半包覆抽油杆包覆层移位机理分析

2024-08-31 104 上传者：管理员

摘要：半包覆抽油杆与塑料内衬油管配套使用，是高含水油井防止杆管偏磨与腐蚀的有效技术，在现场应用过程中，个别井出现包覆层移位现象，包覆层被挤到抽油杆一端，另一端失去包覆层的部位易被井液腐蚀，这种情况在下入深度大于1800 m的井段、结蜡热洗的井和邻井热注汽窜的井中出现过，通过高温对包覆层结合强度影响的分析，认为PE线胀系数较高，井下温度升高使PE热胀，过盈减小导致结合强度下降，在外力作用下造成包覆层移位，提出了半包覆抽油杆使用中应避免处于80 ℃以上温度工作的建议，可避免出现包覆层移位现象。

关键词：
半包覆抽
塑料内衬
新型防腐
胜利油田
防偏磨抽油杆
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半包覆抽油杆是近十来年发展起来的一种新型防腐防偏磨抽油杆[1]，生产制造和应用技术日渐成熟[2]，目前在胜利油田每年新投入使用量约350万m，与塑料内衬油管配套使用，形成了一类杆管防腐防偏磨的配套技术，在使用过程中，个别抽油机井中出现包覆层移位现象，也就是包覆层从原始位置移动了，被挤到抽油杆杆一端，另一端失去包覆层的部位失去保护，给井液腐蚀抽油杆可乘之机，进而会造成这个部位腐蚀，达不到包覆型抽油杆防腐作用，本文分析包覆层移位现象产生的机理，为认识和解决问题提供参考。

1、半包覆抽油杆结构

包覆型抽油杆采用耐磨耐腐蚀材料，对抽油杆进行包覆保护，使抽油杆不直接接触井液，从而避免井液对抽油杆腐蚀。半包覆抽油杆的杆头和杆体分别用不同材料的保护层，杆头部位喷焊Ni基合金层，杆体部位包覆一层PE材料，因整个抽油杆不是全部用PE包覆，故称之为半包覆抽油杆，PE材料和Ni基合金材料都具有较好耐腐蚀和耐磨性能，对抽油杆表面形成了保护，井液不能接触到抽油杆金属，解决了抽油杆在井下工作过程中腐蚀问题。

PE材料一般采用超高分子量聚乙烯(UHMW-PE，Ultra-high Molecular Weight Polyethylene)，使用挤塑工艺，将抽油杆逐根连接起来穿过塑料挤出机机头，PE在一定的温度和压力下经过塑化、挤压，从机头挤出后对抽油杆形成包裹，随着抽油杆向前牵引，拉伸PE，PE在空冷和水冷过程中收缩、包覆在抽油杆上，形成的包覆层厚度大于2 mm。

喷焊Ni基合金为Ni-Cr-B-Si系自熔合金粉，采用喷焊工艺技术，首先采用高速高温气流把合金粉冲击粘附在抽油杆外表面，然后再用乙炔焰加热熔化，冷却后形成合金层，靠近凸缘一段杆体外表面的合金层大于0.2 mm，台肩部位厚度大于0.4 mm，凸缘和扳手方部位厚度大于0.3 mm，喷焊层硬度380～480 HV0.2，硬度由合金粉成分控制，一般选用FZNi-45牌号的自熔合金粉，主要成分约含80%的Ni，还有11%～15%的Cr，Ni和Cr都是耐腐蚀性能很好的金属元素，喷焊形成的Ni基合金层给抽油杆头很好的耐腐蚀保护，同时Ni基合金硬度较高，具有较好的耐磨性，在搬运、油井现场作业施工中，能够承受击打、磕碰等破坏，扳手方部位能够承受管钳钳口的夹持，凸缘部位能够承受抽油杆吊卡的挤压。

由于Ni基合金粉价格较高，杆头部位喷焊Ni基合金层，弥补了PE材料不耐夹持、挤压、磕碰的弱点，而如果抽油杆整体都喷焊Ni基合金，造价高昂，在杆体部位采用PE材料包覆，制成的PE半包覆抽油杆，是成本与性能综合优化的结果。

