涂层型防腐抽油杆发展研究

涂层型防腐抽油杆发展研究

蒋旭东

渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司

摘要：腐蚀疲劳破坏是腐蚀较严重井抽油杆主要损坏形式，造成修井周期大大缩短，为了避免抽油杆腐蚀，经实际应用情况及市场接受度观察，涂层型防腐抽油杆是解决防腐问题较理想的途径之一。

关键词：抽油杆 防腐蚀 涂层

引言

游梁式抽油机是油田最常用的采油方式。抽油机井由抽油杆连接地面抽油机和井下抽油泵，通过抽油杆的上下往复运动，带动井下抽油泵的活塞运动，实现泵送井下产液到地面的目的。抽油杆上下往复运动过程中承受的载荷在不断变化，在杆内产生交变应力，抽油杆的破坏一般是疲劳破坏。抽油杆在井内产出液中，在抽油杆表面腐蚀，破坏了抽油杆表面平整性和性能，腐蚀坑造成应力集中，成为疲劳破坏的开裂源。大大增加了抽油杆疲劳破坏的几率。由近年来油田现场断杆的数据统计分析，受腐蚀的抽油杆疲劳破坏成为主要的破坏形式^[1]。

1.腐蚀机理

油田进入高含水开采期后，注水系统和采油系统中介质成分的日益复杂。含有大量杂质的油田水对金属会产生严重的腐蚀。其中起主要作用的是溶解盐类（其中最主要的是氯化物）、硫化氢、二氧化碳、溶解氧气和有机酸、硫酸盐还原菌（SRB）等^[2]。

油水井中油管、套管和井下工具的腐蚀，统称为井下腐蚀。油井管腐蚀破坏的主要表现为管柱局部穿孔、刺漏，油套管、抽油杆丝扣腐蚀造成断脱以及井下工具的失效等。在高含水油田中，以上腐蚀现象主要是电化学腐蚀引起的。井液中各种腐蚀性介质的腐蚀原理如下：

二氧化碳腐蚀：二氧化碳溶于水对钢铁有很强的腐蚀性。油气田二氧化碳来自于天然气、油田伴生气、开采石油注入的二氧化碳和采出水中HCO^3-减压升温过程中分解放出的二氧化碳。CO₂溶于水形成碳酸（H₂CO₃），是一个二元酸，在相同的PH值下，对钢铁的腐蚀比盐酸还严重。CO₂腐蚀一般不会造成应力腐蚀，主要是局部腐蚀。这种局部腐蚀由于阳极面积小，穿孔速度往往很高。腐蚀形态有点蚀、轮癣状腐蚀、台面状坑蚀和冲刷腐蚀。其中，台面状坑蚀的穿孔率很高，通常腐蚀速率可达3～7 mm·a-1，无氧时，腐蚀速率可达20mm·a-1。

研究表明，CO₂腐蚀与其所处环境中的温度、分压、流速有关，其中分压起着决定性作用。当温度一定时，CO₂气体的分压愈大，材料的腐蚀愈快；这是由于当CO₂分压高时，促进了碳酸的电离和H+浓度的升高，因H+的去极化作用而使腐蚀加速。

腐蚀机理：

CO₂＋H₂O＋Fe → FeCO₃＋H₂

硫化氢腐蚀：H₂S是金属腐蚀的重要酸性气体之一。溶解于水中的H₂S具有较强的腐蚀性。石油工业中的H₂S来源有3个方面：（1）地层流体中的原生H₂S；（2）硫酸盐还原菌（SRB）分解放出的H₂S；（3）添加的含S化学剂，降解放出的H₂S。H₂S腐蚀的形态有：（1）均匀腐蚀；（2）点蚀；（3）硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）和氢致破裂（HIC）， HIC常伴随着钢表面的氢鼓泡（HB）。

H₂S对钢铁的电化学腐蚀过程

碳钢管线或设备在含有H₂S的介质中会发生氢去极化腐蚀，碳钢的阳极产物铁离子与硫离子相结合生成硫化铁，腐蚀机理如下：

H₂S＋Fe＋H₂O → FexSy＋2H

硫化氢导致氢损伤过程

介质中的硫化氢还有更严重的腐蚀破坏形式，硫化氢电化学腐蚀过程中产生的氢，被钢铁吸收，破坏其基体的连续性，能使金属材料破裂，这种破裂在低应力状态下就可发生，导致氢损伤，甚至在很低的拉应力下就可能发生晶间应力腐蚀开裂。通常表现为硫化物应力开裂（SSC）、氢诱发裂纹（HIC）和氢鼓泡（HB）等形式的破坏。

