碳纖維連續(xù)抽油桿助力油田采油生產(chǎn)
時間:2020-12-15 17:13
來源:
作者:朱益飛 中石化勝利

近幾年來,隨著油價的持續(xù)低迷對油田開發(fā)生產(chǎn)經(jīng)營帶來嚴(yán)重的困境,新常態(tài)與低油價給油田開發(fā)生產(chǎn)帶來了更大挑戰(zhàn)。在新形勢下,如何突破目前石油市場的油價持續(xù)低迷重圍,實(shí)現(xiàn)油田油井開發(fā)生產(chǎn)提質(zhì)增效成為一項(xiàng)重要的研究課題。面對這一新問題,勝利油田積極開展了許多有益的實(shí)踐與探索,積極開展新工藝、新技術(shù)、新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用試驗(yàn),大力降低開發(fā)成本和油氣生產(chǎn)能耗,降低油氣開發(fā)成本,特別是對于易腐蝕井,金屬鋼質(zhì)抽油桿因油井內(nèi)液體含硫酸性腐蝕、偏磨等問題難以解決,造成抽油桿因腐蝕斷桿問題時有發(fā)生,既影響了油井正常生產(chǎn),又增加了油井作業(yè)維修費(fèi)用。金屬抽油桿的存在歷史已經(jīng)有一百多年了,能存在這么久,確實(shí)說明金屬抽油桿的價值,但在油田經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)以及低油價等背景下,金屬抽油桿的局限性也越來顯著。比如,自身比重大,難以下得更深;易腐蝕、能耗高等等。統(tǒng)計顯示,如果桿柱重量降低一半,僅電耗就能降低20~30%。所以按照油田開發(fā)現(xiàn)狀的需求及節(jié)能降耗的要求,研究應(yīng)用高強(qiáng)度、質(zhì)輕、耐腐、抗磨的新材料替代金屬抽油桿就成為必須要解決的現(xiàn)實(shí)問題。因此,推廣應(yīng)用新型碳纖維連續(xù)抽油桿技術(shù),有助于提升油田開發(fā)質(zhì)量和采油生產(chǎn)工藝,起到良好的提質(zhì)增效和節(jié)能降耗效果。
碳纖維連續(xù)抽油桿檢測技術(shù)
自碳纖維連續(xù)抽油桿六年前問世以來。確定一套碳纖維復(fù)合材料抽油桿量身定制檢測評價指標(biāo)和方法體系已成為一項(xiàng)重要的研究課題。有別于各向同性的金屬產(chǎn)品,由碳纖維、玻璃纖維和纏繞層復(fù)合制成的碳纖維抽油桿具有各向異性,即每個方向的抗拉、抗壓、抗彎性能都不同,除了要評價抽油桿常規(guī)的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量等核心指標(biāo),還要表征層間剪切強(qiáng)度。 蠕變強(qiáng)度也是評價指標(biāo)之一。鋼制抽油桿長度只有八九米,易于存儲,而碳纖維抽油桿長達(dá)5000米,在卷盤里存儲,時間長了會發(fā)生蠕變退化現(xiàn)象。勝利油田通過開展研究攻關(guān)提出采用水浸超聲無損檢測方法不僅能準(zhǔn)確識別產(chǎn)品內(nèi)在的毛刺、氣孔、裂紋等缺陷,而且實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測,填補(bǔ)了國際空白。 抗拉強(qiáng)度是衡量抽油桿性能的核心指標(biāo)。但傳統(tǒng)的抗拉強(qiáng)度檢測裝備并不適用于碳纖維抽油桿,裝備夾具力大了,容易夾碎;力小了,抽油桿易滑脫。試驗(yàn),失敗,改進(jìn),再試驗(yàn)……經(jīng)過一年的攻關(guān),勝利油田科技人員成功研制出適合碳纖維抽油桿抗拉強(qiáng)度檢測的專用夾具,室內(nèi)試驗(yàn)成功率達(dá)98%。目前,勝利油田已構(gòu)建起碳纖維抽油桿拉伸、彎曲、耐溫等檢測評價指標(biāo)和方法,建立了碳纖維抽油桿理化性能檢測技術(shù),形成了碳纖維連續(xù)抽油桿復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),為碳纖維連續(xù)抽油桿復(fù)合材料工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
