国内外柔性抽油杆的发展概述
国内外柔性抽油杆的发展概述
胡钦刚 张国辉 孙敦强
我国各油田的生产井大约有80%采用有杆抽油技术。抽油杆在抽油过程中，主要承受的载荷有：抽油杆自重，油管内、柱塞上的液柱重，油管外液柱对柱塞下端的压力，抽油杆和油村运动所产生的惯性载荷和振动载荷，柱塞和泵筒间、抽油杆与油管内壁间相互摩擦产生的摩擦载荷，由于各种因素引起的冲击载荷。抽油杆还直接与油井中的盐氯离子、H2S、酸、碱、水等多种腐蚀性介质及砂粒等磨砺性颗粒相接触，从而使抽油杆受到多种载荷作用以及强烈的腐蚀和磨损。由于抽油杆的工作条件十分恶劣，使它成为有杆抽油系统中最关键，也是最薄弱的环节，成为制约这种采油方式进一步发展和扩大应用的“瓶颈”。据统计，在我国由于抽油杆失效引导起的油井事故次数约占抽油井事故总数的60%-70%。
200多年来，国内外一直使用刚性抽油杆。由于刚性抽油本身的结构特点，使其存在以下难以克服的缺点：（1）单根刚性抽油杆长约8m，必然靠多个接头和接箍联接才能实现井下抽油，这些接箍在长期承受变变、冲击和振动的工作条件下往往会发生脱扣、断裂和抽油杆的弯曲疲劳折断，以致造成油井事故；（2）由于接箍的多级“活塞效应”，当抽油杆在油液中运动时，产生较大的摩擦力；（3）刚性抽油杆的起下作业中存在大量的联接或拆卸工作，造成作业时间长，操作工人劳动强度大；（4）接箍多，易产生积蜡现象，增大了抽油杆载荷。
刚性抽油杆自身结构与性能的弱点带来了一系列问题使有杆泵抽油杆应用于深井抽油时存在很大的障碍。目前，世界各国已经研究、开发和使用了半刚性抽油杆、复合材料带及钢丝绳抽油杆等柔性抽油杆代替刚性抽油杆。
1、半刚性抽油杆
1965年，加拿大艾尔伯达Corod制造有限公司的两名工程师提出了连续杆的概念，以摒弃传统抽油杆使用中存在的主要限制和失效根源，开始研究金属连续抽油杆，于1968年研制成功。这种连续油杆的截面为椭圆形，采用这种形状可使其缠绕在直径为5.5m的滚筒上不会发生屈服变形。到目前为止，半刚性抽油杆已在加拿大、美国、前苏联、委内瑞拉等国使用，效果很好。其中最长的抽油杆已达3050m，且已用于定向井。
金属连续抽油杆基本上克服了刚性抽油杆所存在的弱点，它的优点主要表现在：（1）比常规刚性抽油杆的重量减轻8%-18%；（2）起下作业方便省力；（3）该抽油杆由于截面是椭圆形状，与油管的接触面积比常规抽油杆小，接触应力小，摩擦应力也小，杆与油管之间的磨损也较小，使用寿命长。采用这种连续抽油杆存在的缺点：（1）缠绕金属连续抽油杆的卷筒直径较大，它倾余安装在拖车上时，运输受到限制；（2）使用它还需增加一套专用设备，即要配备装有专用起下装置的修井机、焊接车和贮存连续杆的拖车等。
2、复合材料带（简称复合带）
20世纪80年代初，美国带式抽油杆公司（现Axelson公司）的Hensley等人采用高级石墨、玻璃纤维、芳纶纤维和乙烯基酯树脂等材料研制出一种复合材料带。该带的弹性模量高，柔性好，抗挠性强。1992-1993年，美国Amoco公司用4台样机将复合带先后下入8口油井中试验，并于1994年开始批量生产复合带，以提高原油产量，降低成本。
复合带式抽油杆具有以下优点：（1）复合带比刚性抽油杆轻得多，截面较小，可充分发挥地面和地下装置的能力；（2）重量轻、柔性好，与油管的摩擦比较小；（3）弹性模量较高，抗疲劳性能良好，耐腐蚀；（4）可缠绕在较小直径的卷筒上，运输、安装方便。复合带的主要缺点是：（1）成本较高，约为常规7/8”K级抽油杆的4-5倍；（2）不耐高温，工作温度为76℃左右。
3、钢丝绳类抽油杆
3.1常规钢丝绳抽油杆
美国从1961年就开始试制钢丝绳抽油杆，其结构是1*37和6*19W等多种结构，外部涂覆了一层尼龙防腐层，1965年下至840m深的油井中进行了试验后，由于涂层破损致使钢丝绳腐蚀而中断了试验。20世纪70年代末80年代初，前苏联伊万诺夫斯基等人提出，采用密封钢丝绳20-г-B-H-160，在阿里迈吉耶夫油田8018号井试验，下井浓度为1018m，其中最长的使用寿命为9个月。我国的李绪炎和韩惠临分别在1992年和1989年对比也作了研究，并提出了一些可行的做法和结构形式，但没有获得工业应用。
常规钢丝绳抽油杆的优点在于：（1）物理性能好；（2）工作效率高；（3）钢丝绳涂覆聚合物包层后，可减少结蜡并可防腐；（4）起下作业可采用常规的通井机和井架；（5）缠绕滚筒的直径较小，运输较方便。主要不足之处在于：钢丝绳在不同负荷下没有稳定的弹性变形，尤其是在大负荷下的结构伸长大，引起了较大的冲程损失，影响采油量。
3.2油井抽油用钢丝绳
宁夏恒力钢丝绳股份有限公司自1995年起着手研制柔性抽油杆——油井抽油用钢丝绳。
