長慶油田斜井防偏磨技術(shù)研究

奚運(yùn)濤 李曼平 侯正孝 孫雨來 付彩利 任福建

1.“中國石油”長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安710021

2.低滲透氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021

3.中國石油長慶油田公司第五采油廠，陜西 西安 710069

4.中國石油長慶油田公司第二采油技術(shù)服務(wù)處，甘肅 慶城 745100

5.中國石油管道公司中原輸油氣分公司，山東 德州 253020

0 前言

定向井技術(shù)是當(dāng)今世界石油勘探開發(fā)領(lǐng)域最先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，能使地下條件受到限制的油氣資源得到經(jīng)濟(jì)、有效的開發(fā)，大幅度提高油氣產(chǎn)量，降低鉆井成本［1］。近年來，長慶油田95%以上為定向井開發(fā)。當(dāng)井斜角＞30°時，由于水平位移較大，鉆井時軌跡難以精確控制，導(dǎo)致井眼軌跡復(fù)雜，管桿磨損嚴(yán)重［2～4］。目前長慶油田共有該類斜井6 800余口，占總采油井?dāng)?shù)的20%左右。雖然采取了一些常規(guī)防偏磨措施，如使用扶正器、扶正桿、防磨接箍或井口安裝多功能懸繩器等，但效果均不明顯，未能有效延長檢泵周期，使得這類斜井的偏磨防治工作成為亟待解決的難題。

針對以上問題，研發(fā)了一種自潤滑抗磨耐蝕內(nèi)涂層油管，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，評價了該涂層油管的各項(xiàng)性能及應(yīng)用效果，為解決大斜度井的偏磨問題提供了一種有效技術(shù)手段。

1 涂層及實(shí)驗(yàn)

1.1 涂料配方及加工工藝

自潤滑抗磨耐蝕內(nèi)涂層是通過靜電噴涂方法［5］將耐磨涂料噴涂于鋼制油管內(nèi)壁，涂料冷卻固化后形成，涂層厚度600～800μm。該涂料以環(huán)氧樹脂為主，加入石墨等固體微粉，提高涂層在高溫環(huán)境下的自潤滑和耐磨損性能。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用JSM6360LV型掃描電子顯微鏡（SEM），對涂料和涂層油管內(nèi)表面的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)NACE TM0171標(biāo)準(zhǔn)，采用美國Cortest高溫高壓釜對N80管材和涂層試樣進(jìn)行高溫高壓腐蝕試驗(yàn)評價［6］。試樣條件見表1，腐蝕介質(zhì)組成見表2。

表1 高溫高壓腐蝕試驗(yàn)條件

表2 高溫高壓腐蝕介質(zhì)組成

采用JDQP-2型球盤磨損試驗(yàn)機(jī)評價N80管材和涂層的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)條件為：摩擦副為20CrMo鋼球，載荷1 000 g，測量半徑5mm，轉(zhuǎn)速254 r/min，試驗(yàn)時間30min。

采用SLM-200型往復(fù)磨蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行管桿往復(fù)對磨試驗(yàn)，評價涂層的抗磨損性能。為對比分析涂層油管的耐磨損性能，選取4種油管進(jìn)行往復(fù)磨損試驗(yàn)，4種油管分別為N80管材、J55管材、氮化油管和涂層油管。摩擦副為抽油桿常用材料20CrMo。試驗(yàn)沖程：110 mm；試驗(yàn)沖次：100次／min；側(cè)向載荷：400 N；對磨4×105次；介質(zhì)為油田采出水（礦化度32 463mg/L）；試驗(yàn)溫度：85℃。

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微結(jié)構(gòu)分析

耐磨涂料的微觀形貌見圖1。涂料主要由細(xì)密粉末和不規(guī)則耐磨顆粒組成，無其它雜質(zhì)。

涂層油管內(nèi)表面的SEM形貌見圖2。由圖2可知，涂層表面放大120倍后，涂層呈網(wǎng)狀交聯(lián)，整體性好，耐磨顆粒分布其中，結(jié)合緊密。

