yàn)證KD 桿的強(qiáng)度校核，本文以ST＊2井為例。該井泵深2300 m，是目前勝坨油田下泵較深的井，沖程6m，沖次2.5min－1，已在井218d，生產(chǎn)正常。理論計(jì)算值：桿柱最大載荷是111.7kN，抽油桿應(yīng)力范圍是65%?，F(xiàn)場實(shí)測值：桿柱最大載荷是110kN，抽油桿應(yīng)力范圍是63%。通過理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測2種手段校核得出：KD 級(jí)抽油桿的強(qiáng)度完全能夠滿足該井的生產(chǎn)需要。

2.5 綜合配套技術(shù)

抽油桿短節(jié)、接箍、活塞拉桿都是桿柱配套中必需的組成部分，也都是腐蝕中最常見的失效點(diǎn)，為了配套KD 級(jí)防腐蝕抽油桿，使整個(gè)抽油桿桿柱都達(dá)到防腐要求，與廠家結(jié)合配套生產(chǎn)了KD 級(jí)防腐蝕桿短節(jié)、KD 級(jí)防腐蝕接箍、KD 級(jí)活塞拉桿。目前已經(jīng)在勝坨油田推廣應(yīng)用，取得了非常顯著的效果。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

在勝坨油田，KD 級(jí)防腐蝕桿滿足了深抽、高礦化度井的配套需要，對(duì)降本增效起到了積極的作用。截至目前，已配套試驗(yàn)200余井次，平均泵深1879 m，礦化度范圍14537～80000mg／L，平均礦化度達(dá)到32000mg／L。

3.2 應(yīng)用效果

對(duì)2010年下入的60口可對(duì)比井進(jìn)行了分析，D 級(jí)桿壽命僅有251d，應(yīng)用KD 桿后，桿平均壽命延長到了417d，延長了166d，且持續(xù)有效，目前已減少作業(yè)40余井次，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

井例：ST＊3井腐蝕嚴(yán)重，礦化度26285 mg／L，Cl－含量17748mg／L，新D 級(jí)桿壽命只有124d（如圖2）。于2010－01－03下入KD 級(jí)防腐蝕桿，已正常生產(chǎn)852d，相對(duì)平均減少作業(yè)6次，效果顯著。如表3所示。

圖2 ST＊3井腐蝕桿斷形貌

表3 ST＊3井應(yīng)用KD桿前后對(duì)比

3.3 適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2010年下入的KD 級(jí)防腐蝕桿再次桿斷的共有22口井，統(tǒng)計(jì)如表4。對(duì)桿斷井進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：KD 桿應(yīng)用效果較好的井礦化度范圍比較分散，并且基本上不存在垢下腐蝕；而應(yīng)用效果較差的井礦化度范圍全部集中30000mg／L 以上，且垢下腐蝕較嚴(yán)重，垢下腐蝕比例達(dá)到50%。通過分析可以看出：KD 級(jí)防腐蝕桿適用于礦化度小于30000 mg／L、且不存在垢下腐蝕的油井中。

表4 KD桿桿斷情況

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）KD 級(jí)防腐蝕桿在一定范圍內(nèi)滿足了勝坨油田腐蝕井的需要，延長了抽油桿壽命、降低了作業(yè)費(fèi)用。

2）可以在礦化度小于30000 mg／L、且不存在垢下腐蝕的腐蝕井中推廣應(yīng)用防腐蝕桿。

3）下一步在礦化度高于30000mg／L的油井中試驗(yàn)，評(píng)價(jià)鍍滲鎢桿、4330M、不銹鋼等類型的防腐蝕抽油桿。

［1］榮海波，李娜，趙國仙，等.超級(jí)15Cr馬氏體不銹鋼超深超高壓油氣井中的腐蝕行為研究［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（9）：57－62.

［2］呂華華.石油作業(yè)防硫化氫技術(shù)［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2009.

［3］吳則中，陳強(qiáng)，鐘永海，等.我國29年來抽油桿研制工作回顧與展望［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（1）：62－67.

［4］J·扎巴.深井泵采油［M］.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978.