王海文,潛 凌,秦曉峰,李守欽,白文雄

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;2.國家采油裝備工程技術(shù)研究中心,山東 東營 257091;3.中石化勝利油田分公司 東辛采油廠,山東 東營 257094;4.長慶油田分公司 機(jī)械制造總廠,西安 710201)

抽油桿連接地面抽油機(jī)與井下抽油泵,承擔(dān)著向井下傳輸能量的重任。隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期,油井高含水,抽油桿的腐蝕問題顯現(xiàn)出來,抽油桿在上下沖程過程中,承受著復(fù)雜的交變載荷,腐蝕部位易成為疲勞開裂源,增加了抽油桿疲勞破壞的幾率。

為了解決抽油桿腐蝕問題,近年來應(yīng)用了包覆抽油桿[1]、全噴焊抽油桿[2]以及電鍍抽油桿[3],采用耐腐蝕金屬或非金屬材料,對抽油桿外表進(jìn)行保護(hù),現(xiàn)場應(yīng)用取得良好效果,成為目前主要的抽油桿耐腐蝕技術(shù)和產(chǎn)品。對抽油桿采用耐腐蝕材料進(jìn)行表面保護(hù),尚存在著一些技術(shù)問題,例如,半包覆、包覆抽油桿采用的是超高分子量聚乙烯材料,存在老化、不耐溫的缺點(diǎn),包覆層一旦損壞,不能繼續(xù)使用。電鍍和全噴焊抽油桿,成本較高,如果存在漏點(diǎn),成為腐蝕的薄弱點(diǎn)。表面保護(hù)抽油桿的這些技術(shù)問題,使得業(yè)界仍在繼續(xù)研究更好的防腐技術(shù),尤其是合金本身耐腐蝕抽油桿的研究[4-5]更受到關(guān)注。為了研制耐腐蝕抽油桿,設(shè)計(jì)了含鉻量12%的超低碳合金00Cr12,對00Cr12合金制作的抽油桿性能進(jìn)行了測試,其力學(xué)性能、耐疲勞性能達(dá)到了超高強(qiáng)度H級(jí)抽油桿要求,室內(nèi)模擬工況測試的耐腐蝕速率是30CrMoA合金的1/38,現(xiàn)場小規(guī)模應(yīng)用取得良好耐腐蝕效果,可為超高強(qiáng)度耐腐蝕抽油桿的相關(guān)研究和現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂

1.1 抽油桿斷裂特征

抽油桿在井內(nèi)工作時(shí)承受復(fù)雜的交變載荷,大量抽油桿斷裂實(shí)物的斷面呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂形貌,其特點(diǎn)是斷裂面有開裂源、延展區(qū)和瞬斷區(qū)三種特征區(qū)域。

1) 開裂源是抽油桿靠近表面一個(gè)小的區(qū)域,有多種可能因素會(huì)造成開裂源:①制作抽油桿的圓鋼合金原材料缺陷因素;②加工、運(yùn)輸、作業(yè)過程造成的表面損傷因素;③在井中使用過程中因井液腐蝕產(chǎn)生的腐蝕缺陷因素。這些因素造成的薄弱點(diǎn),疊加上抽油桿承受的交變載荷,超過開裂應(yīng)力極限,成為開裂源。

2) 延展區(qū)平整、平滑,與抽油桿軸向垂直,如果抽油桿的力學(xué)性能好,延展區(qū)裂紋發(fā)育所用時(shí)間長,占斷裂面的比例較大。

3) 瞬斷區(qū)是抽油桿不能承受最大載荷時(shí)瞬間拉扯斷的,斷裂面形態(tài)具有隨機(jī)性,瞬斷區(qū)的面積乘以材料的抗拉強(qiáng)度與這根抽油桿的最大載荷相對應(yīng)。

1.2 腐蝕疲勞斷裂機(jī)理

在多個(gè)造成開裂源的因素中,腐蝕是投入使用后產(chǎn)生的。在井使用過程中抽油桿表面如果產(chǎn)生腐蝕,破壞了抽油桿表面的連續(xù)性,彈性力學(xué)的強(qiáng)度理論已不適于含裂紋材料,需要使用含裂紋的斷裂判據(jù)[6],應(yīng)力強(qiáng)度因子KI是線彈性斷裂力學(xué)的物理參量,表示式為:

(1)

式中:Y為形狀系數(shù),σ為名義應(yīng)力,a為裂紋尺寸。

不論材料的幾何形狀和載荷,只要其應(yīng)力強(qiáng)度因子相同,則應(yīng)力在裂紋附近的分布是相同的,其強(qiáng)度由應(yīng)力強(qiáng)度因子控制。