2、冷却对PE包覆层过盈的影响

PE包覆层挤出后一般采用水槽冷却的方式，PE材料从塑化状态降温至常温，成为固态，这个过程称之为冷却，冷却方式、冷却速度都会影响PE材料包覆抽油杆的过盈状况。从挤塑机机头挤出的PE材料，呈塑化状态，以环形对抽油杆形成包围，随着抽油杆向前牵引，PE材料被拉伸、缩径，直至包覆在抽油杆上，随后一起进入水冷槽，浸入水后PE被立刻降温至固态，PE材料快速冷却，会迅速收缩，在PE层内部形成一定的应力。如果减慢挤出PE层的冷却速度，就可使得PE层获得充分时间逐渐冷却，PE层的高分子材料在挤出的过程中被拉伸、缩径的应力可充分释放，PE材料解取向，这样获得的PE包覆层对抽油杆过盈力小，因此，在PE包覆层挤出过程中，应重视冷却速度，适当采用较低温度的冷却水，加长水槽长度，可以提高冷却速度和充分冷却，快的冷却速度可有效提高PE包覆层的过盈量，增加结晶取向，提高包覆层结合强度。在夏季生产中，循环使用的冷却水温较高，不利于形成较高过盈量，应采用降低冷却水温的措施，以提高PE包覆层结合强度。

3、PE包覆层与抽油杆的结合强度

3.1结合强度测试

PE包覆层与抽油杆的结合强度采用压出法测试，用车床截取一段PE半包覆抽油杆，长度20 mm，车刀切削时用冷却液冲刷防止试样发热，试样的PE包覆层与金属杆体等长度，用一个金属环支撑试样PE包覆层，一个压杆向下压试样金属部位，如果用材料试验机施加压力，能够方便地完整记录压出整个过程的受力，取压出的最大力，按式(1)计算结合强度。

式中，τ为结合强度，Pa；F为压出力的最大值，N；A为测试试样的PE包覆层与抽油杆的结合面积，m2；dc为抽油杆外径或PE包覆层内径，m；Δh为试样高度，m。

合格产品的PE包覆层结合强度要大于150000 Pa，按包覆段长度8 m计算，把整个包覆段移位需要的力为84026 N。

3.2 PE材料性能

PE原材料质量是包覆层质量的基础，若PE原材料的质量不达标，再先进的制作工艺都无法生产出合格包覆层。对制作出的包覆层进行性能检测，其中邵氏硬度大于65 HD，拉伸断裂伸长率大于250%，拉伸断裂屈服强度大于20 MPa，维卡软化温度大于130℃，都是必须进行检测和要求达到的。

3.3环境对PE包覆层过盈的影响

PE材料在30～80℃的线膨胀系数约为1.4×10-4K-1，抽油杆金属的线胀系数为1.2×10-5K-1，由此可见，PE材料的线胀系数远大于抽油杆的，在常温下生产的包覆抽油杆，随着环境温度升高，PE包覆层热胀量远超过抽油杆，其包覆层过盈量快速下降，导致结合强度降低。

PE包覆抽油杆在储存、运输和在井下使用过程中，如果环境温度升高到80℃以上时，PE包覆层软化，导致PE包覆层内部发生应力释放，对结合强度造成不可逆伤害。

储存和运输过程的高温环境，可能由夏日暴晒产生，因此要避免PE包覆抽油杆处于夏日暴晒环境。在井下使用过程中的环境高温，对于稠油热采区块，要密切关注汽窜风险，一旦在抽油井上出现汽窜，对PE半包覆抽油杆性能的影响是不可逆的，另外，对于结蜡井如果采用热洗方法解除结蜡，热水温度应进行控制，以免造成不可逆的性能影响。

通过改进包覆层性能和结构，例如采用耐温性能高的塑料、使用胶粘剂和设置阻挡移位的结构，是今后提高包覆抽油杆质量的技术途径。

4、抽油杆包覆层受力

4.1抽油杆与油管之间的摩擦力

抽油杆与油管之间的摩擦力是固-固摩擦力，与摩擦系数、正压力相关。油井高含水，杆管之间缺乏原油润滑，摩擦系数大，产生快速磨损，这就是杆管偏磨。在抽油机井使用塑料内衬油管，把原本杆管之间的金属-金属摩擦，变为金属-塑料之间的摩擦，使得磨损速度大大降低，是解决杆管偏磨的有效技术。塑料内衬油管与半包覆抽油杆配套使用，对于抽油杆接箍部位，是塑料-耐磨接箍之间摩擦，对于杆体部位，如果产生杆管接触，是塑料-塑料摩擦，大量室内试验表明，在水介质中，不同摩擦副的磨损速度和摩擦系数依次是：金属-金属大于塑料-塑料大于金属-塑料，因此塑料内衬油管与PE半包覆抽油杆配套使用情况下，如果出现包覆层与塑料内衬管的接触，是塑料-塑料摩擦。