油井抽油用钢丝绳工艺技术特点：（1）采用塑性压缩技术，使其模截面内金属填充率最高，达到弹性模量值最大，结构伸长率最小＜0.01%；（2）连续轧压，使钢丝绳达到不松散；（3）表面包覆耐腐蚀、耐高低温（-40-180℃）、耐磨损的特殊保护层；（4）采用金属套与油井抽油用钢丝绳端部楔卡的方式解决了刚性抽油杆与柔性抽油杆间的联接。
经石油大学（北京）研究及测试得出：油井抽油用钢丝绳的力学性能、疲劳寿命、耐腐蚀性能非常好，达到或超过了刚性抽油杆的水平。表1为油井抽油用钢丝绳与刚性绳与刚性抽油杆的力学性能对比，表2为国内外生产的柔性抽油杆的性能对比。
表1 刚性抽油杆与油井抽油用钢丝绳的力学性能对比
| 规格/mm | 刚性抽油杆 | 油井抽油用钢丝绳 | ||||||
| 抗拉强度/MPa（≥） | 参考质量/（kg·m-1） | 破断拉力/kN（≥） | 弹性强度/MPa（≥） | 抗拉强度/MPa（≥） | 参考质量/（kg·m-1） | 破断拉力/kN（≥） | 弹性模量/MPa（≥） | |
| 19 | 950 | 2.43 | 270.8 | 2.14*105 | 1470 | 2.17 | 329 | 1.6*105 |
| 22.2 | 950 | 3.31 | 367.7 | 2.14*105 | 1470 | 2.81 | 410 | 1.6*105 |
| 25.4 | 950 | 4.32 | 481.4 | 2.14*105 | 1470 | 3.65 | 510 | 1.6*105 |
表2 国内外主要柔性抽油杆的性能对比
| 类型 | 材料 | 硬度（HRC） | 破断拉力值kN | 参考质量/（kg·m-1） | 公称尺寸/mm | 表面防腐状况 |
| 金属连续杆（加拿大） | 35CrMo | 26 | 225 | 2.22 | 随圆长轴22.5椭圆短轴15.2当量直径19 | 无防腐 |
| 钢丝绳6*19W | 高碳钢 | 40-45 | 262 | 1.55 | φ19 | 包防腐层 |
| （美国）1*37 | 高碳钢 | 40-45 | ≥270 | 1.92 | φ19 | 包防腐层 |
| 密封钢丝绳（前苏联） | 高碳钢 | 40-45 | 340 | 2.34 | φ20 | 包防腐层 |
| 钢丝绳（中国） | 高碳钢 | 40-45 | ≥329 | 2.17 | φ19 | 包防腐层 |
| 复合材料带（美国） | 石墨纤维混合材料 | 56 | 0.11 | 宽35.6，厚18 | 防腐 |
另外，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司还设计制作了适宜油井作业的油井抽油用钢丝绳收放设备（作业车），全面解决了地面设备配套问题。该设备具有性能优良、操作方便、安全可靠等特点，适应各种环境的井口起、下作业。
专家们认为，油井抽油用钢丝绳的研制成功，是采油工艺的一项技术革命，具有广阔的应用前景。油井抽油用钢丝绳从1997年至今，已先后在大庆、华北、胜利、大港、中原、青海、辽河等油田推广应用，取得了较好的效果。经油田使用证明，油井抽油用钢丝绳具有以下优点：
（1）其两端的联接器在油井安装中，下端与配重杆联接，上端与光杆联接，无须对现有抽油系统作任何改动即可以使用：
（2）连续长度达到4000m，安装时可以连续起下作业，缩短安装时间，大幅度减轻劳动强度；
（3）表面包覆特殊材料，防腐耐磨；
（4）表面光滑，不易结蜡，延长了热洗周期，减少了修井作业次数；
（5）中间无接箍，消除了抽油杆运行中的“活塞”效应，抽液量平均提高30%以上；
（6）强度高，质量减劲10%以上；
（7）疲劳寿命高于刚性抽油杆。
4、结语
近几十年来，国内外柔性抽油取得了长足发展。从国内发展的现状看，尤其是油井抽油用钢丝绳技术，无论是在下泵深度还是在使用寿命上已超过了国外的水平，并且已得到了许多油田科技人员的认可和好评，它特有的优势是其它形式的柔性抽油杆所没有的，其力学性能、使用性能均优于刚性抽油杆，完全可以代替刚性抽油杆。可以预测，油井抽油用钢丝绳必将在我国获得广泛的应用。
作者简介
胡钦刚 1971年生，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司五分厂助理工程师。
张国辉 1971年生，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司技术研发部工程师。
孙敦强 1971年生，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司技术研发部助理工程师。
