鍍鎢合金防腐油井管試驗研究及應(yīng)用

王紹軍，劉含陽，胡 勇，李洪祥，李春茂，趙春喜

（1.渤海石油裝備新世紀機械制造公司，天津300280；2.中海油田服務(wù)股份有限公司天津物資管理中心，天津300452；3.中國石油管道工程有限公司天津濱海分公司，天津300457） ＊

鍍鎢合金防腐油井管試驗研究及應(yīng)用

王紹軍1，劉含陽2，胡 勇1，李洪祥1，李春茂1，趙春喜3

（1.渤海石油裝備新世紀機械制造公司，天津300280；2.中海油田服務(wù)股份有限公司天津物資管理中心，天津300452；3.中國石油管道工程有限公司天津濱海分公司，天津300457）＊

油井管服役條件日趨惡化，這就要求油井管具有優(yōu)異的抗H2S、CO2、Cl－腐蝕性能。通過對油井管腐蝕機理和特征的研究，指出在開發(fā)高難度的油氣田時使用防腐油井管的必要性，并對鍍鎢合金防腐油井管工藝技術(shù)及應(yīng)用情況進行了介紹。鍍鎢合金防腐油井管耐H2S、CO2、C1－腐蝕性能好，具有廣闊的市場前景。

油井管；腐蝕機理；特征 ；鍍鎢合金 ；耐腐蝕

油井管是采出液或注入水的通道，多數(shù)油井管內(nèi)外表面都要與井液接觸。對于注水井，一般要承受較大的壓力和流速；對于采油井，特別是抽油機采油井，除承受一定的壓力外，還要承受桿柱運動造成的磨損和油井顆粒產(chǎn)生的磨蝕，因此油井管在井下所處的環(huán)境十分復雜。隨著國內(nèi)對含H2S、CO2、Cl－等生產(chǎn)成本高、開發(fā)難度大的油氣田開發(fā)力度的不斷加大，開發(fā)高抗腐蝕系列油井管就成為石油天然氣開發(fā)中需重點解決的問題之一。

1 油井管的腐蝕特征

1） 局部穿孔 油井管的主要腐蝕失效形式之一是局部穿孔刺漏，穿孔形狀多數(shù)呈圓形或橢圓形，外小內(nèi)大，截面呈“八”字形。形貌分析表明：腐蝕是從內(nèi)表面發(fā)生“點蝕”開始的，當“點蝕”達到一定深度時，油井管難以承受管柱內(nèi)的壓力造成油井管刺漏。在井斜變化較大的井段，作業(yè)中造成油井管與套管產(chǎn)生機械擦傷，這種摩擦通常集中在油套管的一些固定位置，這些地方更容易產(chǎn)生腐蝕，因此表現(xiàn)為腐蝕穿孔具有方向性。

2） 螺紋腐蝕 由于油井管特殊的連接結(jié)構(gòu)，當管體和油井管接箍上緊后，管體端面難以重合，會在油井管接箍中部留有1個環(huán)形間隙，這一空間是硫酸鹽還原菌（SRB）最理想的生長環(huán)境。由于大量細菌聚集繁殖，對油井管螺紋造成嚴重的侵蝕，在細菌和其他腐蝕介質(zhì)的綜合作用下，許多油套管螺紋被腐蝕，造成斷脫或刺漏。另外，在油井管的外表面，腐蝕嚴重的部分是管體螺紋收尾處，造成這種結(jié)果的主要原因是當2根油井管通過接箍連接后，油井管螺紋后端剩1～3扣露在接箍之外，在沒有防護的情況下，與腐蝕性井液接觸，會很快被腐蝕。

3） 腐蝕和磨損相互作用 抽油桿的運動不可避免地要與油井管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦、磨損，尤其是在偏磨、含砂嚴重的情況下，管、桿的接觸磨損造成抽油桿、油井管表面鋼質(zhì)受到破壞，裸露出新鮮的機體。裸露部分與油井中腐蝕性介質(zhì)長期接觸，很容易被腐蝕，生成疏松的腐蝕物，這些腐蝕產(chǎn)物會在油井工作過程中繼續(xù)被抽油桿磨損掉，這種腐蝕過程和磨損過程交替進行，相互作用，造成腐蝕不斷加劇，最終導致油井管泄漏。這種情況主要發(fā)生在管柱的偏磨部位，而且和抽油桿的磨損、腐蝕對應(yīng)，并隨偏磨點位置和長度的改變而改變。

