油气田防腐钻采油管杆应用现状和发展趋势

韩志宏

摘 要：我国部分油田进入高含水期开采，许多新油管下井一年后即发生穿孔，三年就需全部更换。注水井套管的腐蚀速率约为每年0.5～0.6 mm，油管、油杆和套管的维持费逐年增大，一个油田每年需花费数亿元费用。因此，研究开发适合国内需要的防腐钻采油杆十分必要。该文对防腐钻采油杆的国内外应用现状和发展趋势进行了概述，并提出了技术建议。

关键词：油田 防腐钻采油管杆 应用 发展

中图分类号：TE257 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0019-01

1 我国石油钻杆的腐蚀情况

随着国家经济发展对于石油和天然气的需求迅猛增加，石油开采正面临：油井开采后期含水量大幅升高；深井开发导致温度和压力提高；油井开发中CO2、H2S和Cl-含量不断上升。许多油气井的pH值高达1-2、CO2和H2S气体含量分别高达10%和95%、Cl-含量高达300000ppm。许多新油管杆下井不到一年即发生穿孔；两年左右即发生腐蚀断裂，造成内部堵塞，压力下降，产量下降。注水井套管的腐蚀速率约为每年0.5～0.6 mm，油管杆和套管的维护和更换费用逐年增大。胜利油田、辽河油田、大庆油田等已进入特高含水开发期，采出污水含有溶解氧、硫化氢、二氧化碳、氯离子和硫酸盐还原菌等对钢质管材腐蚀十分严重，平均腐蚀速率为1～7 mm/a。中原油田因水质偏酸性且极不稳定引发腐蚀，直接由腐蚀引起的钻具报废占50%以上，造成的直接经济损失每年1亿元，间接经济损失达2亿元以上。国内外因造成油气管腐蚀穿孔引起火灾和爆炸，造成巨大损失的报道也屡见不鲜。

2 油管杆防腐蚀主要防护措施

采油管常见的几种腐蚀状况如下：腐蚀开裂、局部腐蚀穿孔、丝扣腐蚀等。一般可采用以下四种防护措施。

（1）整体采用耐蚀金属合金：选用高耐蚀的FeNi基和Ni基合金等，整体防腐效果佳，但造价太高，不适合批量应用。

（2）加缓蚀剂和电化学保护：这两类措施有一定局限性，在重腐蚀环境中仅作为辅助措施。

（3）玻璃钢等非金属材料：强度和承压能力差，不适合单独使用。

（4）普通钢+非金属覆盖层和衬里：采用内壁涂覆涂层或衬里，常规涂层和衬里在高温高压强腐蚀环境中易剥离脱落，导致局部腐蚀。

由于目前国内性能优异的耐高温高压酸汽重防腐内涂层研发应用几乎是没有取得重大进展，在油管杆中应用较少。因此，针对高温、高压、强腐蚀介质及多相流环境，开发价格适中、防腐性能优异的油管杆内涂层十分重要。由此可见，内衬复合涂层是防止钻具、油管杆腐蚀的有效方法。根据油田钻采状况，要求内衬涂层应具有优异的附着力、抗冲击性、耐磨性和耐高温高压酸性介质腐蚀的特点。内衬纳米复合涂层应明显提高油管杆使用寿命，提高管内壁的流体效率，提高钻井工作效率。使用纳米改性内防腐防污涂层技术处理过的油管，应减少油井作业次数，增加油井的检修周期，提高油井的产量。

3 国内外发展现状

现采油钻具、油管杆的防腐涂层和内衬材料的主要成分是环氧聚合物、乙烯基酯聚合物、氟碳聚氨酯聚合物等，它们长期耐温可达到80～120 ℃。环氧基和乙烯基酯等聚合物的分子结构上基团间隙较大、交联密度小；且其分子结构上含有大量羟基和酯基等薄弱基团，易被腐蚀介质进攻破坏。在含硫化氢、二氧化碳和高氯离子的高温高压油气和酸汽强腐蚀环境中，环氧、乙烯基酯、氟碳聚氨酯聚合物的分子结构在100 ℃以下即发生严重降解破坏，与金属基材剥离脱落。常用的钻杆内衬材料（如涂料、玻璃钢、塑料管等）在100～140 ℃，5～20 MPa油气和酸汽（H2S、SO2、CO2、Cl-等）环境中使用几个月即发生严重腐蚀和结垢。美国先进聚合物公司研制的环硅聚合物具有优异的耐高温油气酸汽渗透腐蚀的性能，其分子结构上没有羟基、酯键等薄弱基团，仅有醚键这种高耐蚀、柔韧性好的连接键，且交联密度高。环硅聚合物内衬油管防腐材料在国外油田和脱硫装置上已成功应用，效果较为理想，但由于其价格十分昂贵，是国内油管内涂层价格的几十倍，未在国内油气田推广使用。

钻具油管内衬重防腐复合涂层属于新型重防腐复合材料。高分子耐温耐蚀聚合物的研究是提高钻具油管内衬重防腐复合涂层性能的基础。国外此类研究十分活跃且持续不断地出现新材料，如日本、美国和德国对于耐高温树脂的研究水平较高，国内在此领域内的研究与国际先进水平尚有较大差距。

4 开发防腐油管杆的几点建议

目前油气田的钻采油管杆一般采用环氧涂层、酚醛环氧涂层、氟碳聚氨酯涂层和乙烯基涂层等对钻采油管杆进行内防腐处理。它们在几兆帕的中温弱酸环境下具有一定防腐能力，但在几十兆帕的高温混合油气酸汽（CO2、H2S和Cl-）环境中防腐防垢性能差，远达不到要求。研究解决钻采油管杆内表面高温高压油气酸汽腐蚀问题，可利用纳米改性复合内涂层使钻采油管具有防腐、防垢、抗菌和节能等多种功能。可采取以下几种技术措施开发新型防腐油管杆。

（1）设计间苯酚环氧-复合胺聚合物的分子结构，研究其分子结构、玻璃化温度和固化交联度对改性间苯酚环氧-复合胺聚合物体系耐蚀性和耐热性的影响，确定羟基/活性胺比例和最佳固化反应条件。

（2）利用纳米金属氧化物母液对间苯酚环氧-复合胺聚合物体系进行纳米改性，实现对内涂层结构孔隙封闭和耐腐蚀性的有效控制。

（3）研究纳米金属氧化物母液和表面助剂对内涂层表面张力和表面能的降低效应。利用表面张力仪测试分析纳米母液对改性间苯酚环氧-复合胺内涂层阻垢防污效果的影响；按照JC/T897-2002标准测试分析纳米复合内涂层的抗菌功能；按照ASTMD4060标准测量纳米复合内涂层的耐磨性能。

（4）研究碳纤维在聚合物中的分布和三向应力承载性能，分析在高压和温变作用下碳纤维对纳米改性间苯酚环氧-复合胺涂层抗开裂性的作用机理。

（5）参照SY/T5951-94标准（环氧酚醛防腐油管技术条件）对纳米复合内涂层体系进行污水煮、土酸浸泡、耐热性、柔韧性、附着力、耐冲击强度试验。

（6）对油管杆内涂层进行耐热冲击性能和冷热循环试验，分析纳米改性间苯酚环氧-复合胺内涂层耐激冷激热性能。

（7）对油管杆内涂层进行高温高压油气酸汽试验，要求耐80～160 ℃、4～20 MPa的油气酸汽（含H2S、Cl-、CO2等）腐蚀破坏；确定内涂层体系耐腐蚀性、防污性和耐磨性之间平衡值。

参考文献

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