氯离子对硫化氢腐蚀的影响：带负电荷的氯离子会阻碍保护性的硫化铁膜在钢铁表面的形成，并通过钢铁表面的硫化铁膜的细孔和缺陷渗入膜内，形成孔蚀核，在闭塞电池的作用下，加速了孔蚀破坏。

溶解氧的腐蚀： 溶解氧是常见的腐蚀剂。其腐蚀类型有：缝隙腐蚀、氧浓差腐蚀、点蚀、钩状腐蚀、丝状腐蚀等。腐蚀产物是铁的氧化物FeO、 Fe₂O₃、Fe₃O₄，及其氧化物的水化物FeO（OH）等。化学反应方程式如下：

2Fe＋3/2O₂＋H₂O → 2 FeO（OH）→ Fe₂O₃＋H₂O

CO₂或H₂S及Cl^－通常会增加氧的腐蚀速度。

氯离子引起的腐蚀： Cl^－的离子半径小，是活性阴离子，但不是腐蚀剂。它可以优先进入点蚀和缝隙形成闭塞电池，由于闭塞电池内的金属阳离子Fe₂＋浓度升高，在孔蚀电池产生的电场作用下，孔蚀外Cl^－不断向坑内迁移、富集，使FeCl₂ 等浓缩，FeCl₂、CaCl₂、MgCl₂等氯化物的水解使酸性提高，加快了阳极溶解。这种由闭塞电池引起的点蚀坑内酸化从而加速腐蚀的作用，叫作自催化酸化作用。蚀坑内为阳极，蚀坑外大面积金属为阴极，构成了小阳极、大阴极的活化—钝化电池，使蚀孔加速长大。腐蚀产物为Fe

₃O₄等铁的氧化物。Cl^－的这种酸化作用在应力腐蚀、腐蚀疲劳、冲刷腐蚀中同样起着加速局部腐蚀的作用。

总之，油水井的腐蚀是多种腐蚀介质共同作用的结果，由于不同因素引起油井管柱腐蚀的原因不尽相同，各种腐蚀介质都具有不同的腐蚀特点和腐蚀形态，且影响因素也非常复杂，只有对影响油井腐蚀的因素进行系统而全面的考虑，因地制宜、因时制宜地提出相应有效、经济的保护方法，才能采取有效的防护措施，最大限度地减缓腐蚀对油田生产的影响^[3]。

2.涂层型防腐抽油杆加工工艺

现阶段，大多数涂层型防腐抽油杆使用的都是热熔粉末喷涂，其工艺流程为：（1）抽油杆表面喷丸处理；（2）加热抽油杆；（3）粉末喷涂；（4）冷却

腐蚀实验

实验设备。高温高压反应釜

实验介质。选取大港油田某区块地层产出液作为实验的反应介质。

实验条件。实验材料:涂层防腐材料，常规抽油杆材料（20CrMo）；实验温度：80℃；实验时间240h；实验压力：CO₂分压2.0MPa；流体流速：1.0m/s。

表1 高压釜抗腐蚀性能实验结果（实验温度：80℃）

80℃时防腐材料其耐蚀性远优于常规抽油杆材料（20CrMo）。

4.工程应用

近年来，在吉林油田使用涂层型抽油杆总长度已经超过200万米，对作业提出井的防腐抽油杆观察分析，涂层型抽油杆总体表现良好，有效的防止了抽油杆被腐蚀，但是因为作业原因，有的地方涂层会稍微脱落。

通过改进涂层型防腐抽油杆加工工艺及作业工具，产品性能日趋完善。

5结论

涂层型防腐抽油杆采用热熔粉末喷涂加工工艺，形成了完整的隔离层，包覆抽油杆不受油井液腐蚀

在生产成本上，涂层抽油杆会低于其他型防腐抽油杆，适合现阶段油田生产。

涂层型防腐杆今后会在油田生产中应用广泛，增强其耐磨性，防止在油田生产中或作业中因为磨损而产生脱落，是涂层型防腐抽油杆以后研究的重点。

参考文献

王峰，魏斌，姜东.PE包覆防腐抽油杆研制与应用[J].内江科技，2017,38（1）：30-31

衣延安.油田杆管腐蚀机理及化学防腐技术的应用[J].计量与测试技术，2012:39（3）：14-16.

陈惠玲，李晓娟，魏雨.碳钢在含氯离子环境中腐蚀机理的研究[J].腐蚀与防护，2007:28（1）：17-19.