石油鉆機固控系統抗腐蝕裝置的設計與應用

龔治濱，芮 暉，代炳曉，王 皓

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北滄州 062450；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000；3.中國石油集團渤海裝備制造有限公司石油機械廠，河北滄州 062552）

0 引言

鉆井作業時，在鉆頭不斷鉆進的過程中，巖屑會被鉆井液帶回地面，此時的鉆井液中含有的大顆粒巖石，無法直接重復利用。為了節約成本，可以將鉆井液中的固體按照其顆粒的直徑，一步一步地全部去除掉，然后對處理后的鉆井液成分再次配比，最終達到可以重復利用的目的。固控系統就是實現此過程的裝備。在實際生產中，固控系統很容易被鉆井液腐蝕。

1 問題

伊拉克哈法亞油田采用的是氯化鉀體系鉆井液。鉀鹽鉆井液為水基鉆井液，通過調解鉀鹽含量可以對各種泥頁巖起到水化膨脹及坍塌的作用，優點是適用范圍廣泛，有防坍、抗鹽、抗污染的特性。但該體系的鉆井液由于其成分的復雜性和多樣性，也更加容易產生對固控系統的腐蝕。

目前哈法亞油田鉆井工作量持續飽滿，原有的鉆機固控循環系統由于常年使用氯化鉀體系鉆井液，均出現設備本體銹蝕、罐面強度下降、內部管線銹蝕導致工藝流程不完善的情況。國內固控循環罐在早期制造過程中，在防腐涂裝工藝方面進行了大量的嘗試，但仍然未改變4～5 年后腐蝕造成的維修難的現狀。固控循環系統的抗腐蝕研制，對降低鉆井作業成本、提高鉆機日費收入有著重要的意義。

2 解決方案

為了解決氯化鉀體系鉆井液腐蝕的問題，首先考慮的是使用緩蝕劑。緩蝕劑是指以適當的濃度和形式存在于環境（介質）中時，可以防止或減緩材料腐蝕的化學物質或復合物。緩蝕劑分為單組分緩蝕劑和復配緩蝕劑。因緩蝕劑主要為化學成分，化學成分的使用和存放都有嚴格的要求和規定，為避免不正確使用存放對人體造成傷害，主要考慮以物理的方式來減緩腐蝕。

另一種減緩腐蝕的方式是陰極保護裝置。相比緩蝕劑，陰極保護裝置更方便安裝、維護，且不含有化學試劑，對人體更為安全。除了減緩腐蝕速度，還考慮了如何使用機械的方式來延長被腐蝕固控罐的使用壽命，包括更加便于不停止工作的情況下進行更換維修。雙層罐面設計便可以做到這點，能很方便地更換維修被腐蝕的罐面，可以大大延緩設備的腐蝕速度。

2.1 固控系統雙層罐面設計

固控系統將原單層罐面進行重新設計，分為上層罐面和下層罐面兩個相對獨立的罐面。下層罐面主要用于連接罐體，主要由鉆井液槽及2～3 根方管進行支撐。上層罐面主要用于承載各種固控設備及人員、走道，放置人孔。當固控系統被腐蝕時，首先會腐蝕下層罐面，當下層罐面的結構被腐蝕到無法使用時（鉆井液槽被腐蝕出孔洞，支撐方管被腐蝕的無法再承重），可以在上層罐面修補鉆井液槽孔洞，或更換被腐蝕下層罐面的支撐方管。而當上層罐面也被腐蝕到無法正常使用時，可以將上層罐面整體從固控罐上取下更換被腐蝕的部分；上下兩層罐面的交替修復或替換，可以延長整套固控罐的使用壽命。

雙層罐面的連接采用以4 個對稱銷軸定位，然后用12 個螺栓進行連接，螺栓連接不但可以保證連接質量，而且在需要拆除上層罐面時，可以方便地通過拆卸螺栓來完成。銷軸定位則是方便上層罐面的安裝。安裝上層時只要對準定位銷軸，即可準確地對準所有的螺栓孔，只要擰上螺栓即可。上下層高度為250 mm。此高度將上下層拉開距離，避免被同時腐蝕，同時也兼顧了運輸需要，避免超高。雙層罐面設計見圖1。

圖1 雙層罐面設計

2.2 固控系統清掏窩及外排清砂提閥設計

當一口井完鉆后，準備遷移到下一口井繼續施工時，有一個必不可少的步驟是將固控罐中的鉆井液清理出去，如果使用井隊的鉆井泵或加重泵進行抽吸，固控罐底部有300 mm 左右的鉆井液及沉砂無法被吸出，此時可以使用鉆井液槍來清洗，但最后還會保留一部分無法清洗掉，此時只能人工下到罐內進行清洗。固控罐內屬于密閉空間，安全性不高，必須有人值守，而且罐內通風不暢，清理剩余的鉆井液及沉砂勞動強度高。對此，設計了清掏窩及外排清砂提閥。

