張朋舉，張德松，殷志杰，孫奇，趙全

（1.中國石油吐哈油田分公司機(jī)械廠，新疆鄯善838202；2.中國石油玉門油田分公司酒東采油廠，甘肅酒泉735000）

我國空心抽油桿的制造與應(yīng)用

張朋舉1，張德松1，殷志杰1，孫奇2，趙全2

（1.中國石油吐哈油田分公司機(jī)械廠，新疆鄯善838202；2.中國石油玉門油田分公司酒東采油廠，甘肅酒泉735000）

介紹了國內(nèi)空心抽油桿的主要結(jié)構(gòu)和制造工藝，分析了空心抽油桿在熱洗清蠟、摻稀采油、電加熱采油、分層注水、排液采氣5個(gè)方面的應(yīng)用工藝。分析認(rèn)為：直接連接式將成為空心抽油桿結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展方向；鍛造成形與摩擦焊接+形變熱處理這兩種工藝，將成為國內(nèi)空心抽油桿制造的主要方法；空心抽油桿的系列應(yīng)用工藝將會成為國內(nèi)稠油油田、高含蠟油田、天然氣田開發(fā)的可靠方法。

空心抽油桿；制造；應(yīng)用；結(jié)構(gòu)；直接連接式；鐓鍛式；摩擦焊接式

近年來，隨著邊際油田（稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等）規(guī)模性的開發(fā)，空心抽油桿的制造和應(yīng)用技術(shù)得到了推動和發(fā)展?？招某橛蜅U特有獨(dú)立通道，可通過該通道向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降黏劑和防腐劑，可有效地降低開采難度，增加分層開采計(jì)量層數(shù)［1-3］，提高開采效率，降低開采成本。

在空心抽油桿的制造方面，隨著摩擦焊接技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，使用該技術(shù)制造空心抽油桿，成為了一種主要的制造方法。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國石油機(jī)械制造業(yè)已成功地將摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用于鉆桿和空心桿生產(chǎn)上［4-12］。隨著國內(nèi)油田鉆采技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，先后出現(xiàn)了多種空心抽油桿的結(jié)構(gòu)形式以及多種空心抽油桿的輔助配套應(yīng)用工具。近些年，有部分企業(yè)和科研單位，將熱模鍛制造技術(shù)，成功地應(yīng)用到空心抽油桿的制造中，且制造工藝日臻完善。

空心抽油桿制造工藝的發(fā)展，為該產(chǎn)品在采油、采氣、注水等鉆采工藝的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，邊際油田的規(guī)模性開采和難動用儲量的進(jìn)一步開發(fā)，推動了基于該產(chǎn)品的多種采油、采氣、注水應(yīng)用工藝的發(fā)展。

1 空心抽油桿的制造

1.1 主要結(jié)構(gòu)

SY/T 5550—2012《空心抽油桿》規(guī)定了空心抽油桿的4種結(jié)構(gòu)形式，分別是接箍連接鐓鍛式、直接連接鐓鍛式、接箍連接焊接式、直接連接焊接式。4種不同結(jié)構(gòu)形式的空心抽油桿如圖1所示。在這4種結(jié)構(gòu)中，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可分為鐓鍛式和摩擦焊接式；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為直接連接式和接箍連接式。直接連接式和接箍連接式的區(qū)別具體表現(xiàn)在制造工序的復(fù)雜程度和制造成本上。

圖1 4種不同結(jié)構(gòu)形式的空心抽油桿示意

1.2 制造工藝

1.2.1 摩擦焊接式

摩擦焊是一種現(xiàn)代的固相熱壓焊技術(shù)，具有焊接效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)［13］。摩擦焊接式空心抽油桿，是將獨(dú)立加工成的桿頭或者接箍，夾持在高速旋轉(zhuǎn)的摩擦焊機(jī)上，通過桿頭和桿體的高速摩擦實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接。其最大的優(yōu)點(diǎn)是：空心抽油桿的桿頭和接箍可以獨(dú)立加工，由于工件的尺寸較小，因此獨(dú)立加工方法的選擇較多，可以保證加工尺寸精度和加工質(zhì)量。摩擦焊接式內(nèi)螺紋端接頭如圖2所示。

這種工藝不但應(yīng)用在抽油桿的生產(chǎn)中，同時(shí)也應(yīng)用在油管的修復(fù)、鉆桿的制造中。國內(nèi)采用這種工藝生產(chǎn)摩擦焊接式空心抽油桿的步驟分為3步。

