一种特超高强度抽油杆的开发

文／金军涛，王万荣·宁夏长庆石油机械制造有限责任公司

关文韬，张泓·长庆油田第九采油厂工艺所

抽油杆(图1)是人工举升采油系统不可缺少的部件，为一细长杆件，上接光杆，下接抽油泵，起传递动力的作用。单根杆常规长度为8 米或9.14 米，材质一般是低碳合金钢，在锻造成形后，经过调质处理，在油管内用内螺纹接箍一根根连接起来，形成抽油杆柱，起到井绳和传递动力的作用，将地面抽油机驴头的上下往复运动传递到井下抽油泵，从而实现机械采油。

图1 抽油杆

我们公司是一家集石油机械研发设计、加工制造和销售服务于一体的企业，主要经营抽油杆及附件的生产加工，目前在抽油杆产品的防腐、抗磨、扶正刮蜡等研究课题上取得了显著成效，相继开发了超强度型、耐腐蚀型、抗磨型、扶正刮蜡型等适合不同井况的专用抽油杆、抽油光杆及配套的接箍产品，满足了市场不同层次的需求。

随着石油勘探和钻采技术的进步，更多大斜度井、水平井、超深井不断涌现，对有杆采油系统中的抽油杆承载能力提出了更高的要求，目前所用的普通抽油杆(D级，抗拉强度793～965MPa)与超高强度(HL级、HY 级，抗拉强度965 ～1195MPa)，已不能满足需求。

据采油厂工艺所统计数据显示，现水平井、定向井、超深井等复杂工况的油井中使用的H 级超高强度抽油杆，有一半以上的下井使用寿命达不到预期设计，频繁出现断杆问题，甚至有少部分在下井后不到一个月就出现非正常断脱问题，已致使原油产量降低，修井费用增加，采油成本提高。

开发特级超高强度抽油杆

针对市场需求，我们公司联合油田的工艺所成立了专项攻关小组，立项开发特级超高强度抽油杆。项目组由我公司技术研发中心的工程师和油田工艺所的工程师共同组成，油田工艺所的工程师负责性能指标的制定和抽油杆在试用期间的验证，我司负责抽油杆制造工艺改进。油田工艺所的工程师结合油田生产需要，提出了特级超高强度抽油杆的开发目标：首先，要适用于水平井、定向井、超深、超重载荷的油井；其次，强度要比常规超高强度抽油杆要高出一个强度等级，开发目标设定在1195 ～1450MPa；第三，具有高强度的同时，还要有一定的韧性；第四，整体抽油杆柱的载荷和抗疲劳寿命要有所提高，具体目标是下井使用寿命要比常规超高强度抽油杆增加一半以上。

工艺方案及验证

目标明确后，就需要针对目标，结合公司实际制定最优工艺方案。抽油杆的生产制造工艺路线：锻造-调质热处理-抛丸-机加工-表面淬火处理-组包装-浸漆防护。该工艺路线中，对最终性能影响最大的主要是调质热处理和表面淬火两个环节。结合公司多年来在抽油杆产品上的生产经验，对客户要求的性能指标进行工艺分析，见表1。

表1 不同类型抽油杆性能指标

SHY 级是拟开发的特级超高强度抽油杆，数据显示，特级超高强度抽油杆的指标已远远超过超高强度抽油杆，其抗拉强度已经高出一个强度等级。该工艺的难点是在设备定制、原材料选用、热处理工艺确定后，实现抽油杆的综合力学性能提高。我们针对设备、原材料和热处理工艺选定做了如下工作。

⑴热处理炉改进。针对热处理后同根抽油杆不同位置力学性能不稳定、偏差大、少部分抽油杆组织中存有“上贝氏体”危险组织的技术难题，淬火炉与回火炉炉内温度测量点设计成“矩阵式”的创新布置方式，实现热处理炉内温度测量与补偿的精度要求；采用智能化电子无纸化温控记录装置与数字化全自动温控系统，充分保证炉内的真实温度与工艺参数要求温度一致，以此保障同一根细长杆体不同位置力学性能、金相组织的一致性与稳定性。

⑵定制表面感应淬火设备，这个环节看似简单，但决定着杆体表面的耐磨性能。因抽油杆属于钢制实心超长工件，规格尺寸不统一，同根杆体上的异形面与变截面较多，尺寸变化跨度大。首先，我们联合专用设备厂家设计了一种适用于不同杆体直径的抽油杆表面超音频淬火设备，避免尺寸变化跨度大的异形面与变截面在热处理时在不同截面过渡处产生不同大小的热应力，在超音频电源设计加装多档连续加热输出功率与多档自动感应速度控制模块，同时配置加装温控检测和报警装置，从而解决了同根杆体上不同变截面在高频时产生的应力，同时保障了同根杆体任意位置处的淬硬层深度、表面硬度与心部硬度的均匀性。其次，通过调整淬火圈的内径与匝数、加热功率大小、杆体前进速度、杆体旋转速度、冷却方式、冷却介质、冷却温度、冷却浓度等工艺参数，使杆体的抗拉强度达到1195 ～1450MPa，表面硬度≥42HRC，心部硬度≥20HRC，淬硬层深度达到杆体直径的5%～13%，杆体表面形成一层均匀的马氏体组织使其杆体表面具有良好的耐磨性，同时回火索氏体的心部组织保障了抽油杆良好的韧性，使其疲劳寿命得到了充分的保障。

