碳纤维连续抽油杆助力油田采油生产

时间:2020-12-15 17:11 来源:杂志 作者:朱益飞 中石化胜利


近几年来,随着油价的持续低迷对油田开发生产经营带来严重的困境,新常态与低油价给油田开发生产带来了更大挑战。在新形势下,如何突破目前石油市场的油价持续低迷重围,实现油田油井开发生产提质增效成为一项重要的研究课题。面对这一新问题,胜利油田积极开展了许多有益的实践与探索,积极开展新工艺、新技术、新技术和新产品的开发应用试验,大力降低开发成本和油气生产能耗,降低油气开发成本,特别是对于易腐蚀井,金属钢质抽油杆因油井内液体含硫酸性腐蚀、偏磨等问题难以解决,造成抽油杆因腐蚀断杆问题时有发生,既影响了油井正常生产,又增加了油井作业维修费用。金属抽油杆的存在历史已经有一百多年了,能存在这么久,确实说明金属抽油杆的价值,但在油田经济高效开发以及低油价等背景下,金属抽油杆的局限性也越来显著。比如,自身比重大,难以下得更深;易腐蚀、能耗高等等。统计显示,如果杆柱重量降低一半,仅电耗就能降低20~30%。所以按照油田开发现状的需求及节能降耗的要求,研究应用高强度、质轻、耐腐、抗磨的新材料替代金属抽油杆就成为必须要解决的现实问题。因此,推广应用新型碳纤维连续抽油杆技术,有助于提升油田开发质量和采油生产工艺,起到良好的提质增效和节能降耗效果。

碳纤维连续抽油杆检测技术

自碳纤维连续抽油杆六年前问世以来。确定一套碳纤维复合材料抽油杆量身定制检测评价指标和方法体系已成为一项重要的研究课题。有别于各向同性的金属产品,由碳纤维、玻璃纤维和缠绕层复合制成的碳纤维抽油杆具有各向异性,即每个方向的抗拉、抗压、抗弯性能都不同,除了要评价抽油杆常规的抗拉强度、弯曲强度和弹性模量等核心指标,还要表征层间剪切强度。 蠕变强度也是评价指标之一。钢制抽油杆长度只有八九米,易于存储,而碳纤维抽油杆长达5000米,在卷盘里存储,时间长了会发生蠕变退化现象。胜利油田通过开展研究攻关提出采用水浸超声无损检测方法不仅能准确识别产品内在的毛刺、气孔、裂纹等缺陷,而且实现连续在线检测,填补了国际空白。  抗拉强度是衡量抽油杆性能的核心指标。但传统的抗拉强度检测装备并不适用于碳纤维抽油杆,装备夹具力大了,容易夹碎;力小了,抽油杆易滑脱。试验,失败,改进,再试验……经过一年的攻关,胜利油田科技人员成功研制出适合碳纤维抽油杆抗拉强度检测的专用夹具,室内试验成功率达98%。目前,胜利油田已构建起碳纤维抽油杆拉伸、弯曲、耐温等检测评价指标和方法,建立了碳纤维抽油杆理化性能检测技术,形成了碳纤维连续抽油杆复合材料产品质量标准,为碳纤维连续抽油杆复合材料工业化应用奠定了基础。

碳纤维连续抽油杆的改进

第一代碳纤维连续抽油杆产品杆体全身是碳纤维,碳纤维抽油杆下井,碳芯层脱落现象频繁。碳芯层和缠绕层是借助碳芯层自有树脂浸润界面胶结在一起,层间界面强度低,存在产品质量上的缺陷。科研人员经过对杆体失效原因分析后,通过改进制造工艺,增加缠绕层浸胶工序,层间强度由45兆帕提高到65兆帕,碳杆现场断脱故障率由18.7%降至1.6%。同时,针对井下高温、高压、腐蚀环境,通过开展仿真模拟试验,研究碳纤维连续抽油杆力学性能演化规律,确定了油井工况应用界限。这一研究实现了不同应力条件下管柱疲劳寿命的预测,为杆柱设计提供了依据。通过对碳纤维抽油杆的弯曲度性能分析,确定了最佳卷盘直径,产品即使卷绕存储5年,性能依然符合安全使用标准。碳纤维抽油杆以卷绕的方式存储在卷盘上,保证产品不受损伤且易存储、运输。科研人员通过对碳纤维连续抽油杆生产工艺、储存方式等生产、储存、检测工艺技术的改进,产品质量和性能得到有效提升。目前碳纤维连续抽油杆产品已发展到四层结构的第四代产品,为新型复合材料替代传统金属抽油杆提供了产品性能质量保障。
碳纤维连续抽油杆的优点