（1）接箍端和桿頭端的獨(dú)立加工，流程為：棒料鋸切→鉆孔→粗車削→淬火→回火→精車削→擠壓螺紋。

（2）桿體的熱加工，流程為：桿體探傷→淬火→回火→桿體校直→車削平端面。

圖2 摩擦焊接式內(nèi)螺紋端接頭

（3）摩擦焊接及輔助工藝，流程為：摩擦焊接→焊縫熱處理→去除飛邊→滾壓焊縫→涂漆打包。

在這個(gè)系列工藝中，桿頭和接箍的獨(dú)立熱處理加工、車削加工、螺紋擠壓加工為準(zhǔn)備工藝；桿體母材經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，為了保證力學(xué)性能，大多數(shù)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)桿體時(shí)選擇Cr、Mo鋼為基本原材料，對比選擇熱處理參數(shù)與力學(xué)性能進(jìn)行匹配。

在焊縫熱處理工序中，有部分企業(yè)采用的是焊縫回火工藝，指焊接完成之后，在空氣中對焊縫進(jìn)行冷卻，然后對冷卻后的焊縫進(jìn)行回火處理，用來消除摩擦焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力。此外，為了提高焊縫的韌性，有部分企業(yè)采用形變和相變強(qiáng)化結(jié)合的方式，應(yīng)用形變熱處理工藝提高焊縫韌性。摩擦焊接工藝在空心抽油桿制造上的應(yīng)用，也呈現(xiàn)出了這兩種工藝。根據(jù)材料方面的知識可知，焊縫回火工藝無法保證焊縫部位和桿體在力學(xué)性能上一致，例如韌性指標(biāo)、疲勞性能指標(biāo)。前一種工藝相當(dāng)于“正火+中頻感應(yīng)加熱回火”工藝。文獻(xiàn)［4］采用焊縫回火工藝，按照一定的工藝規(guī)范進(jìn)行焊接，隨后對接頭進(jìn)行局部中頻感應(yīng)加熱回火熱處理，改善了焊縫的韌性，降低了硬度，不產(chǎn)生回火脆化現(xiàn)象及回火軟化現(xiàn)象。后一種工藝相當(dāng)于“淬火+回火”工藝，利用摩擦焊接完成后，對焊縫的熱處理工藝，克服了焊后熱處理工藝留下的兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，使摩擦焊接接頭的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高，進(jìn)一步完善了摩擦焊接工藝，擴(kuò)大了其應(yīng)用空間［14］。

因此，從工藝角度分析，對比摩擦焊接+焊縫回火和摩擦焊接+形變熱處理這兩種制造工藝，后者的工藝優(yōu)勢更加明顯。因此，摩擦焊接+形變熱處理工藝將成為摩擦焊接式制造工藝的發(fā)展方向。1.2.2鐓鍛式

鐓鍛式空心抽油桿是采用熱擠壓成形的方式，將無縫鋼管原材料按照一定的比例進(jìn)行管端加厚處理后，再采用模鍛成形的方法，使其達(dá)到所規(guī)定的形狀。類似的工藝應(yīng)用在加厚油管、鉆桿、實(shí)心抽油桿等鉆采產(chǎn)品上。例如，目前外加厚油管形成了一次成形為關(guān)鍵技術(shù)的生產(chǎn)工藝［15-16］；根據(jù)鉆桿制造規(guī)格，形成了多次熱鍛成形的關(guān)鍵工藝［17］；較大規(guī)格的鉆桿，形成了接頭熱模鍛成形與管體摩擦焊接的生產(chǎn)工藝；實(shí)心抽油桿的生產(chǎn)，同樣也是應(yīng)用熱模鍛多次聚料、一次成形的工藝［18-20］。

國內(nèi)生產(chǎn)鐓鍛式空心抽油桿的具體工藝步驟為：原材料檢測→鍛前加熱→熱鍛成形→熱處理→螺紋加工→水壓試驗(yàn)→涂漆打包。與其他相關(guān)的石油機(jī)械類產(chǎn)品一樣，鐓鍛式空心抽油桿的成形分為桿頭成形和接箍成形。其中，桿頭成形的關(guān)鍵工藝在文獻(xiàn)［21］中有詳細(xì)描述，接箍的成形工藝在文獻(xiàn)［22］中有詳細(xì)描述。

