付堯 張學(xué)斌 任立新 李季（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

統(tǒng)計(jì)近年來(lái)抽油機(jī)井檢泵情況，偏磨斷脫檢泵率雖呈逐年下降趨勢(shì)，但偏磨斷脫所占比例卻呈逐年上升趨勢(shì)，由2013 年的57.0%上升到2017 年的64.9%，成為抽油機(jī)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(kāi)展碳纖維柔性桿技術(shù)的研究與應(yīng)用，以解決金屬驅(qū)動(dòng)桿使用壽命短，易造成桿管偏磨和斷脫的問(wèn)題，達(dá)到降本增效目的。

1 工藝技術(shù)

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(jī)纖維在保持纖維形狀的條件下，經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)化而成。碳纖維柔性桿以耐高溫樹(shù)脂作為樹(shù)脂基體，以碳纖維作為增強(qiáng)材料，采用擠壓、固化工藝一次成型，桿體截面呈圓形，力學(xué)性能優(yōu)于桿體呈帶狀結(jié)構(gòu)[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(shù)優(yōu)勢(shì)，質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、摩擦系數(shù)低等，能夠較好的適用于抽油機(jī)井舉升工藝技術(shù)。

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(hù)層組成。桿心采用碳纖維復(fù)合材料，保護(hù)層采用玻璃纖維復(fù)合材料。

根據(jù)復(fù)合材料的特性，碳纖維連續(xù)桿的抗拉強(qiáng)度、拉伸模量和耐疲勞性能，主要取決于增強(qiáng)材料的力學(xué)性能及其在產(chǎn)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(shù)脂。因此選擇碳纖維和樹(shù)脂的種類(lèi)對(duì)碳纖維連續(xù)桿性能影響至關(guān)重要。

一是碳纖維的選擇[2]?？紤]碳纖維的高比強(qiáng)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(guó)的阿卡薩牌碳纖維。

二是基體樹(shù)脂的選擇?？紤]樹(shù)脂的耐溫、耐介質(zhì)腐蝕、柔韌性及加工工藝的實(shí)現(xiàn)等綜合性能，選用了美國(guó)的阿卡薩牌樹(shù)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(jiàn)圖1。將增強(qiáng)材料連續(xù)浸漬黏結(jié)樹(shù)脂膠液，然后拉過(guò)加熱的模具進(jìn)行成型和固化。在環(huán)氧樹(shù)脂膠液中添加一定比例的固化劑、促進(jìn)劑、阻燃劑和脫模劑。拉擠成型的主要工藝參數(shù)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(shù)

2.1 專(zhuān)用金屬接頭的研制

滑動(dòng)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(jiǎn)、內(nèi)套筒和碳纖維抽油桿組成，滑動(dòng)式金屬端接頭示意圖見(jiàn)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(jiàn)圖3。

圖2 滑動(dòng)式金屬端接頭示意圖

圖3 粘接式金屬端接頭示意圖

室內(nèi)高溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：使用WDW-300 試驗(yàn)機(jī)，恒溫120 ℃條件下，將金屬接頭與碳纖維柔性桿連接后進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，最大拉力達(dá)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(qiáng)度試驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。相同條件下，進(jìn)行同樣尺寸鋼制抽油桿試驗(yàn)，最大拉力為194 kN，室內(nèi)試驗(yàn)證明，碳纖維柔性桿和專(zhuān)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(shù)

滾筒式作業(yè)車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)：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(dòng)機(jī)功率20 kW。滾筒式作業(yè)車(chē)示意圖見(jiàn)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(qiáng)度試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖5 滾筒式作業(yè)車(chē)示意圖

井口導(dǎo)向器固定在井口四通的法蘭上（圖6），可以繞井口的垂直線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使碳纖維抽油桿垂直對(duì)準(zhǔn)井眼；作業(yè)車(chē)有排桿器，便于在滾筒外多層纏繞碳纖維抽油桿，并配備側(cè)重器和計(jì)長(zhǎng)器，用來(lái)測(cè)量抽油桿柱的重量和長(zhǎng)度；作業(yè)車(chē)操作簡(jiǎn)單、方便靈活、安全可靠[4]。

圖6 井口導(dǎo)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(chǎng)后將滾筒式作業(yè)車(chē)擺正位置；在井口四通法蘭上固定好井口導(dǎo)向裝置；將碳纖維抽油桿桿體連同下金屬端接頭穿過(guò)井口導(dǎo)向裝置；通過(guò)螺紋將加重桿與下金屬端接頭連接牢固；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)使?jié)L筒勻速旋轉(zhuǎn)，使碳纖維抽油桿桿體以不大于20 m/min 的速度下入，預(yù)計(jì)柱塞底部快接觸固定凡爾罩時(shí)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(shí)停住，使用專(zhuān)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(cè)量出防沖距加光桿長(zhǎng)度，再減去懸繩器至井口四通法蘭的距離長(zhǎng)度，并作記號(hào)，在記號(hào)處截?cái)嗵祭w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(dǎo)向裝置；使用滾筒式作業(yè)設(shè)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(zhuān)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(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，以不大于20 m/min 的速度將碳纖維抽油桿起出并盤(pán)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(pán)繞在滾筒上，拆卸并收起井口導(dǎo)向裝置。

