海上連續(xù)油管內(nèi)防腐工藝研究及現(xiàn)場試驗*

劉 磊 黃 俠 邢海軍 王景浩 郭宏峰 張 博

(中海油田服務股份有限公司 天津 300459)

連續(xù)油管作業(yè)技術具有操作靈活、成本節(jié)約、安全可靠等特點，已在鉆井、完井、防砂、采油、修井、測井等領域得到廣泛應用[1-3]。隨著油氣田的持續(xù)開發(fā)，連續(xù)油管作業(yè)愈發(fā)頻繁，作業(yè)環(huán)境(高溫、高含H2S/CO2、酸性介質(zhì))也愈加苛刻，連續(xù)油管在作業(yè)和存儲運輸中容易產(chǎn)生腐蝕[4-7]，使得連續(xù)油管的剩余強度降低。Stanley等[8]對國外連續(xù)油管失效事故原因進行分析統(tǒng)計，認為約51%的連續(xù)油管失效與腐蝕相關。Adrichem等[9]公布的調(diào)查結(jié)果顯示，連續(xù)油管常見的失效類型與點蝕和張力過載有關的比例約占50%。祝成龍 等[10]認為國內(nèi)連續(xù)油管失效的主要原因是泄漏失效，而早期失效的主要原因與腐蝕有關。海上油田除作業(yè)環(huán)境惡劣外，連續(xù)油管在高含鹽和潮濕的環(huán)境下存儲和運輸中的腐蝕問題更為突出，嚴重影響了連續(xù)油管的使用壽命，甚至造成井下復雜事故和作業(yè)安全事故。

連續(xù)油管完成施工作業(yè)后，一般通過清水沖洗、空壓機吹掃、表面涂抹防腐劑，完成后使用帆布罩罩住滾筒，以隔離雨水及潮濕空氣，起到防腐作用。但部分殘留在連續(xù)油管內(nèi)部的液體會造成連續(xù)油管內(nèi)腐蝕問題。一般地，連續(xù)油管腐蝕的剩余壁厚低于85%時，連續(xù)油管的剩余強度將大幅降低，整盤連續(xù)油管將作報廢處理。因此，針對海上油田連續(xù)油管“入井—空氣中放置—入井”的作業(yè)特點及高含鹽和潮濕作業(yè)環(huán)境引發(fā)的連續(xù)油管在空氣中放置時內(nèi)部腐蝕嚴重的問題，筆者通過室內(nèi)實驗分析了連續(xù)油管腐蝕原因，優(yōu)選了連續(xù)油管內(nèi)防腐劑，評價了連續(xù)油管內(nèi)防腐劑性能，開展了連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝試驗，降低了連續(xù)油管內(nèi)部的腐蝕速率，可為海上油田連續(xù)油管內(nèi)防腐處理措施提供參考。

1 腐蝕原因分析及防腐劑研發(fā)

1.1 腐蝕原因分析

現(xiàn)場腐蝕后的連續(xù)油管掃描電鏡(SEM)微觀形態(tài)如圖1所示。由圖1 可知，連續(xù)油管表面布滿腐蝕坑，局部腐蝕較為嚴重。連續(xù)油管的腐蝕產(chǎn)物膜存在高密度缺陷，不緊密，促進并加重了局部腐蝕程度；最大腐蝕坑深度為27 μm，對應的腐蝕速率達0.927 0 mm/a。對連續(xù)油管腐蝕產(chǎn)物進行X射線能譜分析(EDS)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，腐蝕產(chǎn)物中Fe、O、Cl元素的質(zhì)量分數(shù)分別為92.15%、5.32%和2.53%，可見鐵在鹽水中的吸氧腐蝕是連續(xù)油管腐蝕的主要原因。

圖1 連續(xù)油管腐蝕形態(tài)電鏡掃描圖

圖2 連續(xù)油管腐蝕產(chǎn)物EPS圖

1.2 防腐劑研發(fā)

目前金屬行業(yè)防止金屬腐蝕的措施主要有4種：金屬制品表面覆蓋保護層或鍍層、改變金屬組成和結(jié)構(gòu)、犧牲陽極(負極)的陰極(正極)保護法、外加電流的陰極保護法。借鑒金屬防腐的措施，考慮到連續(xù)油管的作業(yè)特點和作業(yè)環(huán)境，綜合措施成本、安全性及防腐效果等因素，確定采用“金屬制品表面覆蓋保護層或鍍層”的方式對連續(xù)油管進行內(nèi)防腐處理。由于連續(xù)油管長度一般在2 000 m以上，在作業(yè)過程中需要反復彎折，表面覆蓋鍍層的方法實施難度極大，不能滿足連續(xù)油管內(nèi)防腐需求。因此，實驗選擇在連續(xù)油管表面覆蓋保護層的方式進行內(nèi)防腐，這種保護層采用液體的薄膜鈍化技術，能夠形成薄膜的液體應該滿足以下技術要求：①防腐蝕防銹能力良好；②油性介質(zhì)，避免油管與水分接觸；③能夠在金屬表面形成一層薄膜，隔絕空氣、水分和其他雜質(zhì)；④安全環(huán)保，穩(wěn)定性好，易于存儲，可回收利用；⑤易操作，流動性好，易泵送；⑥耐候性好，冬季不結(jié)冰、夏季不變質(zhì)。