固控清掏窩位于人孔下方，直徑377 mm，深200 mm。在鉆井完成需要清掏固控罐內剩余的鉆井液及沉砂時，如果沒有清掏窩，排漿用的泵無法在罐里平穩放置，需要有人或物在罐外固定泵，在人孔下方設計清掏窩后，可以將泵放置于清陶窩內部而無需額外的人或物在罐外固定，減少了人力和物力的消耗。外排清砂提閥位于罐底座末端，結構上采用提拉型排砂管+蝶閥。清砂到最后的時候，剩余的鉆井液及沉砂很難完全清理干凈。本設計的外排清砂提閥，人在下罐后，將排砂管的塞子提起，即可將鉆井液及沉砂清理到排砂管中，只要再打開蝶閥，即可順利將鉆井液及沉砂清理出固控罐。清掏窩及外排清砂提閥設計見圖2。

圖2 清陶窩及外排清砂提閥設計

2.3 固控系統陰極保護裝置的設計

陰極保護裝置包括外加強制電流陰極保護和犧牲陽極的陰極保護。外加強制電流陰極保護是在回路中串入一個直流電源，借助輔助陽極，將直流電通向被保護的金屬，進而使被保護金屬變成陰極，實施保護。但是這種保護方式需要額外增加絕緣法蘭、絕緣墊片、檢查片等設施，而且需要外加一個強制的電流。這些設施不但增加了使用成本，強制電流也增加了燃料的消耗。井場屬于易燃易爆物質非常多的區域，需要避免雜散電流，強制電流存在安全隱患，不宜使用。故這種方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結構，如長輸埋地管道、大型罐群等。

犧牲陽極的陰極保護技術則是用一種電位比所要保護的金屬還要低的金屬或合金，與被保護的金屬電極連接在一起，依靠電位比較低的金屬不斷地腐蝕溶解所產生的電流來保護其他金屬。這種保護方法不需要外部電源，不需要管理，保護電流分布均勻、利用率高，只需要更換保護材料即可，減少了額外的設施以及燃料的消耗，相比其他保護方法使用成本更低。

陰極保護裝置大小為1000 mm 見方，位置位于每個倉的罐體中部，下層罐面以下200 mm。當罐內鉆井液充滿到30%以上，即可起到保護作用。此位置可以保護每個倉95%的容易被鉆井液腐蝕的部位。

陰極保護裝置采用鋅作為保護材料，鋅比鐵有較高的電勢。因此當二者相連接且都浸在鉆井液中時，鋅的電子轉移到被保護固控罐上，鋅的一端稱為陽極，鐵的一端稱為陰極，腐蝕通常發生在陽極。腐蝕時優先腐蝕鋅板。犧牲陽極易于安裝，當陽極消耗為初始重量的90%時，可在清洗時更換。

3 現場應用

截至2021 年底生產完成1 套固控循環系統，在國內完成整機組裝調試、廠內試驗和作業現場安裝調試試驗后，交付伊拉克哈法亞油田使用。目前，在哈法亞油田已完成現場試驗，在海外油田現場使用的過程中，清掏窩及外排清砂提閥的設計降低了清罐難度，減少了清罐時間，提高了清罐安全性，得到了井隊現場人員的一致好評。上下雙層罐面設計，進行了一次作業中的下層罐面的鉆井液槽漏洞修補工作，可以滿足不停止作業即可修復的要求。在搬運中進行了一次上下層罐面的分離，并模擬修補上層罐面支撐梁，所需工時遠遠少于正常修補罐面。陰極保護裝置中的消耗材料鋅板，滿足預期的試驗壽命。總體來說，該設計可以基本滿足延緩腐蝕的需求，實現固控循環系統防腐易修結構，延長固控循環系統1 倍的使用壽命。

4 結語

通過對固控系統抗腐蝕的研制，使用上下雙層罐面設計，清掏窩及外排清砂提閥設計以及陰極保護裝置，大大延緩了氯化鉀體系鉆井液對固控系統的腐蝕速度，室內試驗腐蝕速度指標降低40%，維護修理安全方便，使用壽命延長1 倍以上。而且清掏鉆井液及沉砂更加方便快捷，省時省力，可以降低鉆井作業成本，提高鉆機日費收入。