目前，國內(nèi)鐓鍛式空心抽油桿的生產(chǎn)也有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是圖1（a）所示的獨(dú)立接箍連接式；一種是圖1（b）所示的直接連接式。這兩種形式的空心抽油桿都是熱成形工藝完成后，應(yīng)用整體淬火+整體回火的方法，提高空心抽油桿的力學(xué)性能。接箍連接式需要增加獨(dú)立的接箍加工工序，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)成本較高；因此，直接連接式鐓鍛空心抽油桿將成為鐓鍛式制造工藝的發(fā)展方向。

與實(shí)心抽油桿類似，空心抽油桿的原材料也選用Cr、Mo鋼為基本材料，選用水基淬火介質(zhì)結(jié)合系列溫度參數(shù)進(jìn)行處理，最終力學(xué)性能達(dá)到SY/T 5550—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。以20CrMo為基體材料的D級空心抽油桿成形后，桿頭端成形實(shí)物如圖3所示，接箍端成形實(shí)物如圖4所示。

圖3 空心抽油桿桿頭端成形實(shí)物

圖4 空心抽油桿接箍端成形實(shí)物

2 空心抽油桿的應(yīng)用

利用空心抽油桿的密閉通道向井底注入介質(zhì)，形成了熱洗清蠟工藝、摻稀采油工藝、電加熱采油工藝、分層注水工藝。同樣，可以利用該通道實(shí)現(xiàn)天然氣井的正常生產(chǎn)，形成排液采氣工藝。

2.1 熱洗清蠟工藝

原油在舉升過程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，溶解的石蠟便以結(jié)晶體析出，長大聚集并沉積在抽油桿和油管壁上，出現(xiàn)所謂的結(jié)蠟現(xiàn)象［23］。油井的清蠟和防蠟是日常管理的重要工作之一。隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，油井結(jié)蠟將導(dǎo)致原油舉升通道受阻，抽油機(jī)的載荷上升，若不及時(shí)清蠟會導(dǎo)致油井無法正常生產(chǎn)，致使油井修井作業(yè)。

空心抽油桿熱洗清蠟技術(shù)原理如圖5所示，將空心抽油桿下至油井結(jié)蠟點(diǎn)以下，采用單流結(jié)構(gòu)，液體只能從空心抽油桿內(nèi)腔流出，不能從油管內(nèi)腔流入。進(jìn)行熱洗時(shí)，熱洗液從三通閥流入，沿空心抽油桿內(nèi)腔流經(jīng)單流閥，返出到油管內(nèi)腔。由于空心抽油桿的內(nèi)徑為23～30mm，過流面積小，熱洗所使用的介質(zhì)用量較少，熱量損失較小，空心抽油桿熱洗有90%的熱量傳遞給油管內(nèi)壁，常規(guī)熱洗只有50%左右的熱量傳遞給油管內(nèi)壁［24］。

圖5 空心抽油桿熱洗清蠟技術(shù)原理示意

這種工藝在我國西部的春光油田、青海油田、新疆油田、寶浪油田、吐哈油田、玉門油田均已使用，提高了油井清蠟的效率、降低了操作成本，已經(jīng)成為油井清蠟、防蠟的主要方法。

2.2 摻稀采油工藝

影響原油黏度的因素有輕質(zhì)組分、直鏈烴類、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量；其中，前兩者含量降低，后兩者含量增加，原油黏度增加。稀油輕質(zhì)組分和直鏈烴類與稠油具有較好的互溶性，摻入稀油可以減少稠油中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加稠油在稀油中的溶解量，降低瀝青粒子相互纏結(jié)程度，從而降低稠油的黏度［25-26］。隨著稠油黏度的降低，便可達(dá)到人工舉升的條件?？招某橛蜅U的摻稀采油工藝就是利用該原理，將稀油運(yùn)至轉(zhuǎn)油池，用離心泵泵入稀油罐，再經(jīng)過過濾器，通過摻稀泵泵入井筒內(nèi)，稀油在摻稀點(diǎn)附近流入井筒，在井筒內(nèi)與稠油充分混合，形成混合油，混合油的黏度可以達(dá)到有桿泵采油系統(tǒng)的順利舉升條件。目前，這種工藝廣泛應(yīng)用于我國東部的遼河油田、西部的吐哈油田?？招某橛蜅U摻稀采油工藝原理如圖6所示。