2 工藝研究

從油井管的腐蝕特征可以看出：對油井管進行防腐處理，不僅要選擇良好的防腐處理方法，還需要對油井管整體進行全面防腐。其中，油井管接箍中部的環(huán)形間隙以及管體螺紋收尾處是防腐處理的重點和難點，只有對這些部位進行有效防腐處理，才能避免油井管的局部腐蝕和刺漏。另外，對于有桿抽油系統(tǒng)必須考慮磨損所造成的油井管腐蝕問題，防腐層必須是具有耐腐蝕和耐磨的復合功能層。

國內(nèi)各種防腐油井管都能起到一定的抗腐蝕作用，而且具有比較成熟的制造工藝，但是由于油田腐蝕情況比較復雜，許多井況不僅要求耐腐蝕，而且要求耐偏磨、耐高溫，鍍鎢合金防腐油井管在這方面具有明顯的優(yōu)勢。

渤海石油裝備新世紀機械制造公司和湖南納菲爾新材料科技股份有限公司共同合作開發(fā)生產(chǎn)了鍍鎢合金油井管，針對不同油田腐蝕介質(zhì)，共開發(fā)出適應(yīng)不同井況的4種鍍鎢合金油井管產(chǎn)品。經(jīng)過不斷的摸索和現(xiàn)場試驗形成最終的生產(chǎn)工藝，工藝流程順暢、高效、合理，具有極好的耐CO2、H2S和鹽水腐蝕性能，大幅提高了耐磨性。

采用臥式滾動流鍍技術(shù)或者立式電鍍技術(shù)，鍍層采用復合電鍍工藝流程，如圖1。

圖1 鍍層工藝流程

主要工藝說明：

1） 汽油擦洗 油井管置于架上，用汽油仔細擦洗螺紋處及油井管表面的油跡。

2） 中和 浸入一定濃度的稀碳酸鈉溶液中，防銹蝕。

3） 酸洗 浸入一定濃度的三氯化鐵鹽酸溶液中，酸洗活化工件表面。

4） 電化學除油 浸入電化學除油溶液中，進行電化學除油。

5） 刻蝕 在刻蝕溶液中，進一步進行工件表面活化。

6） 電鍍 注入電鍍?nèi)芤?，控制一定的電流密度、溫度、pH值，進行電鍍加工。

3 試驗研究

3.1 鍍層結(jié)合強度測試

參照SJ20130—1992標準，分別進行鍍鎢合金驗樣件和鍍鉻試驗樣件纏繞試驗后，鍍層結(jié)合強度測試結(jié)果如圖2。

圖2 結(jié)合強度測試結(jié)果

由圖2可以看出：經(jīng)纏繞試驗后，鍍鎢合金試驗樣件表現(xiàn)出良好的結(jié)合強度，鍍層無脫落現(xiàn)象，符合SJ 20130—1992標準；鍍鉻試驗樣件鍍層有輕微脫落現(xiàn)象，表明鍍鉻層與基體結(jié)合力較差，不符合SJ 20130—1992標準。

3.2 耐5%H2SO4腐蝕性能試驗

各試驗樣件浸入5%H2SO4溶液以及浸泡不同時間后的反應(yīng)如圖3。

圖3 各樣件浸入5%H2SO4溶液及浸泡一定時間后反應(yīng)

如圖3a所示，無防腐層試驗樣件浸入5% H2SO4溶液時立即發(fā)生劇烈反應(yīng)，有大量氫氣放出，浸泡50h后，5%H2SO4溶液中氫離子基本被置換，幾乎無氫氣產(chǎn)生，此時試驗樣件表面被腐蝕成通體黑色，如圖2b，硫酸溶液由原來的無色變?yōu)榧t褐色，說明試驗樣件基體被腐蝕溶解。鍍鉻試驗樣件浸入5%H2SO4溶液時有少許氫氣泡冒出，如圖2c。因鉻鍍層受到腐蝕，100h后硫酸溶液由無色變成含Cr＋3的墨綠色溶液，厚度為0.105mm的鍍鉻層幾乎全部脫落，清水洗凈后，表面呈黑色，如圖2d。鍍鎢合金防腐試驗樣件浸入5%H2SO4溶液時，少數(shù)幾個氫氣泡吸附在鍍層表面，但氣泡產(chǎn)生的速度極慢，如圖2e所示；230h后，鍍層發(fā)黑，鍍層表面有較多氣泡，如圖2f，鍍層并未完全溶解，反應(yīng)仍在進行，溶液呈淺綠色。

試驗現(xiàn)象及結(jié)果表明：無防腐層試驗樣件不能抵御5%H2SO4溶液的腐蝕，一旦與硫酸接觸即發(fā)生劇烈腐蝕；對比無防腐層試驗樣件，鍍鉻防腐試驗樣件在酸性介質(zhì)中的使用壽命稍長，但仍不能抵御H2SO4的腐蝕，100h后鍍層完全溶解；鍍鎢合金后能大幅提高油井管的耐H2SO4腐蝕性能，其耐5% H2SO4腐蝕時間至少可長達230h。

