鎢合金鉆桿在油田中的應(yīng)用前景研究

張少舜，張長科，鞠 輝，王二立

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊，湖南 株洲 412000；2.湖南納菲爾新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410000）

鉆桿是地質(zhì)勘探和油氣田開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備十分重要的構(gòu)件，在作業(yè)過程中受力情況十分復(fù)雜，其中疲勞失效、腐蝕失效、過載失效、應(yīng)力腐蝕失效、脆性斷裂失效、機械損傷失效和產(chǎn)品缺陷是鉆桿失效的主要原因[1]。據(jù)統(tǒng)計75%～80%的鉆桿失效是由于腐蝕引起的[2]。目前鉆桿主要使用有機內(nèi)涂層（TK34、TC2000等），作為防腐表面處理的技術(shù)手段。有機涂層具有良好的防腐蝕性能，在一定程度上解決了鉆桿內(nèi)壁腐蝕問題。由于有機內(nèi)涂層的自身性能特點限制，在使用中存在易被泥漿中攜帶的沙石損傷、老化脫落等問題導(dǎo)致涂層防護失效問題[3]。針對上述問題，我們設(shè)計開發(fā)了一種新型的防腐蝕鉆桿，該新型防腐鉆桿的整體設(shè)計方案為：在普通鉆桿內(nèi)、外表面電沉積一定厚度的鎢合金，從而使鉆桿表面獲得了鎢合金的各項性能。鎢合金鍍層具有高耐磨性、高耐腐蝕特性，可以適用于H2S、Cl-、CO2等腐蝕環(huán)境中，完全滿足鉆桿使用對于防腐蝕的需求，在鉆桿防腐蝕領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 鎢合金鉆桿技術(shù)特性

鎢合金鉆桿是在普通鉆桿內(nèi)、外表面電沉積一層鎢合金，從而使鉆桿表面具有了鎢合金的各項性能。鎢合金具有高耐磨性、高耐腐蝕特性，可以適用于H2S、Cl-、CO2等高腐蝕環(huán)境中，滿足鉆桿使用對于防腐蝕的需求。

1 鎢合金鉆桿技術(shù)特性

1.1 形貌及成分

鎢合金因其特殊的沉積條件，在合金化過程中形成了非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)的鍍層結(jié)構(gòu)具有近程有序、長程無序的特性，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)無晶界，位錯等晶體缺陷，這也是鎢合金具有優(yōu)異性能的重要原因[4]。鍍層表觀光亮平滑、結(jié)構(gòu)致密、均勻覆蓋能力良好，可以有效保護基材不受腐蝕介質(zhì)侵蝕。

圖1 鎢合金表觀微觀形貌及截面微觀形貌

表1為鎢合金鍍層表面熒光光譜分析結(jié)果，結(jié)果顯示，鎢合金主要組成成分為鎳和鎢，并含有少量的鐵、磷等合金元素。

表1 鎢合金表面熒光光譜分析結(jié)果

1.2 耐腐蝕性

鎢合金鍍層具有優(yōu)異的耐Cl-、H2S、CO2等多種介質(zhì)的耐腐蝕性能，針對石油鉆采的復(fù)雜腐蝕環(huán)境工況，參照NACE RP-0775-2005標(biāo)準(zhǔn)，模擬四川元壩氣田腐蝕工況對鎢合金耐腐蝕性能進行檢測,工況條件見表2。

表2 耐腐蝕性檢測工況條件

檢測結(jié)果如表3所示，在嚴苛工況條件下鎢合金樣品無明顯腐蝕變化，腐蝕速率0.0094mm/a，耐腐蝕性能達到高級耐腐蝕合金級別。

表3 鎢合金模擬工況腐蝕試驗結(jié)果

試樣清洗后去除表面腐蝕產(chǎn)物后從試樣表觀及微觀形貌（圖2）可以看出鎢合金試樣均呈亮白金屬光澤，無明顯點蝕現(xiàn)象。

圖2 鎢合金試樣去除腐蝕產(chǎn)物后的宏觀及微觀形貌

1.3 優(yōu)秀的耐磨性能

鎢合金具有高的表面硬度，鍍態(tài)硬度可達550Hv，經(jīng)過不同溫度的熱處理后，鎢合金硬度可高達950Hv。從圖3硬度壓痕圖可以看出壓痕呈完整菱形，無邊角開裂及塌陷現(xiàn)象，表明鍍層韌性良好。且經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟛挥绊戞u合金的耐腐蝕性能。高的表面硬度和良好的鍍層韌性使鎢合金具有優(yōu)異的耐磨性能，鎢合金在邊界潤滑條件下的摩擦系數(shù)與硬鉻相當(dāng)，與摩擦副線性磨損量優(yōu)于鍍鉻[5]。

表4 不同熱處理溫度下鎢合金鍍層硬度

圖3 鎢合金硬度測試壓痕圖

1.4 高結(jié)合強度

鎢合金鍍層與基體結(jié)合強度高，依據(jù)GB/T 5270標(biāo)準(zhǔn)檢測鎢合金結(jié)合強度，采用彎曲法進行檢測，從圖4可以看出，彎曲后鍍層無開裂、脫落現(xiàn)象，說明鎢合金與基體具有極高的結(jié)合強度，可以在復(fù)雜受力條件下對基材形成有效的保護作用。

圖4 鎢合金結(jié)合強度彎曲試驗

2 鎢合金在石油鉆采中應(yīng)用情況

鎢合金因其特有的性能特點，具有優(yōu)異的抗H2S、CO2以及Cl-腐蝕性能，經(jīng)過公司多年的試驗研究，已經(jīng)成功開發(fā)出鎢合金抽油桿、油管、襯管等系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品在油田中已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用，并且獲得了良好的反饋。