碳纖維連續(xù)抽油桿的改進(jìn)
第一代碳纖維連續(xù)抽油桿產(chǎn)品桿體全身是碳纖維,碳纖維抽油桿下井,碳芯層脫落現(xiàn)象頻繁。碳芯層和纏繞層是借助碳芯層自有樹脂浸潤界面膠結(jié)在一起,層間界面強(qiáng)度低,存在產(chǎn)品質(zhì)量上的缺陷??蒲腥藛T經(jīng)過對桿體失效原因分析后,通過改進(jìn)制造工藝,增加纏繞層浸膠工序,層間強(qiáng)度由45兆帕提高到65兆帕,碳桿現(xiàn)場斷脫故障率由18.7%降至1.6%。同時,針對井下高溫、高壓、腐蝕環(huán)境,通過開展仿真模擬試驗(yàn),研究碳纖維連續(xù)抽油桿力學(xué)性能演化規(guī)律,確定了油井工況應(yīng)用界限。這一研究實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)力條件下管柱疲勞壽命的預(yù)測,為桿柱設(shè)計提供了依據(jù)。通過對碳纖維抽油桿的彎曲度性能分析,確定了最佳卷盤直徑,產(chǎn)品即使卷繞存儲5年,性能依然符合安全使用標(biāo)準(zhǔn)。碳纖維抽油桿以卷繞的方式存儲在卷盤上,保證產(chǎn)品不受損傷且易存儲、運(yùn)輸??蒲腥藛T通過對碳纖維連續(xù)抽油桿生產(chǎn)工藝、儲存方式等生產(chǎn)、儲存、檢測工藝技術(shù)的改進(jìn),產(chǎn)品質(zhì)量和性能得到有效提升。目前碳纖維連續(xù)抽油桿產(chǎn)品已發(fā)展到四層結(jié)構(gòu)的第四代產(chǎn)品,為新型復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬抽油桿提供了產(chǎn)品性能質(zhì)量保障。
碳纖維連續(xù)抽油桿的優(yōu)點(diǎn)
作為傳統(tǒng)鋼制抽油桿的替代品,碳纖維復(fù)合材料抽油桿性能卓越,解決了傳統(tǒng)抽油桿易腐蝕、壽命短、能耗高、需要套桿連接、起下時間長等問題,深抽增油、節(jié)能降耗、防腐延壽效果顯著,被業(yè)內(nèi)專家視為采油系統(tǒng)革命性、顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品。碳纖維抽油桿重量只有鋼制抽油桿的1/4,節(jié)能效果顯著。勝利油田東辛采油廠電泵井平均日耗電1529千瓦時,采用碳纖維抽油桿,在日產(chǎn)油不變的情況下,日耗電僅215千瓦時。同時提升了油井系統(tǒng)運(yùn)行效率。油井系統(tǒng)效率由項(xiàng)目實(shí)施前23.56%提升到項(xiàng)目實(shí)施后的30.75%,油井平均系統(tǒng)效率提升 7.19%,達(dá)到了油井“能效倍增”的技術(shù)改造目標(biāo),完全符合油田生產(chǎn)綠色、節(jié)能、低碳、高效、共享的發(fā)展理念要求?,F(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明,應(yīng)用碳纖維抽油桿,油井的泵掛深度可增加500~800米,產(chǎn)液量、產(chǎn)油量可實(shí)現(xiàn)翻番,目前已在國內(nèi)五大油田600余口井應(yīng)用。