1.2.1介質(zhì)油優(yōu)選

根據(jù)防腐劑性能要求，基礎介質(zhì)油是防腐劑、添加劑的基礎和載體，需具備良好的油溶性、潤滑性和安全性，室內(nèi)篩選基礎介質(zhì)油的性質(zhì)見表1。由表1可知，介質(zhì)油Y-2和Y-4滿足要求。由于Y-4價格較Y-2高，綜合閃點、成膜能力、凝固點和經(jīng)濟性等關鍵指標分析，選擇Y-2作為基礎介質(zhì)油。

表1 基礎介質(zhì)油實驗數(shù)據(jù)

1.2.2緩蝕劑優(yōu)選

室內(nèi)篩選4種緩蝕劑加至介質(zhì)油Y-2中(加量質(zhì)量分數(shù)5%)混合成防銹劑。實驗樣品為連續(xù)油管切割加工后的樣品(QT800)。將加工后的樣品分別放在防銹液中浸泡24 h后，浸入5%鹽水中靜置14 d，防銹添加劑的主要性能見表2。由表2可知，緩蝕劑HS-2和緩蝕劑HS-3緩蝕率在90%左右，緩蝕效果良好。由于緩蝕劑HS-2具有油溶和水溶的特性，滲水后容易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，從而導致產(chǎn)品過早失效；而緩蝕劑HS-3有較好的成膜性能，油溶性好，無乳化傾向性，因此選用石油磺酸鹽類緩蝕劑HS-3作為緩蝕添加劑。

表2 緩蝕劑優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)

1.2.3添加劑優(yōu)選

滲透劑是一種表面活性劑，它能使成膜劑、防銹劑等滲入到鋼材表面，起到鈍化作用，室內(nèi)優(yōu)選2%～4%的脂肪醇聚氧乙烯醚作為滲透劑?；ト軇┦切滦图{米防腐處理劑的重要組成部分，它能將防腐處理劑各組分有效融合在一起，起到協(xié)同作用，室內(nèi)優(yōu)選2%～6%的乙二醇單丁醚作為互溶劑。成膜劑是新型納米防腐處理劑的重要助劑，它采用納米乳液技術能夠在金屬表面形成一層保護膜，有效地隔絕金屬與空氣、雜質(zhì)等接觸，對鋼管防腐蝕具有重要意義，室內(nèi)優(yōu)選4%～6%的丙二醇苯醚作為成膜劑。

經(jīng)過室內(nèi)實驗研發(fā)的防腐劑FF-1，以基礎介質(zhì)油Y-2作載體、選用石油磺酸鹽類緩蝕劑HS-3作為防銹添加劑，同時添加滲透劑、成膜劑、互溶劑和抗H2S/CO2緩蝕劑油溶性咪唑啉等，在常溫下黏度為10～100 mPa·s，具備良好的流動性、可泵性、操作性。同時，防腐劑FF-1具有疏水性，能夠在鋼材表面形成一層薄薄的均勻保護膜，使鋼管不能與空氣、水分和其他雜質(zhì)接觸形成新的腐蝕。

2 防腐劑性能評價

實驗參考SY/T5273—2014《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》[11]，用靜態(tài)掛片法測試連續(xù)油管的腐蝕速率。具體實驗方法如下：將切割加工好的連續(xù)油管進行處理，分別置于空氣和鹽水(5%的NaCl溶液)中，放在恒溫恒濕實驗箱中腐蝕14 d，測試腐蝕速率。空白組：直接放在空氣和鹽水(5%的NaCl溶液)介質(zhì)中；試驗組：放入防腐劑中浸泡一段時間后再放在空氣和鹽水介質(zhì)中。連續(xù)油管的腐蝕速率實驗結(jié)果參考SY/T5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》[12]中推薦的平均腐蝕速率0.076 mm/a為對比指標。