2.3 桿柱優(yōu)化匹配技術(shù)研究

抽油機(jī)井在抽汲過(guò)程中，作用在懸點(diǎn)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(guò)游動(dòng)閥的摩擦力、慣性載荷六部分組成，同時(shí)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(jì)算不同驅(qū)替方式下，即不同采出液濃度的各種載荷和浮力，便可計(jì)算出與之匹配加重桿的長(zhǎng)度參數(shù)。

以200 mg/L 為步長(zhǎng)對(duì)采出液濃度進(jìn)行分級(jí)，測(cè)試和查閱對(duì)應(yīng)黏度值，進(jìn)而計(jì)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(guò)游動(dòng)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(yīng)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 實(shí)踐應(yīng)用

試驗(yàn)應(yīng)用碳纖維連續(xù)桿7 口井，平均產(chǎn)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(yùn)行1 335 天，柔性桿最長(zhǎng)運(yùn)行1 631 天。

例如：7-P261 試驗(yàn)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(yán)重。為客觀評(píng)價(jià)碳纖維柔性抽油桿試驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)使用加重桿250 m，與之匹配設(shè)計(jì)使用內(nèi)噴涂油管，加重桿部分不布置扶正器，而使用雙向保護(hù)接箍。該井于2014年5月16日成功投產(chǎn)，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(yàn)井初期效果對(duì)比見(jiàn)表2。

2016 年4 月27 日桿斷檢泵，檢泵周期713 天，較試驗(yàn)前延長(zhǎng)500 天。起出柔性桿671 m，檢出發(fā)現(xiàn)柔性桿與加重桿連接處桿體接箍磨斷，柔性桿無(wú)磨損，第27 根抽油桿桿體偏磨，有14 根普通油管偏磨，4 根內(nèi)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(kāi)井，恢復(fù)正常生產(chǎn)，柔性桿至今運(yùn)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(yàn)井初期效果對(duì)比

表3 11-P222 試驗(yàn)井初期效果對(duì)比

為進(jìn)一步提升防偏磨效果，在第8 口試驗(yàn)井—11-P222 上將加重桿設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使用φ50 mm 加重桿80 m，全井取消扶正器，2016 年5 月19 日投產(chǎn)，目前運(yùn)行1 088 天，產(chǎn)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(yàn)井初期效果對(duì)比見(jiàn)表3。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用表明，碳纖維連續(xù)桿以其質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、柔性好、阻力小、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，較好地適應(yīng)抽油機(jī)井舉升工藝技術(shù)，可有效減緩桿管偏磨問(wèn)題，促進(jìn)該工藝技術(shù)更好地發(fā)展。

3.2 效益評(píng)價(jià)

以7-P261 井為例，綜合考慮一次性投資、檢泵、維護(hù)和能耗費(fèi)用，對(duì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。

1）一次性投資高2.9 萬(wàn)元。由于地面舉升設(shè)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(wàn)元/口。7-P261 井設(shè)計(jì)使用碳纖維連續(xù)桿671 m、鋼制桿250 m，共投入6.3 萬(wàn)元，而試驗(yàn)前全部設(shè)計(jì)使用鋼制桿投入3.4 萬(wàn)元。

2）檢泵費(fèi)用節(jié)省3.11 萬(wàn)元。7-P261 井試驗(yàn)前檢泵費(fèi)用9.54 萬(wàn)元，試驗(yàn)后檢泵費(fèi)用6.43 萬(wàn)元。

3）維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)。暫定二者均為φ70 mm 泵抽油機(jī)井平均維護(hù)費(fèi)用1.80 萬(wàn)元/a。

4）能耗費(fèi)用節(jié)省6.31 萬(wàn)元。φ70 mm 抽油泵與φ 25 mm 鋼制桿匹配抽油機(jī)井消耗功率11.67 kW，則能耗費(fèi)用6.46 萬(wàn)元/a；φ70 mm 抽油泵與φ 25 mm 連續(xù)桿匹配抽油機(jī)井消耗功率8.45 kW（測(cè)試），則能耗費(fèi)用4.72 萬(wàn)元/a，年節(jié)省能耗費(fèi)用1.74 萬(wàn)元。

截至目前，7-P261 井試驗(yàn)前后節(jié)省費(fèi)用7.80 萬(wàn)元，7-P261 井柔性桿與鋼制桿費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表4。隨著試驗(yàn)規(guī)模的擴(kuò)大，機(jī)型和桿、管均可降級(jí)使用，故一次性投入差距會(huì)越來(lái)越小，甚至于低于鋼制桿。

表4 7-P261 井柔性桿與鋼制桿費(fèi)用對(duì)比

4 結(jié)論

1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，碳纖維連續(xù)桿能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，適用于抽油機(jī)井舉升工藝。

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

3）開(kāi)展碳纖維連續(xù)桿配套技術(shù)研究，有利于其高效長(zhǎng)命運(yùn)行。