⑶对SHY 级抽油杆用圆钢材料进行筛选。初步选出可能适用的材料，包括25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA、30CrMoA、35CrMoA、40CrMnMoA、12Mn2CrSiA、15Mn2SiCrTiBA、16Mn2SiCrMoVTiA 等多种材料，经过向八钢、石钢、济钢等多家国内知名钢厂询价后，选取了25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA、30CrMoA、35CrMoA、40CrMnMoA 等6 种价格适中，市场供应相对充足的材料做试验。

⑷试验圆钢材料确定后，我们分别对以上材料直径为φ16mm、φ19mm 和φ22mm 的圆钢进行了调质处理，调质淬火温度为860℃，回火温度为650℃，淬火介质分别用油和水，经过实验室分析，40CrMnMoA 由于塑性指标偏低不能选用。其他5 种圆钢在不同直径和不同淬火介质试验时抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率和冲击韧性都能够满足设定的试验要求。

⑸对剩余5 种圆钢经调质之后进行表面超音频感应淬火，测量强度和硬度。经实验室检测，25MnVA、20CrMoA、25CrMnVA 三种材料抗拉强度较低，表面硬度也偏低，不耐磨也不耐腐蚀，大批量规模化生产中不利于产品质量控制，30CrMoA 和35CrMoA 抗拉强度、表面硬度、心部硬度可以满足要求。

⑹对经过表面超音频感应淬火处理的30CrMoA、35CrMoA 试样进行金相分析，两种材料的金相组织为均匀的回火索实体，均能够满足要求。

⑺最终确定原料和工艺：30CrMoA、35CrMoA 均能满足设计要求，但35CrMoA 心部硬度较高，相比30CrMoA 可能会产生韧性不足的问题，结合生产设备和生产工艺，我们最终决定以30CrMoA 为SHY 级抽油杆原材料，工艺为调质、表面超音频感应淬火。试生产的SHY 级抽油杆见图2。

图2 SHY 级抽油杆

最终产品在交样前，以φ19mm 原材料为例分别做了力学性能试验和疲劳试验，具体数据见表2 和表3。

表2 力学性能

表3 疲劳试验数据

生产验证

在实验室数据验证合格后，我们将SHY 特级超高强度抽油杆分别投放到几家采油厂，进行生产实践的验证。各采油厂非常配合，验证后效果明显，纷纷给予好评。

采油十二厂店子作业区固H1-1 井和试采作业区宁H5-3 井原使用的是HY 级抽油杆，杆柱组合φ19mm-φ16mm-φ19mm，因其大泵径(泵径φ56mm)、高冲次、重载荷、井筒轨迹复杂等原因，平均每三四个月就造成抽油杆断脱事故，两个作业区于2020 年8 月分别试用SHY 级抽油杆以后再未发生抽油杆断脱事故，使用良好。

采油九厂五谷城作业区起三转井站也曾因水平井超重载荷的缘故，常规的HY 级超高强度抽油杆无法满足其强度要求，短期频繁发生断裂事故，最短的仅仅使用66 天就发生断裂。2020 年10 月份，塞平10-8井、塞平10-9井、塞平10-11井、塞平11-10井、塞平12-13 井陆续更换SHY 级抽油杆以后，效果明显好转，再未发生抽油杆断裂及其他质量问题。

采油六厂2021 年6 月份试用两口井，目前效果良好，未出现问题。

近期长庆油田页岩油项目组对此型号抽油杆也有采购试用意向，以解决其水平井、大泵径、高冲次、重载荷下抽油杆容易断脱的问题。

总结推广

特级超高强度抽油杆替代定向井、斜井、水平井中使用的常规抽油杆与超高强度抽油杆，解决了其在定向井、斜井、水平井中下井使用寿命不足、频繁断杆的关键技术难题。特级超高强度抽油杆的成功开发，为摩擦阻力大、载荷大、出液量大的水平井、大斜度井和大泵强采的油井提供了强有力的支撑，大幅降低了抽油杆断脱的概率，为油田降本增效、提质增效发挥了积极作用。

回顾整个开发过程，这个项目的工艺创新在于技术人员利用统计分析的手段，对工艺参数精益求精，最终确定了合适的热处理工艺，使得特级超高强度抽油杆在满足超高抗拉强度的同时，其韧性指标也满足了客户要求。在开发过程中，最大的工艺难点是设定出合适的热处理工艺方案，既提高产品的抗拉强度，又兼顾产品的韧性指标。在经历了多次工艺试验后，最终制定出合适的工艺方案，实现了开发目标。这种特级超高强度抽油杆生产制造工艺的成功开发，为客户和我司都带来了效益，实现了合作共赢。同时，对于有类似要求产品的开发，提供了借鉴意义，很值得推广。