作为传统钢制抽油杆的替代品,碳纤维复合材料抽油杆性能卓越,解决了传统抽油杆易腐蚀、寿命短、能耗高、需要套杆连接、起下时间长等问题,深抽增油、节能降耗、防腐延寿效果显著,被业内专家视为采油系统革命性、颠覆性的技术创新产品。碳纤维抽油杆重量只有钢制抽油杆的1/4,节能效果显著。胜利油田东辛采油厂电泵井平均日耗电1529千瓦时,采用碳纤维抽油杆,在日产油不变的情况下,日耗电仅215千瓦时。同时提升了油井系统运行效率。油井系统效率由项目实施前23.56%提升到项目实施后的30.75%,油井平均系统效率提升 7.19%,达到了油井“能效倍增”的技术改造目标,完全符合油田生产绿色、节能、低碳、高效、共享的发展理念要求。现场试验应用结果表明,应用碳纤维抽油杆,油井的泵挂深度可增加500~800米,产液量、产油量可实现翻番,目前已在国内五大油田600余口井应用。

应用碳纤维抽油杆,可有效提升油井生产时率。该工艺技术具有油井免维修、延长密封组件的使用寿命、降低停机维修率、节省大量的维护费用的特点,不仅可减少了油井维修成本,而且提高了油井生产时率,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,普通钢杆撑不到两个月就被腐蚀得无法工作,因而被迫关停,使用碳纤维连续抽油杆后,由于某种原因该抽油杆具有极佳的抗腐蚀性能,能经得住油井中硫的腐蚀,使用时间比金属杆更长,从而使油井起死回生,至今已连续稳定运行600余天。

碳纤维连续抽油杆性能安全可靠,自投入现场应用以来,该抽油杆运行正常,极少发生运行机制故障,现场应用和维护简单。用它下井开采石油,可以直接根据每口井的实际深度进行截取,非常方便省事,无须像使用普通的不连续抽油杆那样,一根一根地拼接。它非常适合于应用含水率高、腐蚀重、深层低渗透油藏举升难度大的油井开采。目前,国内油田油井机采设备以金属材料为主,随着油田进入开发中后期,注、采、输各环节都要添加各类化学剂,采出液的成分越来越复杂,加之二氧化碳等酸性气体加剧腐蚀,导致油井有效生产周期短、作业频次高、材料损耗大,而碳纤维抽油杆天生对化学腐蚀免疫,平均可延长检泵周期1.5倍,实现油井延年益寿。碳纤维连续抽油杆具有良好的应用前景

腐蚀是金属材料的先天弊病,为了减缓采出液对机采设备的腐蚀,油田想了很多方法,但治标不治本,无法从材料本身根治腐蚀问题。目前,碳纤维已被国家列为战略性材料。通过采用碳纤维连续抽油杆在油田生产中的应用,有效地解决了传统钢制抽油杆自身比重大难以下得更深、易腐蚀、能耗高、维修费用高、检泵周期短,以及老油田含水率高、腐蚀重、深层低渗透油藏举升难度大等问题。优化了油井生产工艺状态,使油井处于高效、安全平稳的生产状态,油井生产工艺更趋合理,具有良好的经济效益和社会效益。实践证明,碳纤维连续抽油杆与金属抽油杆相比,具有无比的优越性,它在油井深抽提液、节能防腐方面应用具有良好的经济性和高效性能,特别是对含硫量高、腐蚀性强的油井,具有极佳的抗腐蚀性能,能经得住油井中硫的腐蚀,使用时间比金属杆更长,满足油井长期连续稳定运行工作的需要,是一种替代传统金属抽油杆的理想节能新产品。碳纤维连续抽油杆在油井生产中的应用,能有效地解决传统钢制抽油杆自身比重大难以下得更深、易腐蚀、能耗高、维修费用高、检泵周期短,以及老油田含水率高、腐蚀重、深层低渗透油藏举升难度大等问题,具有高强度、高模量特性、防腐能力强、节能效果好、使用操作方便、有效延长油井检泵周期等优点,具有良好的推广应用价值。
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