碳纤维复合材料连续抽油杆在深层砂砾岩油藏的应用

汪福华

【摘 要】抽油杆防腐蚀是油藏开发后期的重要工作，对于诸如深层砂砾岩油藏等高腐蚀等油藏条件，抽油杆的防腐蚀效果就更加重要。

1.抽油杆防腐

1.1抽油杆腐蚀机理

抽油杆采油是常见的采油生产方式，在我国各大油田的生产井中占约80%。在有杆泵采油生产系统中，抽油杆的腐蚀以及与油管之间的偏磨，造成抽油杆及油管的损坏，影响油井的正常生产。因此，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。

腐蚀疲劳失效是抽油杆的主要失效形式，抽油杆腐蚀疲劳是抽油杆在抽拉交变应力以及腐蚀介质的共同作用下产生的[1]。腐蚀疲劳的断裂源一般在抽油杆的表面上形成，在拉应力的作用下，会使得抽油杆覆盖的保护层破裂；同时由于受到腐蚀环境影响，破裂的局部发生电化学腐蚀形成腐蚀坑。因此可知抽油杆腐蚀是抽油杆发生疲劳断裂的发生源头。抽油杆安装环境中的氧、硫化氢、二氧化碳等腐蚀剂的存在，会加剧抽油杆的腐蚀。

常有的抽油杆腐蚀有以下几种形式：

（1）溶解二氧化碳腐蚀：

二氧化碳主要是局部腐蚀，在含有二氧化碳的环境中，钢铁表面与地层物质反应生成的腐蚀产物膜FeCO3，CaCO3等的不均一性以及破损，造成局部的二氧化碳腐蚀，甚至导致严重穿孔。溶于水的二氧化碳对钢铁的腐蚀比盐酸还要严重。

（2）氧腐蚀：

氧腐蚀是由于阴极上氧去极化反应的进行，促使作为阳极的金属不断被腐蚀。溶解氧对金属的腐蚀，主要是靠氧通过溶液向金属表面的传递来实现的，腐蚀产物是氧的氧化物FeO，Fe2O3，Fe3O4，及其氧化物的水化物FeO（OH）等。

（3）硫化氢腐蚀：

油气中含有的硫化氢和抽油杆的铁能够反应生成硫化铁，硫化铁在抽油杆表面积垢后作为阴极，抽油杆作为阳极，形成微电池，使抽油杆表面出现蚀斑。硫化氢与抽油杆钢发生作用，释放出氢原子，渗入钢的结晶边界，形成氢分子或与碳化合产生气泡，使抽油杆出现氢脆。

（4）硫酸盐还原菌腐蚀等。

硫酸盐还原菌是一种厌氧微生物，能够在还原水中的硫酸盐时产生硫化氢，造成抽油杆的硫化氢腐蚀，还原菌的腐蚀产物是黑色的硫化铁，其中有大量的硫酸盐还原菌。

1.2抽油杆防腐技术

目前国内外主要的抽油杆防腐技术有以下几种[2]：

（1）应用具有抗腐蚀能力的抽油杆：

抽油杆腐蚀严重的井可应用防腐杆，防腐杆是特殊抽油杆，具有良好的防腐效果，适用于各种不同腐蚀介质的油井。此方法已经成为主要的抽油杆防腐手段之一。

（2）牺牲阳极防腐装置：

根据电化学腐蚀原理，在抽油井腐蚀井段安装适当量的牺牲阳极金属以充当电化学腐蚀中的阳极来接受腐蚀，以保护管杆。具体防腐装置有牺牲阳极防腐油管短节和牺牲阳极防腐抽油杆接箍式扶正器，其内安装了锌铝合金块。

（3）井口加缓蚀剂技术：

通过在井口加入缓蚀剂从而在管、杆表面形成致密的吸附膜或沉淀膜，一方面可以把金属本体与腐蚀介质隔离开来以防治腐蚀，另一方面可以起到润滑的作用以减少磨损。

（4）应用固体缓蚀器（剂）：

固体缓蚀器是一根内装固相缓蚀剂的油管短节，将之安装于泵下筛管上，当液流经过固体缓蚀器时，固相缓蚀剂缓慢、均匀地溶解于其中，并起到与液相缓蚀剂相同的防腐作用，具有施工简便、省时省力、作用持久的优点。

2.碳纤维复合材料连续抽油杆的应用

2.1碳纤维复合材料连续抽油杆

碳纤维复合材料抽油杆是一种新型抽油杆，目前已广泛应用在石油开采方面，碳纤维连续柔性抽油杆克服了传统的钢制抽油杆诸如易腐蚀、自重大、易出现疲劳断裂、接头断脱、活塞效应等缺点，为日趋复杂的油藏开发提供了技术支持，有效地提高了油田的抽油杆防腐水平。

碳纤维抽油杆最早应用于美国，Delmonte等人对碳纤维抽油杆进行了一系列的疲劳性能试验研究，与其他材料抽油杆对比发现：玻璃纤维抽油杆剩余强度为20%；钢制抽油杆为40%；而碳纤维复合材料为90%。

碳纤维抽油杆按照基体树脂不同可以分为（1）酚醛树脂基/碳纤维复合材料抽油杆；（2）乙烯基酯/碳纤维复合材料抽油杆；（3）环氧树脂基/碳纤维复合材料抽油杆。

2.2碳纤维复合材料连续抽油杆[3]在深层砂砾岩油藏的应用

砂砾岩油藏是近年来常见的储藏类型，此类沉积体被生油凹陷和凸起所环绕，勘探潜力巨大。砂砾岩体储层的非均质性较强，内幕复杂，油气成藏的影响因素众多，对砂砾岩体的成藏规律影响较大。且对于深层砂砾岩油藏来说，通常地层流体的腐蚀性较强，其有杆泵生产开发中对抽油杆的腐蚀较严重。

本文分析常规各种抽油杆的防腐性能，同时介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，可应用于深层砂砾岩油藏的有杆泵开发。

此种碳纤维抽油杆由耐腐蚀金属制成的两个金属端接头和碳纤维复合材料制成的杆体通过特殊的连续方式连接而成，结构图见下图1。

某油田开发一砂砾岩油藏，其埋深较深，储层流体腐蚀性较强，采用碳纤维有杆泵开采方案，先后有四口井采用了碳纤维抽油杆，与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%。

3.结论

抽油杆采油是常见的采油生产方式，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。

目前国内外主要的抽油杆防腐技术有应用具有抗腐蚀能力的抽油杆、牺牲阳极防腐装置、井口加缓蚀剂技术、硫酸盐还原菌腐蚀等。

本文介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，并分析其实际应用情况，其与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%，带来明显的经济效益，建议在油田推广使用。

【参考文献】

[1]吴则中，田丰，张海宴等.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景.石油机械，2002，30（2）：53，56.

[2]朱波，蔡华苏，孙乃武.碳纤维复合材料柔性连续抽油杆开发及应用.石油机械，2003，31（1）：29-31.

[3]杨小平，顾雪林，李鹏等.乙烯基酯树脂基碳纤维连续抽油杆的研制.石油机械，2003，31（4）：35，38.