應(yīng)用碳纖維抽油桿,可有效提升油井生產(chǎn)時率。該工藝技術(shù)具有油井免維修、延長密封組件的使用壽命、降低停機(jī)維修率、節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用的特點(diǎn),不僅可減少了油井維修成本,而且提高了油井生產(chǎn)時率,增加油井采油工作效率和效益。如油田某一口油井之前由于含硫量高,普通鋼桿撐不到兩個月就被腐蝕得無法工作,因而被迫關(guān)停,使用碳纖維連續(xù)抽油桿后,由于某種原因該抽油桿具有極佳的抗腐蝕性能,能經(jīng)得住油井中硫的腐蝕,使用時間比金屬桿更長,從而使油井起死回生,至今已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行600余天。
碳纖維連續(xù)抽油桿性能安全可靠,自投入現(xiàn)場應(yīng)用以來,該抽油桿運(yùn)行正常,極少發(fā)生運(yùn)行機(jī)制故障,現(xiàn)場應(yīng)用和維護(hù)簡單。用它下井開采石油,可以直接根據(jù)每口井的實(shí)際深度進(jìn)行截取,非常方便省事,無須像使用普通的不連續(xù)抽油桿那樣,一根一根地拼接。它非常適合于應(yīng)用含水率高、腐蝕重、深層低滲透油藏舉升難度大的油井開采。目前,國內(nèi)油田油井機(jī)采設(shè)備以金屬材料為主,隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期,注、采、輸各環(huán)節(jié)都要添加各類化學(xué)劑,采出液的成分越來越復(fù)雜,加之二氧化碳等酸性氣體加劇腐蝕,導(dǎo)致油井有效生產(chǎn)周期短、作業(yè)頻次高、材料損耗大,而碳纖維抽油桿天生對化學(xué)腐蝕免疫,平均可延長檢泵周期1.5倍,實(shí)現(xiàn)油井延年益壽。碳纖維連續(xù)抽油桿具有良好的應(yīng)用前景
腐蝕是金屬材料的先天弊病,為了減緩采出液對機(jī)采設(shè)備的腐蝕,油田想了很多方法,但治標(biāo)不治本,無法從材料本身根治腐蝕問題。目前,碳纖維已被國家列為戰(zhàn)略性材料。通過采用碳纖維連續(xù)抽油桿在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用,有效地解決了傳統(tǒng)鋼制抽油桿自身比重大難以下得更深、易腐蝕、能耗高、維修費(fèi)用高、檢泵周期短,以及老油田含水率高、腐蝕重、深層低滲透油藏舉升難度大等問題。優(yōu)化了油井生產(chǎn)工藝狀態(tài),使油井處于高效、安全平穩(wěn)的生產(chǎn)狀態(tài),油井生產(chǎn)工藝更趨合理,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。實(shí)踐證明,碳纖維連續(xù)抽油桿與金屬抽油桿相比,具有無比的優(yōu)越性,它在油井深抽提液、節(jié)能防腐方面應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)性和高效性能,特別是對含硫量高、腐蝕性強(qiáng)的油井,具有極佳的抗腐蝕性能,能經(jīng)得住油井中硫的腐蝕,使用時間比金屬桿更長,滿足油井長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行工作的需要,是一種替代傳統(tǒng)金屬抽油桿的理想節(jié)能新產(chǎn)品。碳纖維連續(xù)抽油桿在油井生產(chǎn)中的應(yīng)用,能有效地解決傳統(tǒng)鋼制抽油桿自身比重大難以下得更深、易腐蝕、能耗高、維修費(fèi)用高、檢泵周期短,以及老油田含水率高、腐蝕重、深層低滲透油藏舉升難度大等問題,具有高強(qiáng)度、高模量特性、防腐能力強(qiáng)、節(jié)能效果好、使用操作方便、有效延長油井檢泵周期等優(yōu)點(diǎn),具有良好的推廣應(yīng)用價值。