圖6 空心抽油桿摻稀采油工藝原理示意

2.3 電加熱采油工藝

空心抽油桿電加熱采油工藝同樣是利用稠油對溫度的敏感，利用空心抽油桿集膚效應(yīng)［27］，產(chǎn)生熱量并傳遞至井筒內(nèi)的稠油，實(shí)現(xiàn)黏度的降低，達(dá)到正常舉升?？招某橛蜅U電加熱采油工藝原理如圖7所示。將工業(yè)用電380 V、50 Hz交流電流經(jīng)過配電柜的變壓器變成單相高壓交流電（500 V、800 V、1 200 V），頻率在400～500 Hz，當(dāng)高壓交變電流經(jīng)過導(dǎo)線傳輸至電纜和空心抽油桿的接觸處并流經(jīng)空心抽油桿時(shí)，空心抽油桿周圍變化的磁場在空心抽油桿中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使得沿空心抽油桿截面的電流分布不均勻，尤其當(dāng)頻率較高時(shí)，電流幾乎集中在管內(nèi)壁極薄層內(nèi)流過［28］，從而大幅度增加電流阻抗，使空心抽油桿桿體的溫度升高?？招某橛蜅U溫度升高形成熱源，為井筒內(nèi)的原油加熱，并可以通過調(diào)節(jié)頻率和功率控制加熱溫度。一般情況下，稠油都有一個(gè)拐點(diǎn)溫度，超過這個(gè)溫度，稠油黏度會明顯下降，反之稠油黏度會明顯上升。所以在現(xiàn)場應(yīng)用的過程中，要確保井口溫度在拐點(diǎn)溫度以上，用以滿足原油的正常舉升。

圖7 空心抽油桿電加熱采油工藝原理示意

2.4 分層注水工藝

注水，是通過注水井向油層注水補(bǔ)充能量，保持油層壓力，是在依靠天然能量進(jìn)行采油之后或油田開發(fā)早期為了提高采收率和采油速度而被廣泛采用的一項(xiàng)重要開發(fā)措施［23］。利用空心抽油桿的獨(dú)立通道，可對敏感地層實(shí)施精細(xì)注水。采用封隔器和橋式通道配合空心抽油桿工作，在完井過程中，將封隔器和滑套與油管柱結(jié)合，當(dāng)油管下至指定位置后再下入空心抽油桿柱，保證空心抽油桿與橋式通道結(jié)合。在油管柱中注水，在一定的工作壓力下井底的滑套、井段中的封隔器會完全打開，對井筒進(jìn)行卡封?？招某橛蜅U分層注水工藝原理如圖8所示。當(dāng)卡封完成之后，就可以形成油套環(huán)空注一層、油管注一層、空心抽油桿注一層的注水工藝。這種工藝的最大優(yōu)勢是：井下無水嘴，無鋼絲繩投撈作業(yè)，不僅節(jié)省投撈配水測試費(fèi)用，而且避免投撈事故；可以實(shí)現(xiàn)地面直接驗(yàn)封，水量直接讀取，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

2.5 排液采氣工藝

空心抽油桿排液采氣的主要原理是利用高速氣流攜帶液滴，被高速氣流攜帶的液滴在氣流的作用下，其前后存在一個(gè)壓力差，在壓力差的作用下液滴會變成一個(gè)橢球體，扁平橢球體液滴具有較大的有效面積，更加容易被攜帶到井口中。在臨界流狀態(tài)下，液滴相對于井筒不動。液滴的重力等于浮力加阻力，有：

圖8 空心抽油桿分層注水工藝原理示意

式中ρ1——液體密度，kg/m3；

ρg——?dú)怏w密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Vd——橢球體積，m3；

Cd——阻力系數(shù)，取1；

Ad——橢球的垂直投影面積，m2；

vg——臨界流速，m/s；

V——天然氣的體積，m3；

σ——?dú)庖罕砻鎻埩?，N/m。

由公式（1）~（2）可以得到臨界流速公式（3）：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量qc為：

式中At——空心抽油桿橫截面積，m2；

P——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓強(qiáng)，Pa；

Z——天然氣的偏差系數(shù)；

T——絕對溫度，K。

因此，根據(jù)公式（1）~（3）可計(jì)算出常用4種規(guī)格空心抽油桿在10 MPa以內(nèi)的臨界攜液流量，具體見表1。相關(guān)資料顯示，應(yīng)用空心抽油桿配合氣舉閥，在N2氣舉誘噴后可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)［29］。應(yīng)用空心抽油桿進(jìn)行排水采氣，為天然氣藏的高效開發(fā)提供了一種方式。