2009年鎢合金H級抽油桿15500m在塔里木油田哈拉哈塘地區(qū)HA12-1、HA702、HA701、HA13井進行下井作業(yè)實驗，該地區(qū)井深在3000m以上，在含有99900mg/L的Cl-和8.9903%的H2S的惡劣腐蝕環(huán)境下，普通抽油桿平均使用壽命不超過3個月，鎢合金抽油桿在該區(qū)塊應(yīng)用正常運行超過36個月，取得了巨大的突破[5]。

鎢合金油管自2006年11月首次在勝利油田孤島采油廠GD3-14-9井開展現(xiàn)場試驗并獲得成功后，鎢合金油管產(chǎn)品迅速在各大油田推廣，目前已經(jīng)在勝利油田、南陽油田、青海油田等多個油田取得了規(guī)模化應(yīng)用[6]。

鎢合金襯管已經(jīng)在元壩海相YB27-3H和YB10-1H井取得下井應(yīng)用，應(yīng)用情況良好。其中YB10-1H井完井鉆井深度7749m（垂深6714.24m），鎢合金襯管下深7307.39m～7747.76m；YB27-3H井完鉆井深7626m（垂深6525.31m），水平段長：838m，鎢合金襯管下深6581.07m～7029.72m[7]。

3 鎢合金鉆桿的優(yōu)勢及應(yīng)用前景

隨著石油、天然氣油氣消耗量的增大，陸地深層和海洋油氣資源的已經(jīng)成為提高油氣勘探開發(fā)效益、提高石油公司競爭力的重要手段。基于勘探向深井、超深井、含H2S和CO2油氣井、海洋井等復(fù)雜井的發(fā)展，開發(fā)適合復(fù)雜井況勘探開發(fā)的鉆桿成為必然趨勢。各大石油機械設(shè)備制造商也在積極探索開發(fā)新的鉆桿產(chǎn)品，鋁合金、鈦合金等高端鉆桿也已經(jīng)陸續(xù)在油田取得了應(yīng)用[8-10]。但合金鉆桿的高昂價格也帶來了油氣開采成本的上升。鎢合金鉆桿的優(yōu)異性能和高性價比使其在復(fù)雜井況開采具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 鎢合金鉆桿的優(yōu)勢分析

①耐腐蝕性能優(yōu)異，鎢合金鉆桿具有耐Cl-、H2S、CO2以及多介質(zhì)復(fù)雜工況腐蝕的優(yōu)異性能，滿足油氣高含H2S、CO2油氣井以及海洋井開發(fā)對材料耐腐蝕性的需求。②鍍層表面硬度高，具有高耐磨損性能，有效解決了施工過程中鉆井液攜帶沙石沖刷局部破壞防腐層從而造成點蝕甚至穿孔的失效問題。③鎢合金層與基體間結(jié)合為原子鍵結(jié)合，具有超高的結(jié)合強度，在復(fù)雜受力及大幅度冷熱交替工況下能保證鍍層的完整性和粘附性，不會出現(xiàn)鼓泡、脫落等失效問題。④鎢合金具有優(yōu)秀的耐高溫性能，在500℃以下使用鍍層性能不發(fā)生改變，能良好的適應(yīng)深井、超深井高溫、高壓的作業(yè)環(huán)境，對鉆桿性能有效的保護作用。⑤鎢合金鉆桿是在普通鉆桿表面進行電沉積加工，制作成本較合金材料鉆桿具有明顯的優(yōu)勢，可以大幅降低復(fù)雜油氣開采成本，提升企業(yè)的競爭力。⑥鎢合金屬于環(huán)境友好型新技術(shù)，工藝加工過程無有毒有害物排放，污水治理簡單，可實現(xiàn)污水的全循環(huán)，整個生產(chǎn)過程無生產(chǎn)性污水排放。

基于上述分析，鎢合金鉆桿在是復(fù)雜井況勘探開發(fā)的優(yōu)選方案，在油氣開采領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2013年7 月鎢合金鉆桿在中海油湛江基地番禺35-1-A3井成功取得下井應(yīng)用試驗，該井使用鉆井液體系為PDF-PLUS/KCL體系，pH值8.5-9.5。該井鉆進所使用鎢合金鉆桿整體使用情況良好，未出現(xiàn)腐蝕問題。鉆桿使用耐腐蝕性優(yōu)異滿足工況需求，但使用中仍然存在一些未能夠預(yù)測到的問題，由于鉆桿外壁鍍覆鎢合金后表面硬度大幅提升，在起下鉆過程中出現(xiàn)了卡瓦咬合打滑現(xiàn)象，這是后期產(chǎn)品設(shè)計所需要考慮解決的問題。

4 結(jié)論

（1）鎢合金鉆桿在保持了鋼制鉆桿優(yōu)秀的機械性能，同時具有優(yōu)異的耐Cl-、H2S、CO2以及其多介質(zhì)復(fù)雜工況腐蝕性、高耐磨損性能、高結(jié)合強度、耐高溫性能優(yōu)良等，是目前復(fù)雜井況油氣開采的優(yōu)秀選擇方案。并且其加工工藝環(huán)境友好，整體加工成本遠低于合金鉆桿，大幅節(jié)約復(fù)雜井況油氣開采成本，具有巨大的應(yīng)用前景和推廣應(yīng)用價值。

（2）鎢合金鉆桿的性能優(yōu)勢突出，具有廣闊的市場前景。然而石油鉆采是一個復(fù)雜的作業(yè)過程，需要各方面協(xié)同配合，鎢合金鉆桿的應(yīng)用還需要進行深入的下井作業(yè)研究，解決在現(xiàn)場作業(yè)中可能面臨的一些問題。