對于某種型號(hào)抽油桿,存在造成開裂源的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC,由式(1)可知,腐蝕坑越深,則裂紋尺寸a越大,其應(yīng)力強(qiáng)度因子越大,越容易達(dá)到臨界強(qiáng)度因子,誘發(fā)裂紋進(jìn)入延展區(qū)擴(kuò)展階段。

不同型號(hào)合金的組織結(jié)構(gòu)、電化學(xué)行為差異很大,由于合金中不同元素微觀分布具有不均勻性,可能促進(jìn)選擇性腐蝕,形成不同的腐蝕形貌,不同合金材料的應(yīng)力腐蝕開裂差異巨大。對于高強(qiáng)度鋼來說,強(qiáng)度越高,其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性越高,KIS就越低,應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度就越快。這就是30CrMoA合金制作的超高強(qiáng)度H級(jí)抽油桿反而不如強(qiáng)度較低的D級(jí)抽油桿對腐蝕性油井適應(yīng)性好的機(jī)理。

抽油桿腐蝕前后進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)表明[7],腐蝕前的疲勞極限為285 MPa,而進(jìn)行了30 d鹽霧試驗(yàn)腐蝕的抽油桿,疲勞極限減小為212 MPa,說明腐蝕對抽油桿的耐疲勞性能影響很大。

2 制作抽油桿00Cr12合金

設(shè)計(jì)了含鉻量12%的超低碳合金00Cr12[8],化學(xué)成分如表1。

00Cr12合金的突出特點(diǎn)是含碳量很低,小于0.01%,基本屬于超低碳鋼,在設(shè)計(jì)合金時(shí)加入Mo和V,使得少量碳優(yōu)先與合金中的Mo、V等強(qiáng)碳化物形成元素結(jié)合成金屬間化合物,產(chǎn)生細(xì)晶、彌散強(qiáng)化。雖然鉻Cr是碳化物形成元素,以Cr23C6的組織形態(tài)存在鋼中,由于Mo、V等強(qiáng)碳化元素的存在,有效抑制了合金中鉻的碳化物形成。

00Cr12合金中含鉻量為12%,比Cr13型馬氏體不銹鋼稍微低些,00Cr12的設(shè)計(jì)目標(biāo)是制造抽油桿的,高強(qiáng)度與耐疲勞性能是必須要保證的,通過對含鉻量8%～12.8%的合金耐腐蝕性對比,隨著含鉻量升高,其耐腐蝕性提高,綜合評判,含鉻量12%時(shí),其機(jī)械性能達(dá)到抽油桿要求的同時(shí),又具有較優(yōu)的耐井液腐蝕性,因此把含鉻量12%的超低碳合金00Cr12作為優(yōu)選品種。

鐵的熔點(diǎn)為1 538 ℃,鉻的熔點(diǎn)比鐵高為1 863 ℃,由于鉻的原子半徑(Rcr=118 pm)與鐵的原子半徑(RFe=117 pm)相近,電負(fù)性差異不大,在合金中與鐵形成無限置換固溶體,晶格畸變不是很大。合金含12%鉻,能在鋼的表面形成一層致密的、較為完整的鉻化物鈍化膜,雖然在有氧環(huán)境下仍可產(chǎn)生銹蝕,但油井中是無氧環(huán)境,00Cr12合金在無氧的油井環(huán)境下具有較好的耐腐蝕能力,且還有高的強(qiáng)韌性、抗蠕變性能、抗疲勞性能。如果增加鉻含量至12.8%以上,雖然能繼續(xù)提升耐腐蝕性能,但其抗疲勞性能大幅下降,不符合制作抽油桿對合金耐疲勞性能要求。

3 性能測試與分析

3.1 力學(xué)性能

抽油桿是大宗石油裝備產(chǎn)品,相應(yīng)的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、采購標(biāo)準(zhǔn)比較齊全[9][10],目前國內(nèi)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5029—2013《抽油桿》,其力學(xué)性能按照該標(biāo)準(zhǔn)的表A.5,對于HL級(jí),其抗拉強(qiáng)度為965～1 195 MPa,下屈服強(qiáng)度大于793 MPa,伸長率大于10%,斷面收縮率大于45%。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1測試抽油桿的這些力學(xué)性能參數(shù)[11]。由于抽油桿表面、內(nèi)部的性能都影響其產(chǎn)品性能,在進(jìn)行抽油桿力學(xué)性能測試時(shí),一般不制作啞鈴試樣,而是直接從產(chǎn)品中隨機(jī)抽取抽油桿,截取0.4 m的試樣,卡持在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。

