高防腐耐磨鎳鎢鍍層抽油桿的研究

雷同鑫 ，柳小寶，韓曉宇，謝敏

(1.湖南納菲爾新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410000；2.長慶油田公司第二采氣廠，陜西 榆林 719000)

0 引言

石油被人們稱為工業的血液和黑色的金子，是國家生存與工業發展必不可少的戰略資源，隨著經濟的快速發展，各行業對石油的需求也越來越大，中國已成為全球第二大石油消費國。2022 年，原油對外依存度為71.2%，對原油的開采提出了更高要求。石油鉆采裝備是關鍵，裝備技術水平的高低，直接影響著石油鉆采的效果。為了加快鉆采裝備技術進步，提升鉆采裝備市場競爭力，助推中國油氣資源高效勘探開發，確保國家能源安全，采用性價比高的采油設備可以使我們獲得更多的石油[1]。抽油桿機械開采石油技術在世界范圍內應用最為廣泛。我國各油田的生產井中，機械采油井占油井總數的90%以上，有桿泵采油井占機采井的90% 以上。抽油桿作為地面抽油機和井下抽油泵的連接設備，是有桿泵采油的重要組成部分，將地面上的抽油機的能量傳到地下，帶動井下抽油泵工作[2]。中國作為抽油桿的生產和使用大國，生產企業遍布全國19個省份，中大型企業50 余家，年產能1.5 億m。且隨著抽油桿制造技術的不斷發展及新型產品的出現，尤其在我國“一帶一路”建設下，抽油桿市場呈逐步國際化趨勢，中國已成為抽油桿出口大國，已累計銷往美國、加拿大、俄羅斯、印度、哈薩克斯坦等25 個國家地區，年出口量3 000 萬m。隨著我國經濟的快速發展，目前大多數油田進入了采油中后期開發，開發深度和難度與日俱增，油井含水量上升，井況也日益嚴苛，在抽油桿上普遍存在鹽水或礦化物腐蝕問題。為了增大采油量，大量高溫、高壓、超深、高含H2S/CO2的油氣井成為新的開采對象，井液中含有的CO2、H2S 和Cl-等腐蝕介質，抽油桿在石油開采過程中承受不對稱循環載荷的作用。且在Cl-、H2S、CO2等腐蝕介質的侵蝕下，抽油桿主要失效形式為腐蝕疲勞斷裂或疲勞斷裂。抽油桿與油管出現的偏磨更是加劇了斷裂的發生，抽油桿的失效嚴重影響了油井連續作業，造成原有產量下降，帶來了嚴重的安全隱患，并造成巨大的經濟損失[1,3]。解決油田腐蝕和磨損問題是石油裝備重要課題，通常采用的防腐方法有采用耐腐蝕合金、防腐涂層、非金屬和緩蝕劑等，但耐腐蝕合金存在價格昂貴的缺點，防腐涂層有在使用溫度超過80 ℃會出現附著力不佳從而脫落失去保護抽油桿的作用、使用環境受限等缺點。非金屬碳纖維抽油桿存在價格高、最高工作溫度為60 ℃、耐磨性差等缺點，緩蝕劑存在受井液和環境的不同而具有選擇性且有環保隱患等缺點，所以尋求一種防腐耐磨性能優良、價格低廉、適用環境廣的抽油桿對油田生產具有非凡的意義。在眾多的新技術中，電沉積鎳鎢合金以獨特的防腐耐磨特性脫穎而出，在普通碳鋼、低合金鋼及其他普通材料表面電鍍鎳鎢合金鍍層后，可大幅度提高產品的防腐性能。尤其適用于在高溫、高壓的H2S、Cl-和CO2及其混合介質的強腐蝕性環境中，在油田鉆探、開采等領域有巨大的應用前景下，可有效解決石油鉆井設備和采油設備存在著腐蝕和磨損問題[4]。 因此，將鎳鎢合金電沉積技術應用于抽油桿的防護，應該會具有非常好的效果。筆者對鎳鎢合金鍍層抽油桿進行了外觀、結合力、硬度、機械性能、耐磨性、耐腐蝕等性能進行了研究。

1 試驗研究

鎳鎢鍍層抽油桿的制備。

以鋼制抽油桿為基材，采用湖南納菲爾股份公司的鍍液和電鍍鎢合金工藝，具體工藝流程為：噴砂→酸洗除銹→水洗→中和→水洗→電解除油→水洗→活化→水洗→電鍍→水洗→除氫處理(溫度為200 ℃，2 h)。

鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 濃度為10～60 g/L，Na2WO4·2H2O 濃度為10～60 g/L，H3PO3濃度為10～50 g/L，YC-5202 添加劑(自制)濃度為10 mL/L，電流密度為5～15 A/dm2，pH 值4～8，溫度為40～80 ℃。鍍層厚度為40 μm。

