稀土鈦納米涂層油管在長慶油田的應用

(川慶鉆探工程有限公司 工程技術研究院,西安 710018)

長慶油田地處陜甘寧盆地,作為“三低”油田,為了穩產、挖潛增效,治理油管腐蝕損壞井已成為油田各區塊工作的重中之重[1]。本工作以某油井的腐蝕情況為例進行說明。該井屬產出水(污水)回注井,井深2 500m,井底溫度約為75 ℃,注水壓力16 MPa。經檢測,產出水的pH為7.04,電導率為66.6 mS/cm,采出水中各種離子的含量如表1所示。2015年9月29日檢串時發現,因回注水礦化度高、腐蝕性強,起油管斷成3截,油管腐蝕、結垢十分嚴重,取出的油管不能再用,所以全井更換260根有機內涂層防腐蝕油管。2016年11月初進行檢串酸化作業時發現,管串入井僅13個月其螺紋連接處(絲扣)就發生了特別嚴重的腐蝕、結垢,如圖1所示,有多根管發生腐蝕穿孔。機械除垢后更換17根新的有機內涂層防腐蝕油管，完成該井作業。

表1 采出水中的離子含量Tab.1 Ion concentration in produced water mg/L

圖1 取出油管腐蝕情況Fig.1 The corrosion of removed pipe

目前,針對油管腐蝕的防護措施有采用抗腐蝕管材、陰極保護、注入緩蝕劑以及涂層防腐蝕[2]。采用抗腐蝕管材是最有效的防腐蝕方式,但由于成本太高,除了特殊環境外,很少使用。陰極保護方法操作工藝復雜,易受方案設計時所需基本參數準確度及現場環境的影響,且作業成本較高,所以也未能廣泛推廣。注入緩蝕劑進行防腐蝕,具有經濟、適應性強、效率高等優點,但因為緩蝕劑流失太大,加藥頻繁,而且加藥裝置過多,因此許多油氣田已經不單一采用這種防腐蝕方式了。現在許多油氣田采用有機材料涂層用于井下油管內壁防腐蝕,該防腐蝕技術是將有機防腐蝕涂料通過特殊的工藝噴涂到油管內壁上,該涂料通過物理、化學吸附作用附著在油管的內表面,起到保護油管免受腐蝕的目的。該技術具有涂層針孔少、涂抹光滑、施工容易、管壁不易結垢等優點,但是涂層在使用過程中易受不同程度的磨損,一旦涂層破損,涂層防腐蝕的效果將大打折扣,甚至會加速腐蝕。長慶油田所用油管就存在防腐蝕涂層與管材基體結合不夠強,在高溫、含H2S、CO2等苛刻的油井環境中容易出現涂層鼓泡、破損、脫落的情況,使涂層失去保護管材的作用。所以,開發附著力強、耐腐蝕性能好的新型防腐蝕涂層成為亟待解決的問題。

近年來,由于普通防腐蝕涂料應用效果不佳,稀土鈦納米涂料受到越來越廣泛的關注[3-4]。與普通防腐蝕涂料相比,稀土鈦納米涂料有附著力強、抗滲透能力強、耐腐蝕性能好和防垢性好等優點。

因此,本工作將稀土鈦納米涂層油管應用于長慶油田,并通過相關試驗對其應用效果進行了研究,以期減輕長慶油田油管的腐蝕,減少經濟損失。

1 試驗

1.1 現場試驗

為了本次現場試驗,專門從外油田引進2根稀土鈦納米涂層油管。其中一根油管的內防腐蝕采用了稀土鈦納米涂層(簡稱稀土鈦納米內防腐蝕管),另一根油管的內防腐蝕和絲扣防腐蝕采用稀土鈦納米涂層、外防腐蝕采用普通有機涂層(簡稱稀土鈦納米內外防腐蝕管)。為了有針對性地檢驗稀土鈦納米涂層油管在長慶油田腐蝕嚴重區塊的適用性,專門選擇礦化度高、腐蝕性強、結垢嚴重等工況相對惡劣的井作為試驗井。將2根稀土鈦納米涂層油管與其他油管一同放入井中,194 d后從井中取出,在現場對油管進行外觀及剖開檢查,對比稀土鈦納米涂層油管與其他油管的腐蝕情況。

1.2 實驗室加熱試驗

現場試驗完成后,將從現場取出的原井管(原井以前使用的一種防腐蝕涂層油管,簡稱原井管)與稀土鈦納米涂層油管截斷剖開后分別在水浴鍋中進行加熱處理(加熱72 h)。水浴鍋中壓力為常壓,對原井管的加熱溫度為70 ℃,對稀土鈦納米涂層油管的加熱溫度為95 ℃。試驗前,油管經表面處理(用木片刮去油管表面污垢)后才放入水浴鍋。在試驗進行至10、24、48、72 h時分別觀察和記錄油管表面的形貌及涂層的完整程度,并及時處理表面的污垢。

為了研究稀土鈦納米涂層油管在高溫下的使用效果,通過刀挑法檢測加熱處理后涂層的附著力變化。具體操作為用美工刀在油管內壁的涂層上劃網格,然后用刀尖從破損處挑起涂層,觀察涂層變化。若被劃破的涂層難以挑起,說明涂層漆膜附著力強;若涂層易挑起甚至脫落,則表明涂層的附著力較差。

2 結果與討論

2.1 現場試驗

現場試驗結束后,在現場對2根稀土鈦納米涂層油管以及與之相鄰的1根原井管進行外觀及截斷剖開檢查,結果如圖2～4所示。

(a) 原井管

(b) 稀土鈦納米涂層油管圖2 現場試驗后原井管和稀土鈦納米涂層油管的外觀形貌Fig.2 Appearance of original well pipe (a) and (b) rare earth titanium nano coating pipe