材料試驗(yàn)機(jī)型號(hào):WAW-1000C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),最大試驗(yàn)力 1 000 kN,試驗(yàn)力示值相對誤差 ≤示值的±1%。

分別取00Cr12和30CrMoA合金制作的HL級(jí)抽油桿試樣進(jìn)行測試,測試結(jié)果如表2。

表2中的數(shù)據(jù)是兩種合金材質(zhì)抽油桿的典型測試個(gè)例,但大量試樣測試表明,兩種合金抽油桿測試數(shù)據(jù)與表2數(shù)據(jù)基本相符。

由表2的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)可以看出,00Cr12、30CrMoA合金制作的HL級(jí)抽油桿的力學(xué)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求,而00Cr12抽油桿的抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率都大一些。

00Cr12與30CrMoA試樣斷裂瞬間對應(yīng)的拉力為210.3 kN和242.0 kN,試樣斷裂時(shí)的拉力值越小,說明材料越不容易拉斷,塑性越好,對應(yīng)的伸長率和斷面收縮率越大,在拉伸過程試樣出現(xiàn)縮頸后,直至斷裂前試樣經(jīng)歷了更長的拉伸過程。這一特性與耐疲勞性能具有一致性,這在00Cr12與30CrMoA試樣疲勞試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。抽油桿在油井內(nèi)承受的是交變載荷,其伸長率和收縮率大一些性能更好。

圖1是表2中00Cr12合金制作的HL級(jí)抽油桿拉伸測試的應(yīng)力-位移曲線,采用位移加載(3.30 mm/min)。由圖1可以看出,試樣在930.4 MPa開始屈服,材料出現(xiàn)強(qiáng)化,直至1 093.437 MPa達(dá)到強(qiáng)度極限,對應(yīng)的拉力為426.2 kN,之后試樣出現(xiàn)肉眼可見縮頸現(xiàn)象,應(yīng)力-位移曲線下降,直至在縮頸處斷裂,斷裂時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)度值539.562 MPa,是由拉力210.3 kN除以試樣原始截面積得到的。

圖1 抽油桿拉伸測試的應(yīng)力-位移曲線

3.2 耐疲勞性能

采用SDS300kN型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SYT5029—2013《抽油桿》的附錄L,應(yīng)力比0.1,正弦波,H級(jí)測試參數(shù),22 mm抽油桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的負(fù)荷參數(shù)如表3。試驗(yàn)頻率為7 Hz。

表3 試樣疲勞試驗(yàn)參數(shù)表

SYT5029—2013《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)給出了I型和II型疲勞試驗(yàn)試樣,I型試樣為短桿,長度約500 mm,要求制作工藝和抽油桿相同,兩端是桿頭螺紋,測試時(shí)螺紋接特制接頭。

II型試樣是在正常生產(chǎn)的抽油桿上截取的桿頭,用接箍連接起來,這兩種型號(hào)的試樣在實(shí)際疲勞試驗(yàn)中都有一定局限性,I型試樣需要專門制作,II型試樣的兩個(gè)桿頭只能各取約400 mm,限制了對桿體疲勞性能的測試,且兩端夾持部位為桿體,試驗(yàn)過程容易夾斷。

比較實(shí)用的試樣制作方法是從正常生產(chǎn)的抽油桿上截取約800 mm,桿螺紋旋接專用接頭,上扣周向位移為15.1～16.3 mm,按這個(gè)周向位移旋接接頭,在疲勞試驗(yàn)過程中,螺紋、卸荷槽部位一般不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

試樣另一端的桿體直接用疲勞試驗(yàn)機(jī)的V型夾塊進(jìn)行夾持,由于受到夾持力和疲勞試驗(yàn)機(jī)施加的交變載荷聯(lián)合作用,夾持部位受力最大也很復(fù)雜,容易斷裂,采用圓弧夾頭可以減少斷裂次數(shù)[12]。只要斷裂部位距離夾塊在1.5倍桿體直徑范圍內(nèi),這個(gè)斷裂并不反映抽油桿的耐疲勞性能,可以去掉斷頭,重新夾持桿體,繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

對17個(gè)00Cr12合金抽油桿產(chǎn)品抽檢試樣進(jìn)行了H級(jí)疲勞試驗(yàn),全部超過100萬次,達(dá)到了抽油桿標(biāo)準(zhǔn)對疲勞試驗(yàn)規(guī)定的次數(shù)。

3.3 耐腐蝕性能

3.3.1 測試試樣處理

1) 切割、打磨、測尺寸。從成品抽油桿上線切割出扁平試樣,對試樣在金相拋光機(jī)上用200目、500目、800目、1 200目和2 000目的砂紙打磨,最后用拋光絨布拋光,電子游標(biāo)卡尺測量試樣的長寬高。

