表面處理工藝在海洋石油完井工具中應(yīng)用與實(shí)踐

劉曉峰，孔學(xué)云，黨萬(wàn)恒，梁振琪，閆 紳，齊海濤，李寶龍，嚴(yán)孟凱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

表面處理工藝在海洋石油完井工具中應(yīng)用與實(shí)踐

劉曉峰，孔學(xué)云，黨萬(wàn)恒，梁振琪，閆 紳，齊海濤，李寶龍，嚴(yán)孟凱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

主要針對(duì)海洋石油油氣田工況，開(kāi)展對(duì)合金鋼、不銹鋼等為主體材料的井下工具的表面處理工藝應(yīng)用研究，包括物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復(fù)合處理等技術(shù)，以提高井下工具的耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕和耐沖蝕性能。結(jié)果表明，物理氣相沉積技術(shù)在提高工具耐磨和耐沖蝕性能具有明顯優(yōu)勢(shì)；電鍍鎢合金技術(shù)在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優(yōu)勢(shì)，而QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)不僅在耐磨和耐沖蝕性具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，還適合解決不銹鋼螺紋黏扣、金屬密封等問(wèn)題。

表面處理工藝；海洋石油；完井工具；耐磨；耐腐蝕

海洋油氣田的開(kāi)發(fā)開(kāi)采環(huán)境和工況極其惡劣，一般油氣田中均含有H2S、CO2等腐蝕氣體以及S2-和Cl-的腐蝕離子，而且，在油氣井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，井下工具同時(shí)要承受拉力、壓力和扭矩等復(fù)雜交變應(yīng)力，同時(shí)，工具要經(jīng)受大排量和高流速的鉆完井液體、泥漿、攜砂液等沖蝕。因此，要求海洋石油井下工具具有強(qiáng)的抵御惡劣的工況的綜合性能，要求井下工具具有高強(qiáng)度和高耐磨、優(yōu)良自潤(rùn)滑性、耐腐蝕和耐沖蝕等綜合性能。鑒于對(duì)工具性能的高要求，單憑借優(yōu)選材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，須通配合材料表面處理工藝來(lái)提高材料的綜合性能。

1 表面處理技術(shù)

目前，提高海洋石油井下工具的耐磨、耐腐蝕和耐沖蝕性能的表面處理工藝主要有物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復(fù)合處理等技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年研究及應(yīng)用，對(duì)于合金鋼和不銹鋼而言，物理氣相沉積技術(shù)主要提高工件的耐磨和耐沖蝕性能，電鍍鎢合金技術(shù)在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優(yōu)勢(shì)，QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)更適合解決不銹鋼螺紋粘扣、金屬密封等問(wèn)題。

1.1 物理氣相沉積表面處理技術(shù)

物理氣相沉積表面處理技術(shù)（Physical Vapor Deposition）指的是用物理的方法將材料沉積在被鍍工件表面上的薄膜制備技術(shù)，通常簡(jiǎn)稱PVD技術(shù)。

選取材料為3Cr13、調(diào)質(zhì)處理（硬度為28HRC）的1#工件和2#工件，其中1#工件表面為鏡面（車削后拋光），2#工件表面稍粗糙（車削加工），1#和2#工件表面鍍陶瓷材料后的宏觀和微觀形貌如下圖1所示。

由圖1（a）、（b）和（c）可知，1#工件的表面鍍陶瓷后其光潔度明面高于2#工件，1#工件鍍陶瓷后表面平整光滑、致密、無(wú)顆粒或孔洞，且通過(guò)微觀組織觀察，表面粗糙度約32nm，表面平均微氏硬度1 900HV，涂層總厚度約14μm。

圖1 3Cr13材料試塊表面鍍陶瓷材料后的表面宏觀和微觀形貌

表面鍍陶瓷涂層材料，表面硬度可達(dá)1 500～2 000HV，涂層總厚度為13～15μm。表面鍍類金剛石超硬耐磨涂層材料，表面硬度可達(dá)2 000～3 000HV，涂層總厚度為0.5～2μm，類金剛石材料的自潤(rùn)滑性比較好，摩擦系數(shù)為0.02～0.04。涂層附著力大于60N。表面鍍陶瓷后的光潔度取決于工件原始光潔度。

1.2 表面鍍鎢合金處理技術(shù)

表面電鍍鎢合金是兼顧耐磨與防腐雙重性能的新型電鍍工藝，從目前應(yīng)用情況來(lái)看，電鍍鎢合金后鍍層硬度可達(dá)1100HV，對(duì)井下工具進(jìn)行表面電鍍鎢合金主要是提高其耐腐蝕性能。

選取常規(guī)井下工具材料110SS試樣，對(duì)其表面進(jìn)行鍍鎢合金處理后，再進(jìn)行耐H2S和CO2腐蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

模擬腐蝕環(huán)境及工況（較惡劣）：CO2分壓為11MPa，H2S分壓為5MPa，單質(zhì)硫含量為10g/L，模擬介質(zhì)中氯離子含量為80 000mg/L，pH值為4.5，溫度為160℃，試驗(yàn)時(shí)間168h。單孔試樣（1#樣）和雙孔試樣（2#樣）。