2 鎳鎢鍍層抽油桿的性能研究

2.1 外觀及成分

鎳鎢鍍層抽油桿外觀光亮且鍍層致密、無裂紋(圖1)，使用掃描式電子顯微鏡研究鍍層成分，結果如圖2 和表1 所示，此Ni-W-P 合金中鎢的質量百分含量為27.51%，鎳的質量百分含量為65.27%，其他為非金屬元素含量。鎳鎢合金中鎢的質量百分含量在12%以上時，鎢鎳合金通常為非晶態或納米晶結構。

表1 Ni-W 鍍層中金屬元素含量

圖1 鎳鎢鍍層抽油桿外觀

圖2 鎳鎢鍍層抽油桿能譜圖

圖3 鎳鎢鍍層抽油桿拉伸實驗

鎳鎢鍍層組分為W-Ni-X-Y-Z(其中X 為Co、Fe；Y 為C、Si、B、P；Z 為Mn、Cr、Mo、V 等過渡元素)，由于摻入了其他一些元素，特別是鎢元素的含量大于12%以后，受晶格畸變影響，容易形成納米晶或非晶態結構。

2.2 附著強度

參照GB/T 5270—2005 《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學沉積層 附著強度試驗方法評述》中的方法。使用RE-7060 萬能試驗機對鎳鎢鍍層抽油桿進行拉伸實驗，直到鍍層抽油桿拉斷，斷口處鎳鎢鍍層無脫落，鎳鎢合金鍍層與基體間為原子鍵結合，因此鍍層與基體結合力好，經過拉力試驗檢測鍍層不會脫落。

2.3 硬度

采用HVT-1000 數字顯微硬度計測定鎳鎢鍍層抽油桿的顯微硬度，載荷為200 g，加載時間為20 s。用顯微維氏硬度計檢測鍍層的維氏硬度為814 HV，基體維氏硬度為230 HV，鎳鎢鍍層硬度是基體的3.5 倍，這是鎳鎢鍍層抽油桿具有良好耐磨性的主要因素。

2.4 鎳鎢鍍層抽油桿的機械性能

D 級和HL 級抽油桿分別電鍍鎳鎢合金后，按SY/T 5029—2013 《抽油桿》規定進行了抗拉強度、屈服強度等力學性能測試和螺紋精度、尺寸測量(包括抽油桿及其接箍)。結果表明，鎳鎢鍍層抽油桿的抗拉強度、屈服強度等力學性能達到標準要求，電鍍過程對抽油桿自身力學性能無影響。試驗結果如表2 所示。

表2 鎳鎢鍍層抽油桿的力學性能數據

在抽油桿上電鍍鎳鎢合金后，用PLG-300KN 高頻疲勞測試機進行鎳鎢鍍層抽油桿疲勞壽命測試；按SY/T 5029—2013 《抽油桿》石油行業標準規定的抽油桿疲勞壽命試驗方法，加載應力406 MPa，結果表明，拉伸100 萬次后抽油桿均不斷裂，鎳鎢鍍層抽油桿疲勞壽命達到標準規定值；

2.5 鎳鎢鍍層抽油桿的耐磨性能

為比較鎳鎢合金鍍層與鍍Cr、化學鍍NiP 的摩擦磨損性能，采用SST-ST 銷盤式摩擦磨損試驗機(德國)進行試驗，試驗參數如表3 所示。

表3 磨損性能試驗參數

本試驗采用德國HBM 扭矩傳感器在線連續測量摩擦系數隨時間變化曲線；采用SST-ST 計算機數據分析系統進行數據采集及處理；采用法國STIL 白光共焦三維輪廓儀測量試樣的磨損。摩擦系數和磨損深度比較結果如表4 所示。

表4 摩擦系數和磨損深度比較

從表4 可以看出，鎳鎢合金鍍層的平均膜層系數和磨損深度均小于電鍍Cr 層和化學鍍NiP 層；鎳鎢合金鍍層經磨損后，表面仍比較光滑，劃痕遠少于電鍍Cr 層和化學鍍NiP 層。以上實驗結果說明，鎳鎢鍍層的耐磨性能優于對比涂層。

2.6 耐腐蝕性

鎳鎢鍍層抽油桿在弱酸性、堿性和鹽溶液中表現出優異的耐腐蝕性能，尤其在氯化物、硫化物和二氧化碳介質中，相比其他防腐材料具有明顯的耐蝕性優勢。

2.6.1 中性鹽霧試驗

依據GB/T 10125—2021 《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》的規定進行，使用鹽霧試驗機進行試驗，溶液：50 g/L±5 g/L 的氯化鈉溶液，pH 值范圍：6.5～7.2，噴霧壓力：70～170 kPa，溫度：35 ℃±2 ℃，80 cm2的水平面積的平均沉降率：1.5 mL/h±0.5 mL/h，檢測時間為300 h；試驗結果表明，鎳鎢鍍層抽油桿經過中性鹽霧300 h 試驗，抽油桿表面沒有紅銹，評定為保護10 級。