3.3 應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗

依據(jù)標準NACE TM0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》進行鍍鎢合金后的試驗，試驗結(jié)果為試樣未斷裂，表面無裂紋，符合NACE TM0177—2005標準要求。如圖4。

圖4 應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗

3.4 氫致開裂性能試驗

依據(jù)標準NACE TM0284—2003《管道和壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價的試驗方法 》進行鍍鎢合金后的試驗，試驗結(jié)果為表面完好，無鼓泡、脫落等現(xiàn)象，剖面金相觀察無HIC裂紋，如圖5。

圖5 氫致開裂性能試驗

3.5 模擬工況條件下的腐蝕性能試驗

在高溫高壓釜中，利用旋轉(zhuǎn)裝置模擬井下動態(tài)的腐蝕環(huán)境，研究鍍層在模擬環(huán)境中的抗H2S、CO2腐蝕性能（如圖6）。試驗條件：H2S分壓為1.77 MPa，CO2分壓為5.08MPa，Cl－濃度為1.0×105mg／L，試驗溶液流速為5m／s，溫度為60℃，試驗時間為7d。

圖6 模擬工況條件下的腐蝕性能試驗

通過對比，可以看出無鍍層試樣表面腐蝕程度遠遠大于鍍層試樣。

以上試驗結(jié)果表明：鎢合金鍍層結(jié)合力強，鍍層不影響油井管本體的抗硫化物應(yīng)力開裂和抗氫致開裂性能，在模擬工況及酸化過程中，均具有較好的耐蝕性能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 中原油田下井試驗

該井采用泡沫復合驅(qū)技術(shù)，將空氣注入水井當中，以此增加水質(zhì)黏度，提高采收率。但同時也造成了高溫、高壓和富氧井下環(huán)境，壓力可達38～40 MPa，富氧環(huán)境下對管體的防腐性能要求更高。采用普通油井管平均使用壽命僅為3個月，而鎢合金防腐油井管針對泡沫區(qū)塊管體的特殊工作環(huán)境，進行針對性防護處理，通過試驗證明鎢合金防腐油井管可將使用壽命提高4倍以上，大幅減少作業(yè)次數(shù)，降低作業(yè)成本。圖7為作業(yè)現(xiàn)場。

圖7 中原油田現(xiàn)場作業(yè)試驗

4.2 青海油田下井試驗

在青海油田某井對下井試驗的鎢合金油井管進行了試驗，與同井同期下井試驗的普通油井管形成鮮明的對比，試驗證明了鎢合金油井管優(yōu)良的耐腐蝕性能，如圖8。

圖8 青海油田井下試驗

5 結(jié)論

鍍鎢合金防腐油井管具有鍍層硬度高、結(jié)合力強、耐腐蝕性好的性能特點，對H2S、CO2、Cl－腐蝕相比較其它防腐方式具有很大的優(yōu)勢，現(xiàn)場應(yīng)用情況證明了鍍鎢合金防腐油井管的這一性能特點。其生產(chǎn)工藝合理，具有一定的先進性，生產(chǎn)過程無三廢排放，屬于清潔生產(chǎn)工藝 。鍍鎢合金防腐油井管市場前景比較廣闊，具有很高的推廣價值。

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Research and Application of Tungsten Plated Alloy Oil Well Pipe

WANG Shao－Jun1，LIU Han－yang2，HU Yong1，LI Hong－xiang1，LI Chun－mao1，ZHAO Chun－xi3
（1.New Century Machinery Manufacturing Company，Bohai Oil Equipment，Tianjin300820，China；2.Tianjin Materials Management Center，CNOOC China Oilfield Services Limited，Tianjin300452，China；3.Tianjin Binhai Branch，China Petroleum Pipline Engineering Corpration，Tianjin300457，China）

Oil well pipe service condition worsens day by day，which requires the well pipe with excellent resistance to H2S，CO2，Cl－corrosion performance.Through to the oil well pipe corrosion mechanism and characteristics of the study，it is pointed out that the development of oil and gas field with high difficulty anticorrosion oil tube of necessity，and the tungsten alloy plating anticorrosion oil tube technology and its application are introduced in details，the tungsten plated alloy oil well pipe with resistance to H2S，CO2，C1－h(huán)as good corrosion resistance and it has broad market prospects.

oil well pipe；corrosion mechanism；features；tungsten alloy plating；corrosion resistance

1001－3482（2012）11－0046－04

TE931.2

B

2012－06－12

王紹軍（1973－），男，河北磁縣人，工程師，主要從事采油裝備產(chǎn)品研發(fā)工作。