表1 4種規(guī)格空心抽油桿的臨界攜液流量m3/d

3 討論

從目前國內(nèi)對空心抽油桿的制造可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用摩擦焊接和鍛造成型均可以實(shí)現(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)資料針對這兩種技術(shù)制造的空心抽油桿在材料性能上的比較，特別是針對疲勞性能的比較。根據(jù)SY/T 5550—2012中對性能的要求，這兩種制造工藝均可滿足。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，就結(jié)構(gòu)而言，直接連接式加工工序較少，加工成本較低，結(jié)構(gòu)優(yōu)越性明顯，將成為空心抽油桿結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。文獻(xiàn)［30］建議：對摩擦焊接式桿頭、接箍部位的內(nèi)表面作統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求，對摩擦焊接式的強(qiáng)度一致性及焊縫疲勞性能作統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求。在實(shí)際應(yīng)用過程中，以中國石油吐哈油田魯克沁采油廠為例，在應(yīng)用摩擦焊接式空心抽油桿時(shí)，85%的質(zhì)量問題發(fā)生在焊縫處；該采油廠在開采深井和超深井時(shí)已經(jīng)全部更換成鐓鍛式空心抽油桿，桿柱的斷脫率已大幅度下降。

在空心抽油桿的應(yīng)用方面，電加熱采油工藝、熱洗清蠟工藝、摻稀采油工藝、排液采氣工藝已經(jīng)成為部分油田的主要開采方法。例如：中國石油青海油田英東采油廠大規(guī)模應(yīng)用電加熱采油工藝；中國石油吐哈油田魯克沁采油廠大規(guī)模應(yīng)用摻稀采油工藝；中國石化新疆勘探中心春光采油廠大規(guī)模應(yīng)用熱洗清蠟工藝；中國石化中原油田應(yīng)用排液采氣工藝，實(shí)現(xiàn)了水淹氣藏的開發(fā)。實(shí)踐證明，基于空心抽油桿密閉通道在采油和采氣工藝上的應(yīng)用，可對特殊油氣藏實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)。

4 結(jié)語

（1）空心抽油桿的制造有兩種方法：①鐓鍛式，在熱鍛成型制造過程中，鐓鍛式空心抽油桿以直接連接式為主要發(fā)展方向；②摩擦焊接式，制造工藝以摩擦焊接+形變熱處理工藝為發(fā)展方向，結(jié)構(gòu)形式也是以直接連接式為主要發(fā)展方向。

（2）利用空心抽油桿進(jìn)行油井清蠟、稠油開采、天然氣井排液采氣已經(jīng)成為油氣井的主要開發(fā)方法之一，這些工藝的拓展應(yīng)用可以讓油氣田的開發(fā)更加高效，讓難動用儲量、部分特殊油氣藏有了可靠的開采方法。

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Domestic Manufac ture and App lication of Hollow Sucker Rod

ZHANG Pengju1，ZHANG Desong1，YIN Zhijie1，SUN Qi2，ZHAO Quan2
（1.Machinery Plant，PetroChina Tuha Oilfield Company，Shanshan 838202，China；（2.Jiudong Oil Production Plant，PetroChina Yumen Oilfield Company，Jiuquan 735000，China）

Described in the article are themain structure of and themanufacturing process for the home-made hollow sucker rod.And analyzed are the fivemajor applied processes of the said rod，i.e.，hot-washing of paraffin，dilute oil production，electric heating oil production，separate layer injection，and drainage gas recovery.The analysis result leads to such a conclusion that the direct connection type will become the development trend of the hollow sucker rod structure type；and for domestically manufacturing the sucker rod，the forge-formation process and the friction welding+thermomechanical treatment will be employed as themain method，and that the serial applied processes of the hollow sucker rod will be the effective selection by domestic exploitation of heavy oil field，high wax oil field and gas field.

hollow sucker rod；manufacture；app lication；structure；direct connection type；upsetting type；friction welding type

TG335.7；TE933+.2

A

1001-2311（2016）06-0040-06

2016-05-17；修定日期：2016-08-01）

張朋舉（1983-），男，碩士，工程師，從事空心抽油桿的制造與應(yīng)用方面的研究工作。