2.1 浸泡時間分析

在試驗材質(zhì)為QT800、溫度20 ℃、濕度80%(空氣)時，浸泡時間對連續(xù)油管的腐蝕速率影響結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，連續(xù)油管在空氣和鹽水中的腐蝕速率分別為0.115 mm/a和0.332 mm/a，在實際環(huán)境下，由于溫度、濕度及腐蝕介質(zhì)(酸、H2S等)更為復雜，實際腐蝕速率將高于實驗條件連續(xù)油管的腐蝕速率。將連續(xù)油管浸泡處理后進行防腐蝕實驗，浸泡12 h后在空氣和鹽水中的平均腐蝕速率分別為0.034 mm/a和0.069 mm/a，緩蝕率分別為70.43%和79.22%，緩蝕效果明顯。當浸泡處理時間達24 h后，在空氣和鹽水中的平均腐蝕速率0.029 mm/a和0.058mm/a，進一步增加浸泡時間時腐蝕速率變化較小。從處理成本和效果來看，建議浸泡處理時間為24 h。

圖3 不同浸泡時間下防腐劑性能

2.2 溫度適應性分析

在試驗材質(zhì)為QT800、浸泡時間為24 h、濕度為80%(空氣)時，實驗溫度對連續(xù)油管的腐蝕速率結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在溫度為-20～80 ℃范圍內(nèi)，溫度越高，腐蝕速率越高。當溫度為80 ℃時，連續(xù)油管在空氣和鹽水中的平均腐蝕速率分別為0.051 mm/a和0.074 mm/a，均低于0.076 mm/a，說明本文所選防腐劑具有較大的溫度適應范圍，可滿足海上溫度環(huán)境需求。考慮到連續(xù)油管在室溫下存放的時間最長，選擇在溫度為20 ℃條件下進行材質(zhì)適應性分析。

圖4 不同溫度下防腐劑性能

2.3 材質(zhì)適應性分析

在試驗浸泡時間為24 h、溫度為20 ℃、濕度為80%(空氣)時，材質(zhì)對連續(xù)油管的腐蝕速率結(jié)果見表3。由表3可知，QT800、QT900分別為抗拉強度不低于800 MPa、900 MPa的球墨鑄鐵， 在鹽水和空氣中，QT900材質(zhì)的連續(xù)油管平均腐蝕速率較QT800材質(zhì)連續(xù)油管平均腐蝕速率低，其中連續(xù)油管在鹽水中的平均腐蝕速率高于連續(xù)油管在空氣中的腐蝕速率。從實驗結(jié)果來看，無論是在鹽水中還是在空氣中，連續(xù)油管的平均腐蝕速率均低于0.076 mm/a，滿足現(xiàn)場要求。

表3 不同材質(zhì)下防腐劑性能

2.4 防腐處理有效期

在試驗材質(zhì)為QT800、浸泡時間為24 h、溫度為20 ℃、濕度為80%(空氣)時，防腐劑處理后連續(xù)油管不同放置時間的腐蝕速率結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在防腐處理7、14、28、42和56 d連續(xù)油管的腐蝕速率呈增大趨勢。從實驗結(jié)果來看，防腐處理放置56 d后的連續(xù)油管在鹽水中的腐蝕速率為0.069 mm/a，滿足現(xiàn)場要求。

圖5 不同放置時間下防腐劑性能

3 現(xiàn)場應用試驗

3.1 內(nèi)防腐工藝流程建立

首先，選取2盤(QT800材質(zhì)，外徑50.8 mm)腐蝕程度相當?shù)倪B續(xù)油管，在每盤連續(xù)油管最外一圈上均勻標記選取20個測試點，測試并記錄連續(xù)油管的壁厚(測試方法參考SY/T 6895—2012《連續(xù)油管》[13])。

其次，進行連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝試驗應用，空白試驗組不進行處理。連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝流程如下：

1) 按圖6所示的工藝流程圖連接連續(xù)油管與酸化泵、液氮泵、防腐劑罐、清水罐、液氮罐和廢液罐。其中酸化泵與清水罐、防腐劑罐連接管線為外徑76.2 mm低壓管線，閥門為低壓蝶閥，其他連接管線均為外徑50.8 mm高壓硬管，閥門為高壓旋塞閥。

圖6 連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝流程圖

2) 用酸化泵向連續(xù)油管中泵入清水(施工壓力≤14 MPa)對連續(xù)油管進行清洗，待連續(xù)油管返出干凈后停泵放壓，將連續(xù)油管專用的鋼絲刷投入連續(xù)油管內(nèi)部，繼續(xù)泵入清水對連續(xù)油管內(nèi)壁進行清洗直至鋼絲刷返出為止。

3) 向連續(xù)油管內(nèi)部投入連續(xù)油管專用的橡膠球，用液氮泵向連續(xù)油管中泵入氮氣(施工壓力≤14 MPa)，頂替并吹掃連續(xù)油管內(nèi)部的清水，待連續(xù)油管返出無清水且橡膠球返出后停泵放壓。