2.6.2 硫化物應力開裂試驗

根據美國腐蝕工程師協會NACE TM 0177 標準進行抗SSC 試驗，實驗條件如表5 所示。

表5 試驗條件

實驗結果表明，在NACE TM 0177 標準A 溶液中，加載應力為527 MPa(620 MPa×85%) 時，720 h后宏觀檢查，試樣均未發生斷裂，用10 倍放大鏡檢查未發現表現垂直于表面張應力方向的裂紋，鎳鎢鍍層抽油桿通過美國腐蝕工程師協會NACE TM 0177 標準規定抗SSC 檢測。

2.6.3 模擬油田介質的腐蝕試驗

模擬油田腐蝕環境條件下(CO2分壓為11 MPa；H2S 分壓為5 MPa；單質硫含量為10 g/L；氯離子含量為80 000 mg/L；溫度為160 ℃)，鎳鎢合金鍍層的均勻腐蝕速率為0.0 076 mm/a，均勻腐蝕為輕度腐蝕，試樣表面均未出現明顯局部腐蝕(圖4)。

圖4 去除表面腐蝕產物膜后鎳鎢合金鍍層的宏觀和微觀腐蝕形貌圖

通過上述耐腐蝕和耐磨試驗數據可以看出，鎳鎢合金鍍層抽油桿特別適合于多介質混合、腐蝕情況復雜的油井工況，應用于高含氯化物、二氧化碳和硫化氫的油氣田，可以起到提升抽油桿的防腐、抗磨損的效果，延長使用壽命，進而降低開采成本。

3 鎳鎢鍍層抽油桿的應用

鎳鎢鍍層抽油桿防腐蝕性優異，且具有良好的自潤滑性，抗管桿偏磨性能好，同時可以降低抽油桿的磨損，在塔里木油田、大港油田、新疆油田、吐哈油田、班克斯油田、阿曼油田、烏茲別克斯坦油田等使用效果良好。

3.1 鎳鎢鍍層抽油桿在班克斯油田的應用

班克斯油田位于阿爾巴尼亞中南部，是阿爾巴尼亞發現的最大油田，也是歐洲大陸最大的陸上油田。它于1928 年被發現并于1939 年開始生產，近年來，含水率不斷攀升，油田平均含水率超過88%，產量自然遞減，油井的偏磨腐蝕日益加重。油井主要含CO2和H2S 等腐蝕介質，特別是CO2含量很高(高達26%)，桿管偏磨腐蝕嚴重。為了降低油管和抽油桿廢棄率，從2020 年引入鎳鎢合金抽油桿，抽油桿在油井的使用壽命大大提升，達到原抽油桿使用壽命的3 倍以上，有效解決了采油設備的腐蝕問題，提高了采油效率。

3.2 鎳鎢鍍層抽油桿在塔里木油田的應用

塔里木油田地處新疆塔克拉瑪于沙漠，油氣井多是 4 000 m 以上的深井和超深井，井下溫度、壓力和腐蝕介質含量都很高，環境十分惡劣，因此勘探開發難度大、成本高，油田建設投資巨大。隨著油田的不斷開發生產，油田含水量持續上升，腐蝕問題將越來越嚴重。塔里木油田腐蝕的類型屬于在高溫、高壓下含CO2-H2S-Cl/CO2-C1 和地層水中的CO2腐蝕，腐蝕類型以具有自催化加速發展特征的局部腐蝕為主，且腐蝕速率很高，而均勻腐蝕則較輕微。腐蝕部位的形狀大多是點坑狀、溝槽狀以及具有平底銳邊的臺地狀等。普通抽油桿使用壽命不到3 個月，導致采油現場經常更換抽油桿，降低效率增加了成本。在塔里木油田使用鎳鎢合金鍍層抽油桿，未出現一起斷裂事故，鎳鎢合金鍍層抽油桿在高H2S、CO2、Cl-腐蝕性環境的井況下，連續使用1 年以上無任何問題。因油井定期檢修取出鎳鎢鍍層抽油桿表面光亮，鎳鎢鍍層完好，有些油井使用3 年以上，有效解決了高腐蝕油井中的抽油桿腐蝕斷裂和磨損問題，可大大減少修井作業時間降低成本。

4 結語

鎳鎢鍍層抽油桿外觀光亮致密，鎢質量百分含量達到12% 以上為納米晶或非晶態結構，與基材有良好的附著力，且對基材的力學性能沒有影響；鎳鎢鍍層抽油桿的硬度高，使抽油桿具有優良的耐磨損性能；鎳鎢鍍層抽油桿經過中性鹽霧和模擬油田含Cl-、CO2和H2S 介質的腐蝕試驗，大大提升了抽油桿的防腐蝕性能，延長了使用壽命。鎳鎢鍍層抽油桿可以有效提高抽油桿的耐腐蝕耐磨損性能，延長抽油桿的作業時間，減少了抽油桿的維護，提高采油效率降低成本，在油田采油設備抽油桿上有廣闊應用前景。