試驗(yàn)過(guò)程及評(píng)價(jià)方法：該試驗(yàn)是選用TFCZ-25/250型磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜進(jìn)行，裝上試樣后將高壓釜密封，通入高純氮除氧2h，隨后通入CO2和H2S，升溫升壓到設(shè)計(jì)工況，然后按照均勻腐蝕速率計(jì)算方法來(lái)評(píng)價(jià)其耐腐蝕性能。

均勻腐蝕速率的計(jì)算方法為：

式中：Δg為試樣的失重，g；

t為試驗(yàn)時(shí)間，h；

S為試樣面積，mm2；

γ為材料比重，g/cm3

vcorr，均勻腐蝕速率，mm/a。

試驗(yàn)結(jié)果分析：試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣從釜中取出，放入清洗液中清洗至腐蝕產(chǎn)物除凈為止，之后用自來(lái)水沖洗并用濾紙吸干后置于無(wú)水酒精或丙酮中侵泡3～5min脫水。脫水試樣經(jīng)冷風(fēng)吹干后，稱重并按照公式（1）計(jì)算均勻腐蝕速率，并用金相顯微鏡觀察腐蝕前后試樣形貌。

表1 表面涂鍍鎢鎳合金鍍層工具試片腐蝕速率計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

由圖2和圖3可知，去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物前的兩種規(guī)格試樣表面有少量較為致密的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，呈黑灰色。由圖4和圖5可知，去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物后的兩種規(guī)格試樣表面呈亮白金屬光澤，沒(méi)有出現(xiàn)明顯局部腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)NACE RP-0775-2005標(biāo)準(zhǔn)，兩種規(guī)格試樣在模擬腐蝕環(huán)境下屬于輕度腐蝕。

圖2 去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜前兩種規(guī)格試樣表面宏觀腐蝕形貌

圖3 去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜前兩種規(guī)格試樣表面SEM微觀腐蝕形貌

圖4 去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜后兩種規(guī)格試樣表面宏觀腐蝕形貌

圖5 去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜后兩種規(guī)格試樣表面SEM微觀腐蝕形貌

1.3 QPQ鹽浴爐復(fù)合處理技術(shù)

QPQ鹽浴爐復(fù)合處理技術(shù)的主要工序包括鹽浴氮化處理、氧化處理、拋光處理和第二次氧化處理四個(gè)過(guò)程。鹽浴氮化處理技術(shù)是核心，主要是將氮化鹽中氰酸根的分解而產(chǎn)生的活性氮原子滲入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴(kuò)散層。氧化處理主要是徹底分解工件從氮化爐帶出來(lái)的氰根（CN-），同時(shí)，在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，對(duì)提高耐磨性也有一定好處。拋光處理主要是去除氮化物層外面的疏松層，經(jīng)第二次氧化可以進(jìn)一步提高工件的抗腐蝕性和耐磨性。

對(duì)調(diào)質(zhì)4145H進(jìn)行QPQ處理，并檢測(cè)處理前后表面硬度及有效硬化層厚度，見(jiàn)表2。

表2 2Cr13QPQ處理前后性能參數(shù)

圖6 2Cr13 QPQ處理后微觀組織圖

對(duì)調(diào)質(zhì)4145H進(jìn)行QPQ處理，處理后硬度較處理前硬度提高5倍，有效硬化層厚度約66μm。

QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)具有滲氮、氧化、拋光等工序特點(diǎn)，在工件表面可形成高硬度滲氮層和氧化層，且處理后工件表面光潔度高，可應(yīng)用在金屬密封面處理、不銹鋼和鎳基合金等材料螺紋處理。

2 工具表面處理耐沖蝕性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

本次試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)4145基材的完井工具，在模擬壓裂充填完井作業(yè)工況（高砂比、大排量）下，表面進(jìn)行磷化和QPQ處理的工具的耐腐蝕和耐沖蝕性能。

2.1 試驗(yàn)方案

沖蝕試驗(yàn)完全模擬9-5/8"套管井多層礫石充填作業(yè)工藝，選取沖蝕管柱段為“液體由充填孔出來(lái)，進(jìn)入充填短節(jié)和延伸筒環(huán)空，并經(jīng)滑套孔進(jìn)入滑套、滑套密封筒與套管環(huán)空”這段。管柱主要由內(nèi)層、中層和外層3層工具串組成，管柱上下端通過(guò)變扣、短節(jié)和堵頭進(jìn)行管柱配套。

由批混撬出來(lái)的攜砂液，經(jīng)過(guò)兩臺(tái)泵泵入沖蝕管柱，然后再回到批混撬，對(duì)管柱進(jìn)行連續(xù)循環(huán)沖蝕。沖蝕方案流程圖和沖蝕管柱圖如圖7所示。

圖7 沖蝕試驗(yàn)管柱圖

2.2 試驗(yàn)要求及參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓裂充填實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)。介質(zhì)為水和石英砂，石英砂粒度40～60目，打砂泵排量22bpm，砂比2PPg（混砂撬體積已知，折算砂子量2875lbs），折算沖蝕時(shí)間約7h，累計(jì)泵入砂子約500 000Lbs。