2.2 耐腐蝕性能

圖1 耐磨涂料的微觀形貌

圖2 涂層油管內(nèi)表面的SEM形貌

涂層在酸性腐蝕介質(zhì)下，經(jīng)過168 h高溫高壓試驗(yàn)后，涂層外觀無變化，未發(fā)現(xiàn)變軟、膨脹和內(nèi)部起泡或疏松等現(xiàn)象。經(jīng)過168 h高溫高壓試驗(yàn)后，N80管材試樣失重為0.012 8 g，而涂層油管試樣失重僅為0.001 9 g，耐腐蝕性能較N80管材提高5倍以上。

用挑撥法對腐蝕試驗(yàn)后涂層試樣的附著力進(jìn)行測試，結(jié)果表明附著力仍達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1級要求，說明涂層在高溫、高壓、高礦化度條件下，具有良好的耐腐蝕性能和較高的結(jié)合強(qiáng)度。

2.3 摩擦系數(shù)測定

N80管材和涂層油管的球盤磨損試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 N80管材和涂層油管表面的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線

由圖3可知，在相同摩擦副下，N80管材的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線跳動較大，平均摩擦系數(shù)為0.61；涂層油管的摩擦系數(shù)隨時間曲線變化平穩(wěn)，平均摩擦系數(shù)為0.15，較N80管材降低了75.79%。說明N80管材表面耐磨性差，而涂層顯著降低了N80管材的摩擦系數(shù)，具有自潤滑和減摩作用。

采用JSM6360LV型掃描電子顯微鏡，對磨損后的試樣進(jìn)行顯微觀察，見圖4。由圖4可知，無涂層的N80管材表面磨損后出現(xiàn)較深的溝槽，溝內(nèi)可見白色磨屑分布，表明磨損機(jī)理為粘著磨損；涂層油管表面平整，僅有一些方向相同的淺磨痕存在，說明表面磨損輕微，磨損機(jī)理以滑動磨損為主，證明該涂層具有很好的自潤滑作用［7～8］。

圖4 N80管材和涂層油管試樣磨損后的表面形貌

2.4 耐磨損性能

往復(fù)磨損試驗(yàn)可以很好的模擬實(shí)際工況，并可兼顧磨損和腐蝕因素的影響。四種不同表面材質(zhì)的油管經(jīng)4×105次往復(fù)對磨試驗(yàn)結(jié)果見表3。涂層油管的耐磨性能最好，是氮化油管的6.3倍，N80管材的29.3倍，J55管材的47倍。由此可知，該涂層可顯著提高油管基體的耐磨損性能。

2.5 現(xiàn)場試驗(yàn)評價

在長慶油田采油五廠、采油二處共開展了27口井的涂層油管下井試驗(yàn)。在對井筒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將涂層油管下入井筒偏磨嚴(yán)重段，并配合使用扶正器、扶正桿等輔助措施。結(jié)果表明，截至目前涂層油管工作正常，試驗(yàn)井運(yùn)行良好，油管壽命已提高4倍以上，檢泵周期延長328 d，且隨時間推移，試驗(yàn)效果將更加顯著。

表3 往復(fù)磨損試驗(yàn)結(jié)果（4×105 次）

3 結(jié)論

a）自潤滑抗磨耐蝕內(nèi)涂層耐腐蝕性能較N80管材提高了5倍，摩擦系數(shù)降低75.79%，耐磨損性能為N80管材的29.3倍，具有減摩、抗磨雙重作用。

b）自潤滑抗磨耐蝕內(nèi)涂層油管現(xiàn)場應(yīng)用27口井，油管壽命平均提高4倍以上，檢泵周期延長328 d，為治理大斜度井偏磨問題提供了一種有效的技術(shù)手段。

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