2) 除油。濾紙擦拭,清洗劑自來水沖洗,并用酒精清洗,吹風(fēng)機(jī)吹干。

3) 稱重。采用萬分之一天平稱量試樣的質(zhì)量。

4) 腐蝕后處理。對試樣表面銹蝕物清理、稀酸快速清洗、蒸餾水清洗、烘干、稱重。

3.3.2 測試方法及條件

1) 把試樣懸掛在高壓釜內(nèi),注入人工配制的腐蝕溶液,腐蝕溶液占高壓釜容積80%,腐蝕溶液組份如表4,表4的組份是模擬勝利油田東辛102污水站水質(zhì)設(shè)計(jì)的[13]。

表4 人工配制腐蝕溶液藥劑組份 mg/L

2) 油井內(nèi)是無氧環(huán)境,因此模擬工況腐蝕測試在高溫高壓無氧條件下進(jìn)行,向高壓釜充高純N2對高壓釜進(jìn)行除氧操作,然后把氣體釋放掉,重復(fù)這個(gè)過程,使高壓釜內(nèi)O2的分壓逐步減小。

3) 對高壓釜充高純CO2至4 MPa,再對高壓釜充高純N2至總壓20 MPa。

4) 升溫至100℃,保溫保壓靜態(tài)腐蝕,腐蝕時(shí)間為14 d(336 h),保持壓力為20 MPa。

3.3.3 測試結(jié)果及分析

腐蝕速率公式[14]為

(2)

式中:X為腐蝕速率,mm/a;Δm為樣品質(zhì)量損失,g;A為試樣表面積,cm2;ρ為試樣密度,g/cm3;t為試驗(yàn)時(shí)間,h。

腐蝕速率如表5,由表5數(shù)據(jù)可見,00Cr12的腐蝕速率僅為30CrMoA的1/38。本次測試結(jié)果與之前進(jìn)行的測試結(jié)果規(guī)律一致[15]。

表5 兩種材質(zhì)腐蝕數(shù)據(jù)

對腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察,可以看到,00Cr12試樣僅出現(xiàn)表面顏色由銀亮到灰暗的變化,而30CrMoA試樣表面為黑色,表面黑色層可以用刀片刮下來,腐蝕產(chǎn)物為[16],進(jìn)而分解為氧化亞鐵(FeO)和二氧化碳,黑色主要由氧化亞鐵的顏色呈現(xiàn)。

4 礦場應(yīng)用

00Cr12合金抽油桿在勝利油田進(jìn)行了礦場試驗(yàn),目前已進(jìn)行了數(shù)百口井的應(yīng)用。這里例舉二口油井應(yīng)用情況,說明00Cr12合金抽油桿的應(yīng)用效果。

1) C20井。30CrMoA合金制作的HL級(jí)抽油桿斷裂,在井使用233 d,抽油桿表面有嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)工藝方案,保持泵徑、下泵深度不變,保持油管參數(shù)不變,使用00Cr12合金抽油桿取代30CrMoA合金抽油桿,以改進(jìn)抽油桿防腐能力。工藝方案為:下入D50泵1 400 m,D62塑料內(nèi)襯管,25 mm的00Cr12合金抽油桿桿58根,22 mm的00Cr12合金抽油桿桿106根。2019-11按新工藝方案作業(yè)投產(chǎn),至今仍正常生產(chǎn)。

2) X26井。H級(jí)抽油桿腐蝕嚴(yán)重?cái)?在井使用292 d。2022-04更換為00Cr12抽油桿,生產(chǎn)至2023-03,因檢泵作業(yè),取出在井使用315 d的00Cr12抽油桿觀察,表面無腐蝕,擦拭推承臺(tái)肩外圓,仍光亮如新,此處車削加工痕跡清晰,抽油桿再次下入使用。

5 結(jié)論

1) 00Cr12合金抽油桿的力學(xué)性能和耐疲勞性能達(dá)到了HL級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,且伸長率、端面收縮率比30CrMoA合金更優(yōu)。

2) 無氧環(huán)境的模擬工況測試00Cr12合金的腐蝕速率為0.012 mm/a,為30CrMoA合金的1/38。

3) 礦場應(yīng)用表明,00Cr12合金抽油桿耐腐蝕性能良好。實(shí)例井一前期應(yīng)用30CrMoA的抽油桿,在井使用233 d發(fā)生腐蝕疲勞斷裂,改用00Cr12合金抽油桿已在井使用3.5 a。實(shí)例井二的00Cr12合金抽油桿經(jīng)315 d在井使用后,檢泵作業(yè)時(shí)觀察表面無腐蝕,再次入井使用。