油氣田防腐鉆采油管桿應用現狀和發展趨勢

韓志宏

摘 要：我國部分油田進入高含水期開采，許多新油管下井一年后即發生穿孔，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逐年增大，一個油田每年需花費數億元費用。因此，研究開發適合國內需要的防腐鉆采油桿十分必要。該文對防腐鉆采油桿的國內外應用現狀和發展趨勢進行了概述，并提出了技術建議。

關鍵詞：油田 防腐鉆采油管桿 應用 發展

中圖分類號：TE257 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0019-01

1 我國石油鉆桿的腐蝕情況

隨著國家經濟發展對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；深井開發導致溫度和壓力提高；油井開發中CO2、H2S和Cl-含量不斷上升。許多油氣井的pH值高達1-2、CO2和H2S氣體含量分別高達10%和95%、Cl-含量高達300000ppm。許多新油管桿下井不到一年即發生穿孔；兩年左右即發生腐蝕斷裂，造成內部堵塞，壓力下降，產量下降。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和更換費用逐年增大。勝利油田、遼河油田、大慶油田等已進入特高含水開發期，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鋼質管材腐蝕十分嚴重，平均腐蝕速率為1～7 mm/a。中原油田因水質偏酸性且極不穩定引發腐蝕，直接由腐蝕引起的鉆具報廢占50%以上，造成的直接經濟損失每年1億元，間接經濟損失達2億元以上。國內外因造成油氣管腐蝕穿孔引起火災和爆炸，造成巨大損失的報道也屢見不鮮。

2 油管桿防腐蝕主要防護措施

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，但造價太高，不適合批量應用。

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

（3）玻璃鋼等非金屬材料：強度和承壓能力差，不適合單獨使用。

（4）普通鋼+非金屬覆蓋層和襯里：采用內壁涂覆涂層或襯里，常規涂層和襯里在高溫高壓強腐蝕環境中易剝離脫落，導致局部腐蝕。

由于目前國內性能優異的耐高溫高壓酸汽重防腐內涂層研發應用幾乎是沒有取得重大進展，在油管桿中應用較少。因此，針對高溫、高壓、強腐蝕介質及多相流環境，開發價格適中、防腐性能優異的油管桿內涂層十分重要。由此可見，內襯復合涂層是防止鉆具、油管桿腐蝕的有效方法。根據油田鉆采狀況，要求內襯涂層應具有優異的附著力、抗沖擊性、耐磨性和耐高溫高壓酸性介質腐蝕的特點。內襯納米復合涂層應明顯提高油管桿使用壽命，提高管內壁的流體效率，提高鉆井工作效率。使用納米改性內防腐防污涂層技術處理過的油管，應減少油井作業次數，增加油井的檢修周期，提高油井的產量。

3 國內外發展現狀

現采油鉆具、油管桿的防腐涂層和內襯材料的主要成分是環氧聚合物、乙烯基酯聚合物、氟碳聚氨酯聚合物等，它們長期耐溫可達到80～120 ℃。環氧基和乙烯基酯等聚合物的分子結構上基團間隙較大、交聯密度小；且其分子結構上含有大量羥基和酯基等薄弱基團，易被腐蝕介質進攻破壞。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腐蝕環境中，環氧、乙烯基酯、氟碳聚氨酯聚合物的分子結構在100 ℃以下即發生嚴重降解破壞，與金屬基材剝離脫落。常用的鉆桿內襯材料（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）環境中使用幾個月即發生嚴重腐蝕和結垢。美國先進聚合物公司研制的環硅聚合物具有優異的耐高溫油氣酸汽滲透腐蝕的性能，其分子結構上沒有羥基、酯鍵等薄弱基團，僅有醚鍵這種高耐蝕、柔韌性好的連接鍵，且交聯密度高。環硅聚合物內襯油管防腐材料在國外油田和脫硫裝置上已成功應用，效果較為理想，但由于其價格十分昂貴，是國內油管內涂層價格的幾十倍，未在國內油氣田推廣使用。

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

4 開發防腐油管桿的幾點建議

目前油氣田的鉆采油管桿一般采用環氧涂層、酚醛環氧涂層、氟碳聚氨酯涂層和乙烯基涂層等對鉆采油管桿進行內防腐處理。它們在幾兆帕的中溫弱酸環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-）環境中防腐防垢性能差，遠達不到要求。研究解決鉆采油管桿內表面高溫高壓油氣酸汽腐蝕問題，可利用納米改性復合內涂層使鉆采油管具有防腐、防垢、抗菌和節能等多種功能。可采取以下幾種技術措施開發新型防腐油管桿。

（1）設計間苯酚環氧-復合胺聚合物的分子結構，研究其分子結構、玻璃化溫度和固化交聯度對改性間苯酚環氧-復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條件。

（2）利用納米金屬氧化物母液對間苯酚環氧-復合胺聚合物體系進行納米改性，實現對內涂層結構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內涂層表面張力和表面能的降低效應。利用表面張力儀測試分析納米母液對改性間苯酚環氧-復合胺內涂層阻垢防污效果的影響；按照JC/T897-2002標準測試分析納米復合內涂層的抗菌功能；按照ASTMD4060標準測量納米復合內涂層的耐磨性能。

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

（5）參照SY/T5951-94標準（環氧酚醛防腐油管技術條件）對納米復合內涂層體系進行污水煮、土酸浸泡、耐熱性、柔韌性、附著力、耐沖擊強度試驗。

（6）對油管桿內涂層進行耐熱沖擊性能和冷熱循環試驗，分析納米改性間苯酚環氧-復合胺內涂層耐激冷激熱性能。

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

參考文獻

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