油氣田防腐鉆采油管桿應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

韓志宏

摘 要：我國部分油田進(jìn)入高含水期開采，許多新油管下井一年后即發(fā)生穿孔，三年就需全部更換。注水井套管的腐蝕速率約為每年0.5～0.6 mm，油管、油桿和套管的維持費(fèi)逐年增大，一個(gè)油田每年需花費(fèi)數(shù)億元費(fèi)用。因此，研究開發(fā)適合國內(nèi)需要的防腐鉆采油桿十分必要。該文對(duì)防腐鉆采油桿的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了概述，并提出了技術(shù)建議。

關(guān)鍵詞：油田 防腐鉆采油管桿 應(yīng)用 發(fā)展

中圖分類號(hào)：TE257 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（a）-0019-01

1 我國石油鉆桿的腐蝕情況

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于石油和天然氣的需求迅猛增加，石油開采正面臨：油井開采后期含水量大幅升高；深井開發(fā)導(dǎo)致溫度和壓力提高；油井開發(fā)中CO2、H2S和Cl-含量不斷上升。許多油氣井的pH值高達(dá)1-2、CO2和H2S氣體含量分別高達(dá)10%和95%、Cl-含量高達(dá)300000ppm。許多新油管桿下井不到一年即發(fā)生穿孔；兩年左右即發(fā)生腐蝕斷裂，造成內(nèi)部堵塞，壓力下降，產(chǎn)量下降。注水井套管的腐蝕速率約為每年0.5～0.6 mm，油管桿和套管的維護(hù)和更換費(fèi)用逐年增大。勝利油田、遼河油田、大慶油田等已進(jìn)入特高含水開發(fā)期，采出污水含有溶解氧、硫化氫、二氧化碳、氯離子和硫酸鹽還原菌等對(duì)鋼質(zhì)管材腐蝕十分嚴(yán)重，平均腐蝕速率為1～7 mm/a。中原油田因水質(zhì)偏酸性且極不穩(wěn)定引發(fā)腐蝕，直接由腐蝕引起的鉆具報(bào)廢占50%以上，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年1億元，間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2億元以上。國內(nèi)外因造成油氣管腐蝕穿孔引起火災(zāi)和爆炸，造成巨大損失的報(bào)道也屢見不鮮。

2 油管桿防腐蝕主要防護(hù)措施

采油管常見的幾種腐蝕狀況如下：腐蝕開裂、局部腐蝕穿孔、絲扣腐蝕等。一般可采用以下四種防護(hù)措施。

（1）整體采用耐蝕金屬合金：選用高耐蝕的FeNi基和Ni基合金等，整體防腐效果佳，但造價(jià)太高，不適合批量應(yīng)用。

（2）加緩蝕劑和電化學(xué)保護(hù)：這兩類措施有一定局限性，在重腐蝕環(huán)境中僅作為輔助措施。

（3）玻璃鋼等非金屬材料：強(qiáng)度和承壓能力差，不適合單獨(dú)使用。

（4）普通鋼+非金屬覆蓋層和襯里：采用內(nèi)壁涂覆涂層或襯里，常規(guī)涂層和襯里在高溫高壓強(qiáng)腐蝕環(huán)境中易剝離脫落，導(dǎo)致局部腐蝕。

由于目前國內(nèi)性能優(yōu)異的耐高溫高壓酸汽重防腐內(nèi)涂層研發(fā)應(yīng)用幾乎是沒有取得重大進(jìn)展，在油管桿中應(yīng)用較少。因此，針對(duì)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)及多相流環(huán)境，開發(fā)價(jià)格適中、防腐性能優(yōu)異的油管桿內(nèi)涂層十分重要。由此可見，內(nèi)襯復(fù)合涂層是防止鉆具、油管桿腐蝕的有效方法。根據(jù)油田鉆采狀況，要求內(nèi)襯涂層應(yīng)具有優(yōu)異的附著力、抗沖擊性、耐磨性和耐高溫高壓酸性介質(zhì)腐蝕的特點(diǎn)。內(nèi)襯納米復(fù)合涂層應(yīng)明顯提高油管桿使用壽命，提高管內(nèi)壁的流體效率，提高鉆井工作效率。使用納米改性內(nèi)防腐防污涂層技術(shù)處理過的油管，應(yīng)減少油井作業(yè)次數(shù)，增加油井的檢修周期，提高油井的產(chǎn)量。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)采油鉆具、油管桿的防腐涂層和內(nèi)襯材料的主要成分是環(huán)氧聚合物、乙烯基酯聚合物、氟碳聚氨酯聚合物等，它們長期耐溫可達(dá)到80～120 ℃。環(huán)氧基和乙烯基酯等聚合物的分子結(jié)構(gòu)上基團(tuán)間隙較大、交聯(lián)密度小；且其分子結(jié)構(gòu)上含有大量羥基和酯基等薄弱基團(tuán)，易被腐蝕介質(zhì)進(jìn)攻破壞。在含硫化氫、二氧化碳和高氯離子的高溫高壓油氣和酸汽強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，環(huán)氧、乙烯基酯、氟碳聚氨酯聚合物的分子結(jié)構(gòu)在100 ℃以下即發(fā)生嚴(yán)重降解破壞，與金屬基材剝離脫落。常用的鉆桿內(nèi)襯材料（如涂料、玻璃鋼、塑料管等）在100～140 ℃，5～20 MPa油氣和酸汽（H2S、SO2、CO2、Cl-等）環(huán)境中使用幾個(gè)月即發(fā)生嚴(yán)重腐蝕和結(jié)垢。美國先進(jìn)聚合物公司研制的環(huán)硅聚合物具有優(yōu)異的耐高溫油氣酸汽滲透腐蝕的性能，其分子結(jié)構(gòu)上沒有羥基、酯鍵等薄弱基團(tuán)，僅有醚鍵這種高耐蝕、柔韌性好的連接鍵，且交聯(lián)密度高。環(huán)硅聚合物內(nèi)襯油管防腐材料在國外油田和脫硫裝置上已成功應(yīng)用，效果較為理想，但由于其價(jià)格十分昂貴，是國內(nèi)油管內(nèi)涂層價(jià)格的幾十倍，未在國內(nèi)油氣田推廣使用。