4.2抽油杆与液体之间的摩擦力

抽油杆柱在油管内上下运动过程中，与油管内的液体间发生粘滞性摩擦阻力，按照抽油机井的工作原理，在上冲程时，抽油泵游动阀关闭，抽油杆带着泵柱塞推动液柱向上运动，因此液柱是与抽油杆同步向上运动的，抽油杆柱与液柱之间没有相对运动，没有摩擦力；在下冲程时，抽油杆与抽油泵柱塞一起向下运动，游动阀打开，油管内的液柱相对于油管静止不动而抽油杆向下运动，抽油杆与液柱之间的摩擦力方向向上，杆液之间的粘滞阻力的大小不仅与液体粘度有关，还与杆液之间的相对运动速度有关，摩擦力近似计算公式为[3]：

式中，Frl为下冲程抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，方向向上，N；L为抽油杆柱长度，m；μ为油管内液体粘度，mPa·s；m为油管内径与抽油杆直径比，m=dt/dr；dt为油管内径，m；dr为抽油杆直径，m；Vmax为抽油杆柱最大下行速度，m/s。

由公式(2)看出，决定Frl的主要因素是井内液体的粘度及抽油杆柱的运动速度。

按抽油机井简谐运动模型计算悬点最大运动速度：

式中：S为冲程，m；N为冲次，min-1。

把式(3)代入式(2)可得：

(3)导致PE包覆层移位的原油黏度

当抽油杆柱与液柱之间的摩擦力等于或大于PE包覆层压出力的最大值时，出现PE包覆层移位现象，联立式(1)和式(4)，两个公式中Δh=L，得：

式(5)中，各参数取典型值进行计算，杆径dc=0.0022 mm；包覆PE层的杆外径dr=0.026 m；塑料内衬油管内径dt=0.055 m；结合强度按标准要求的最低值τ=150000 Pa；冲程S=3.3 m；冲次N=4，计算可得μ=431 Pa·s。

由计算结果可知，原油粘度要达到431 Pa·s才能导致包覆层移位，这个粘度值非常大，原油已经失去流动性。

计算例中结合强度取值150000 Pa是室温下的值，按照上述分析，在油井中温度高于室温，PE材料的热胀系数较大，会导致包覆层过盈量减小，结合强度变小，包覆层在杆管之间摩擦力和杆液之间粘滞阻力的联合作用下产生移位。

5、包覆层移位井例

下入55根25 mm半包覆抽油杆，84根22 mm半包覆抽油杆，配套塑料内衬油管，原油粘度2706 mPa.s，邻井对开采层位注气，发生汽窜，井口监测到温度升高，抽油机井没有停井继续生产，后因该井调整为注气井，提出杆柱发现全部84根22 mm杆和下部2根25 mm杆包覆层移位。经检测，移位杆的包覆层与抽油杆之间结合强度趋近于零，包覆层几乎没有过盈，与下井前差异较大。经分析，该井发生过气窜，致使井温大于80℃，包覆层经历高温时发生膨胀和应力释放，即使后来井温下降，包覆层不能恢复之前的过盈和内应力，与抽油杆之间结合强度减小，在继续生产过程中，由于抽油杆与油管之间的摩擦力，以及井液与抽油杆的粘滞摩擦力，导致包覆层移位。

6、结论

1)分析了PE半包覆抽油杆结构、加工工艺，根据PE材料冷却快慢与内应力的关系，提出加快水冷却速度，能够增加PE包覆层过盈，提高结合力。

2)建立了PE半包覆抽油杆包覆层在上下冲程的受力分析模型，计算结果表明，结合力达到标准要求，杆管之间的摩擦力、杆液之间的粘滞摩阻力都不能使包覆层移位。

3)PE材料线胀系数较大，温度升高会导致包覆层过盈快速下降，结合强度降低，如果温度升高至80℃以上，会不可逆释放PE包覆层内部应力，使得结合力永久性降低。

4)使用PE包覆抽油杆的井，下入井段温度要低于80℃，如果邻井注蒸汽，要避免出现汽窜，对于热洗井，要对水温进行控制。

参考文献:

[1]王海文,张伟,谢文献,等.包覆型防腐抽油杆原理与应用[J].石化技术,2018,25(11):113-114.

[2]刘奕良.PE半包覆防腐抽油杆与HL级抽油杆性能对比[J].石化技术,2021,28(11):144-145.

[3]张琪.采油工程原理与设计[M].山东东营:石油大学出版社,2003.

关键词:半包覆抽油杆;杆管摩擦力;热洗;汽窜;结合强度;

文章来源:乜冠祯,王蓉,孟晓锋,等.半包覆抽油杆包覆层移位机理分析[J].石化技术,2024,31(08):144-146.