4) 用酸化泵向連續(xù)油管中泵入防腐劑(施工壓力≤10 MPa)，待防腐劑返出后停泵放壓，將連續(xù)油管兩端用橡膠塞封堵，浸泡48 h。

5) 用液氮泵向連續(xù)油管中泵入氮氣(施工壓力≤14 MPa)，頂替并吹掃連續(xù)油管內(nèi)部的防腐劑，待連續(xù)油管返出無防腐劑后停泵放壓，用橡膠塞封堵密封連續(xù)油管兩端。

最后，將試驗組和空白組的2盤連續(xù)油管外部用帆布覆蓋，在戶外放置60 d后，分別用壁厚儀測試并記錄連續(xù)油管標記點的壁厚，計算每盤連續(xù)油管的腐蝕速率。分別截取試驗組和空白組連續(xù)油管，在掃描金相顯微鏡下觀察連續(xù)油管的腐蝕情況。

3.2 防腐效果分析

QT800型連續(xù)油管空白組和試驗組連續(xù)油管在金相顯微鏡下的照片如圖7所示，試驗組和空白組表面均存在一定的腐蝕坑，但空白組的腐蝕坑的深度較試驗組深，表面連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝對連續(xù)油管內(nèi)表面的腐蝕程度有一定的降低作用。

QT800型連續(xù)油管內(nèi)防腐試驗60 d腐蝕速率試驗結(jié)果如圖8所示，從選取的20個測試點的試驗結(jié)果來看，空白組連續(xù)油管的平均腐蝕速率0.142 mm/a，試驗組連續(xù)油管的平均腐蝕速率0.047 mm/a?？梢姡瞻捉M和試驗組的腐蝕速率測試結(jié)果平行性較好，試驗組較空白組的平均腐蝕速率降低了66.90%。

圖7 QT800型連續(xù)油管空白組和試驗組內(nèi)表面照片

圖8 QT800型連續(xù)油管60 d腐蝕速率試驗結(jié)果

海上油田常用的材質(zhì)為QT800型，外徑50.8 mm的連續(xù)油管壁厚為3.0 mm，按連續(xù)油管的剩余壁厚低于85%時報廢計算，當連續(xù)油管存在點蝕腐蝕深度超過0.45 mm時，整盤連續(xù)油管將作報廢處理。根據(jù)連續(xù)油管內(nèi)防腐工藝試驗的結(jié)果來看，在連續(xù)油管采用目前的防腐方法在存放室外的情況下，QT800連續(xù)油管的腐蝕速率為0.142 mm/a，即使不考慮連續(xù)油管在作業(yè)中的腐蝕問題，整盤連續(xù)油管將報廢時間約為3 a?？紤]連續(xù)油管的作業(yè)腐蝕和在運輸過程中的腐蝕等因素，實際使用過程中連續(xù)油管約2 a報廢，這與目前海上油田連續(xù)油管報廢時間基本一致。在連續(xù)油管內(nèi)防腐試驗后，連續(xù)油管的腐蝕速率從0.14 mm/a降低至0.05 mm/a，在不考慮連續(xù)油管的作業(yè)和運輸影響下，整盤連續(xù)油管的報廢時間約9 a，大大延長了連續(xù)油管使用壽命?？紤]連續(xù)油管的作業(yè)環(huán)境及運輸過程的影響，保守估計連續(xù)油管的使用壽命將從目前的2 a延長至4 a，具有較好的經(jīng)濟效益。此外，連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝降低了連續(xù)油管的腐蝕速率，有效保證了連續(xù)油管的作業(yè)安全，降低了連續(xù)油管發(fā)生井下復雜事故和作業(yè)安全事故的可能性。

4 結(jié)論

1) 海上連續(xù)油管掃描電鏡及腐蝕產(chǎn)物X射線能譜分析結(jié)果表明，連續(xù)油管表面腐蝕表現(xiàn)為坑蝕，主要由Fe元素吸氧腐蝕造成。

2) 根據(jù)連續(xù)油管腐蝕原因，制定了內(nèi)防腐薄膜鈍化防腐策略，研發(fā)了由介質(zhì)油Y-2、緩蝕劑HS-3、滲透劑、互溶劑和成膜劑組成的防腐劑FF-1，室內(nèi)實驗評價結(jié)果表明，所研發(fā)的防腐劑FF-1具有良好的防腐性能，可滿足現(xiàn)場作業(yè)需要。

3) 以研發(fā)的防腐劑FF-1為基礎，建立了連續(xù)油管內(nèi)防腐處理工藝流程，并進行了現(xiàn)場應用試驗，結(jié)果表明本文建立的內(nèi)防腐處理工藝可顯著降低QT800型材質(zhì)連續(xù)油管腐蝕速率，能夠使連續(xù)油管的使用壽命延長一倍，具有較好的推廣應用價值。