沖蝕管柱分兩趟，①被沖蝕管柱工具表面進(jìn)行磷化處理；②被沖蝕管柱工具表面進(jìn)行QPQ處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2016年6月，在中海油鉆采試驗(yàn)培訓(xùn)基地進(jìn)行壓裂充填完井管柱沖蝕試驗(yàn)（見(jiàn)圖8）。

將試驗(yàn)管柱工具與設(shè)備連接，并進(jìn)行管柱試壓（35MPa，穩(wěn)壓10min），先用清水逐漸開(kāi)泵至22bpm，進(jìn)行管線及工具試運(yùn)行，然后將批混撬逐步加砂至約3000lbs（2ppg），累計(jì)泵入砂子約500 000Lbs，試驗(yàn)結(jié)束，停泵。拆卸設(shè)備、管柱及工具，并將工具運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行沖蝕結(jié)果分析。

圖8 沖蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

2.3.1 沖蝕情況宏觀分析

充填短節(jié)、充填孔等表面沖蝕宏觀形貌圖如圖9所示。

圖9 充填孔宏觀沖蝕形貌

由上圖9所示，充填短節(jié)上的充填孔下端、以及充填孔正對(duì)延伸筒是整個(gè)管柱沖蝕最嚴(yán)重的地方，有明顯的變形和沖蝕缺口。其中表面進(jìn)行QPQ處理的充填短節(jié)上，充填孔下端的表面硬化層在已經(jīng)沖蝕脫落。

表面進(jìn)行磷化處理的工具有明顯銹蝕，而表面進(jìn)行QPQ處理的工具表面基本沒(méi)有銹蝕，表明QPQ處理表面具有很好的耐腐蝕性。

由下圖10可知，表面QPQ處理的滑套較表面磷化處理的滑套掛攜砂液少，說(shuō)明QPQ處理后工具表面具有很好的自潤(rùn)滑性。沖蝕后滑套表面及滑套孔宏觀上沒(méi)有明顯變化，但是，對(duì)沖蝕后的滑套進(jìn)行密封測(cè)試（35MPa，穩(wěn)壓10min），表面磷化處理的滑套不能密封，而表面QPQ處理的滑套能夠密封。

2.3.2 滑套沖蝕后密封性能測(cè)試

圖10 QPQ處理滑套宏觀沖蝕形貌

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

借鑒工具沖蝕試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)壓裂充填完井關(guān)鍵工具進(jìn)行QPQ表面處理，整套工具于2016年8月在渤海CFD12-1區(qū)塊某井進(jìn)行壓裂充填防砂作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)期間，自主化壓裂充填工具性能穩(wěn)定可靠，壓裂充填作業(yè)累計(jì)泵入砂量18 000Lbs，充填系數(shù)600Lbs/ft，盲管埋高18ft，充填效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常用海洋石油完井工具材料表面處理工藝試驗(yàn)和研究，得出如下結(jié)論：

1）物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復(fù)合處理等技術(shù)都可以提高材料表面硬度，但是，又各自有各自的適應(yīng)特性，物理氣相沉積技術(shù)在提高工具耐磨和耐沖蝕性能具有明顯優(yōu)勢(shì)；電鍍鎢合金技術(shù)在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優(yōu)勢(shì)，而QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)不僅在耐磨和耐沖蝕性具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，還適合解決不銹鋼螺紋黏扣、金屬密封等問(wèn)題。

2）常用井下工具4145材質(zhì)進(jìn)行表面QPQ工藝應(yīng)用研究，并通過(guò)模擬壓裂沖蝕試驗(yàn)得知，4145材料經(jīng)QPQ處理后，其硬度、耐腐蝕性能、耐沖蝕性能和自潤(rùn)滑性能均顯著提高，QPQ處理后的完井工具滿足壓裂充填作業(yè)要求。

Surface Treatment Technology Used in Offshore Oil Well Completion Tools and Practices

Liu Xiao-feng，Kong Xue-yun，Dang Wan-heng，Liang Zhen-qi，Yan Shen，Qi Hai-tao，Li Bao-long，Yan Meng-kai
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China）

According to the working condition of Marine oil and gas fields，this article mainly researched surface treatment technology of conduct of alloy steel and stainless steel as the main material of downhole tools，including physical vapor deposition，electroplating tungsten alloy，QPQ salt bath composite processing technology，to improve downhole tools wear resistance，selflubricating，corrosion resistance and erosion resistance performance.The results show that the physical vapor deposition technology has obvious advantages of improving tools in wear and erosion resistance.Tungsten alloy electroplating technology also has obvious advantages of improving the tools incorrosion resistance，while QPQ salt bath composite processingtechnology not onlyhas an advantage in wear resistance and erosion resistance，meanwhile，it is suitable for solving the problem of stainless steel threaded buckle，metal seal etc.

surface treatment technology；marine oil；completing tool；wear-resisting；corrosion resistance

TE254.3

B

1003–6490（2017）03–0033–03

2017–03–09

劉曉峰（1983—），男，山西晉中人，中級(jí)工程師，主要從事石油工具研發(fā)工作。