從圖2外觀檢查得知,原井管與稀土鈦納米內防腐蝕管的外壁形貌差別不大,稀土鈦納米內外防腐蝕管的外壁腐蝕相對較輕。原井管的管口結垢情況嚴重,結垢最厚處達15 mm,而2根稀土鈦納米涂層油管的管口基本沒有垢存在。這表明稀土鈦納米涂層能夠有效抑制管口結垢,其中稀土鈦納米內外防腐蝕管的外壁更耐蝕。

原井管截斷剖開后可見,其內壁被深褐色的鐵銹和垢覆蓋,如圖3(a)所示。垢的質地較軟,用PVC軟塑料可以慢慢清除掉,同時相當一部分涂層和垢一起脫落下來，即使涂層沒有脫落的區域,也看不到涂層的本來面目,且放置數天后原本沒有脫落的涂層從邊緣自動翹起,稍微一碰就脫落,基材上有生銹的痕跡。結果表明,原井管的內涂層在194 d后已經基本失去對油管內壁的保護能力,油管腐蝕嚴重。

稀土鈦納米涂層油管截斷剖開后發現,其內壁上有一層薄薄的黑垢,如圖3(b)所示。垢的質地很軟且與涂層的結合力非常小,用毛刷輕輕觸碰即可大片大片脫落。將油管內壁用水槍沖洗后,涂層絲毫無損,將水擦干后油管內壁光亮如新。

兩種油管內壁清除垢后的形貌對比如圖4所示。可以看出,稀土鈦納米涂層油管的涂層與基體結合更緊密,在較為苛刻的井下環境中194 d后仍然完好無損,能夠很好地保護基體管材,大大延長油管的使用壽命。

2.2 實驗室加熱試驗

由圖5可以看出:在常壓、水溫70 ℃條件下,原井管的涂層隨著加熱時間延長不斷脫落,破壞非常嚴重;加熱72 h后,只有中央凹面的涂層還較為完整。對試驗72 h后中央凹面處的涂層進行附著力檢測,結果發現涂層一整片剝離下來,如圖6所示。這表明在常壓、水溫70 ℃條件下加熱72 h后,原井管涂層的附著力已達不到試驗要求。由此可見,原井管的涂層在溫度較高的井中無法起到保護管材基體免受腐蝕的作用。

(a) 原井管

(b) 稀土鈦納米涂層油管圖3 原井管和稀土鈦納米涂層油管截斷剖開后形貌Fig.3 Profile of the original well pipe (a) and rare earth titanium nano coating pipe (b) after cutting off

圖4 兩種油管內壁清除垢后的形貌Fig.4 Morphology of the inner wall of two oil pipes after scale removal

圖5 加熱處理后原井管內壁的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of inner walls of original well pipe after heating

圖6 附著力檢測后原井管內壁的形貌Fig.6 Morphology of inner wall of original well pipe after adhesion testing

從圖7中可以看出:稀土鈦納米涂層油管內壁較為光滑,結垢明顯比原井管的少;在常壓、95 ℃條件下,隨著加熱時間的延長,油管內壁的形貌幾乎沒有變化,即使加熱72 h后,涂層仍保持完整。對試驗72 h后的油管內壁涂層進行附著力檢測,結果發現涂層漆膜附著力非常強,不會脫落,如圖8所示。這表明稀土鈦納米涂層油管的涂層能夠耐受至少95 ℃的高溫,可在更深的高溫井中起到很好的防腐蝕效果。

圖7 加熱處理后稀土鈦納米涂層油管內壁的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of inner walls of rare earth titanium nano coating pipe after heating

圖8 附著力檢測后稀土鈦納米涂層油管內壁的形貌Fig.8 Morphology of inner walls of rare earth titanium nano coating pipe after adhesion testing

通過對比可知,原井管在常壓、70 ℃環境下加熱72 h后涂層就已經失去防腐蝕功能,不能用于井下溫度大于70 ℃的環境。而稀土鈦納米涂層油管在常壓、95 ℃環境中保持完整,由于井下溫度隨著井深的增加而升高,所以該油管可用于更深的井。而且通過改變涂料配方可使油管涂層表面更加光滑,更不易結垢。

2.3 經濟性分析

稀土鈦納米涂層油管的造價比普通防腐蝕油管的價格低10%以上。由于稀土鈦納米涂層具有極強的防垢、抗蝕耐磨等優越性能,克服了常規管材易結垢、易腐蝕、壽命短的缺陷,經稀土鈦納米涂料涂覆后油管的使用壽命比普通油管延長了2～3倍(根據外油田實際使用情況綜合評定)。

按生產100萬m2油管計算,稀土鈦納米涂層油管可以比普通防腐蝕油管節約涂覆成本800余萬元;按延長壽命2倍計算,稀土鈦納米涂層油管可節約管材費用6 000萬元(報廢油管殘值已按50%計算)。合計節約費用6 800余萬元。另外,在運輸、作業費、影響生產、庫存管理費等其他費用也有所節約。

3 結論

(1) 經過194 d現場試驗后,與原井管相比,稀土鈦納米涂層油管表面光滑,不易結垢,且涂層幾乎無破損,與基體管材結合非常緊密,能夠很好地保護管材免受或減輕腐蝕。

(2) 原井管在70 ℃下加熱72 h后,涂層已完全失去保護能力。而稀土鈦納米涂層油管在95 ℃下加熱72 h后,涂層仍然保存完整,且與基材結合力較強。因此,這種油管可在深度更深、溫度更高的井中使用較長時間。

(3) 按生產使用100萬m2稀土鈦納米涂層油管計算,可節約涂覆成本、管材消耗等費用共計約6 800萬元。