鉆具油管內(nèi)襯重防腐復(fù)合涂層屬于新型重防腐復(fù)合材料。高分子耐溫耐蝕聚合物的研究是提高鉆具油管內(nèi)襯重防腐復(fù)合涂層性能的基礎(chǔ)。國外此類研究十分活躍且持續(xù)不斷地出現(xiàn)新材料，如日本、美國和德國對(duì)于耐高溫樹脂的研究水平較高，國內(nèi)在此領(lǐng)域內(nèi)的研究與國際先進(jìn)水平尚有較大差距。

4 開發(fā)防腐油管桿的幾點(diǎn)建議

目前油氣田的鉆采油管桿一般采用環(huán)氧涂層、酚醛環(huán)氧涂層、氟碳聚氨酯涂層和乙烯基涂層等對(duì)鉆采油管桿進(jìn)行內(nèi)防腐處理。它們在幾兆帕的中溫弱酸環(huán)境下具有一定防腐能力，但在幾十兆帕的高溫混合油氣酸汽（CO2、H2S和Cl-）環(huán)境中防腐防垢性能差，遠(yuǎn)達(dá)不到要求。研究解決鉆采油管桿內(nèi)表面高溫高壓油氣酸汽腐蝕問題，可利用納米改性復(fù)合內(nèi)涂層使鉆采油管具有防腐、防垢、抗菌和節(jié)能等多種功能?？刹扇∫韵聨追N技術(shù)措施開發(fā)新型防腐油管桿。

（1）設(shè)計(jì)間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺聚合物的分子結(jié)構(gòu)，研究其分子結(jié)構(gòu)、玻璃化溫度和固化交聯(lián)度對(duì)改性間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺聚合物體系耐蝕性和耐熱性的影響，確定羥基/活性胺比例和最佳固化反應(yīng)條件。

（2）利用納米金屬氧化物母液對(duì)間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺聚合物體系進(jìn)行納米改性，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)涂層結(jié)構(gòu)孔隙封閉和耐腐蝕性的有效控制。

（3）研究納米金屬氧化物母液和表面助劑對(duì)內(nèi)涂層表面張力和表面能的降低效應(yīng)。利用表面張力儀測試分析納米母液對(duì)改性間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺內(nèi)涂層阻垢防污效果的影響；按照J(rèn)C/T897-2002標(biāo)準(zhǔn)測試分析納米復(fù)合內(nèi)涂層的抗菌功能；按照ASTMD4060標(biāo)準(zhǔn)測量納米復(fù)合內(nèi)涂層的耐磨性能。

（4）研究碳纖維在聚合物中的分布和三向應(yīng)力承載性能，分析在高壓和溫變作用下碳纖維對(duì)納米改性間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺涂層抗開裂性的作用機(jī)理。

（5）參照SY/T5951-94標(biāo)準(zhǔn)（環(huán)氧酚醛防腐油管技術(shù)條件）對(duì)納米復(fù)合內(nèi)涂層體系進(jìn)行污水煮、土酸浸泡、耐熱性、柔韌性、附著力、耐沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)。

（6）對(duì)油管桿內(nèi)涂層進(jìn)行耐熱沖擊性能和冷熱循環(huán)試驗(yàn)，分析納米改性間苯酚環(huán)氧-復(fù)合胺內(nèi)涂層耐激冷激熱性能。

（7）對(duì)油管桿內(nèi)涂層進(jìn)行高溫高壓油氣酸汽試驗(yàn)，要求耐80～160 ℃、4～20 MPa的油氣酸汽（含H2S、Cl-、CO2等）腐蝕破壞；確定內(nèi)涂層體系耐腐蝕性、防污性和耐磨性之間平衡值。

參考文獻(xiàn)

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