表面处理工艺在海洋石油完井工具中应用与实践

刘晓峰，孔学云，党万恒，梁振琪，闫 绅，齐海涛，李宝龙，严孟凯

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

表面处理工艺在海洋石油完井工具中应用与实践

刘晓峰，孔学云，党万恒，梁振琪，闫 绅，齐海涛，李宝龙，严孟凯

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

主要针对海洋石油油气田工况，开展对合金钢、不锈钢等为主体材料的井下工具的表面处理工艺应用研究，包括物理气相沉积、电镀钨合金、QPQ盐浴复合处理等技术，以提高井下工具的耐磨、自润滑、耐腐蚀和耐冲蚀性能。结果表明，物理气相沉积技术在提高工具耐磨和耐冲蚀性能具有明显优势；电镀钨合金技术在提高工件的耐腐蚀性能上占明显优势，而QPQ盐浴复合处理技术不仅在耐磨和耐冲蚀性具有优势，同时，还适合解决不锈钢螺纹黏扣、金属密封等问题。

表面处理工艺；海洋石油；完井工具；耐磨；耐腐蚀

海洋油气田的开发开采环境和工况极其恶劣，一般油气田中均含有H2S、CO2等腐蚀气体以及S2-和Cl-的腐蚀离子，而且，在油气井开发过程中，井下工具同时要承受拉力、压力和扭矩等复杂交变应力，同时，工具要经受大排量和高流速的钻完井液体、泥浆、携砂液等冲蚀。因此，要求海洋石油井下工具具有强的抵御恶劣的工况的综合性能，要求井下工具具有高强度和高耐磨、优良自润滑性、耐腐蚀和耐冲蚀等综合性能。鉴于对工具性能的高要求，单凭借优选材料是远远不够的，须通配合材料表面处理工艺来提高材料的综合性能。

1 表面处理技术

目前，提高海洋石油井下工具的耐磨、耐腐蚀和耐冲蚀性能的表面处理工艺主要有物理气相沉积、电镀钨合金、QPQ盐浴复合处理等技术，经过多年研究及应用，对于合金钢和不锈钢而言，物理气相沉积技术主要提高工件的耐磨和耐冲蚀性能，电镀钨合金技术在提高工件的耐腐蚀性能上占明显优势，QPQ盐浴复合处理技术更适合解决不锈钢螺纹粘扣、金属密封等问题。

1.1 物理气相沉积表面处理技术

物理气相沉积表面处理技术（Physical Vapor Deposition）指的是用物理的方法将材料沉积在被镀工件表面上的薄膜制备技术，通常简称PVD技术。

选取材料为3Cr13、调质处理（硬度为28HRC）的1#工件和2#工件，其中1#工件表面为镜面（车削后抛光），2#工件表面稍粗糙（车削加工），1#和2#工件表面镀陶瓷材料后的宏观和微观形貌如下图1所示。

由图1（a）、（b）和（c）可知，1#工件的表面镀陶瓷后其光洁度明面高于2#工件，1#工件镀陶瓷后表面平整光滑、致密、无颗粒或孔洞，且通过微观组织观察，表面粗糙度约32nm，表面平均微氏硬度1 900HV，涂层总厚度约14μm。

图1 3Cr13材料试块表面镀陶瓷材料后的表面宏观和微观形貌

表面镀陶瓷涂层材料，表面硬度可达1 500～2 000HV，涂层总厚度为13～15μm。表面镀类金刚石超硬耐磨涂层材料，表面硬度可达2 000～3 000HV，涂层总厚度为0.5～2μm，类金刚石材料的自润滑性比较好，摩擦系数为0.02～0.04。涂层附着力大于60N。表面镀陶瓷后的光洁度取决于工件原始光洁度。

1.2 表面镀钨合金处理技术

表面电镀钨合金是兼顾耐磨与防腐双重性能的新型电镀工艺，从目前应用情况来看，电镀钨合金后镀层硬度可达1100HV，对井下工具进行表面电镀钨合金主要是提高其耐腐蚀性能。

选取常规井下工具材料110SS试样，对其表面进行镀钨合金处理后，再进行耐H2S和CO2腐蚀性能评价试验。

模拟腐蚀环境及工况（较恶劣）：CO2分压为11MPa，H2S分压为5MPa，单质硫含量为10g/L，模拟介质中氯离子含量为80 000mg/L，pH值为4.5，温度为160℃，试验时间168h。单孔试样（1#样）和双孔试样（2#样）。

试验过程及评价方法：该试验是选用TFCZ-25/250型磁力驱动反应釜进行，装上试样后将高压釜密封，通入高纯氮除氧2h，随后通入CO2和H2S，升温升压到设计工况，然后按照均匀腐蚀速率计算方法来评价其耐腐蚀性能。

均匀腐蚀速率的计算方法为：

式中：Δg为试样的失重，g；

t为试验时间，h；

S为试样面积，mm2；

γ为材料比重，g/cm3

vcorr，均匀腐蚀速率，mm/a。

试验结果分析：试验结束后，将试样从釜中取出，放入清洗液中清洗至腐蚀产物除净为止，之后用自来水冲洗并用滤纸吸干后置于无水酒精或丙酮中侵泡3～5min脱水。脱水试样经冷风吹干后，称重并按照公式（1）计算均匀腐蚀速率，并用金相显微镜观察腐蚀前后试样形貌。

表1 表面涂镀钨镍合金镀层工具试片腐蚀速率计算结果及评价

由图2和图3可知，去除试样表面腐蚀产物前的两种规格试样表面有少量较为致密的腐蚀产物覆盖，呈黑灰色。由图4和图5可知，去除试样表面腐蚀产物后的两种规格试样表面呈亮白金属光泽，没有出现明显局部腐蚀现象。根据NACE RP-0775-2005标准，两种规格试样在模拟腐蚀环境下属于轻度腐蚀。

图2 去除试样表面腐蚀产物膜前两种规格试样表面宏观腐蚀形貌

图3 去除试样表面腐蚀产物膜前两种规格试样表面SEM微观腐蚀形貌

图4 去除试样表面腐蚀产物膜后两种规格试样表面宏观腐蚀形貌

图5 去除试样表面腐蚀产物膜后两种规格试样表面SEM微观腐蚀形貌

1.3 QPQ盐浴炉复合处理技术

QPQ盐浴炉复合处理技术的主要工序包括盐浴氮化处理、氧化处理、抛光处理和第二次氧化处理四个过程。盐浴氮化处理技术是核心，主要是将氮化盐中氰酸根的分解而产生的活性氮原子渗入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蚀性很高的化合物层和耐疲劳的扩散层。氧化处理主要是彻底分解工件从氮化炉带出来的氰根（CN-），同时，在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，对提高耐磨性也有一定好处。抛光处理主要是去除氮化物层外面的疏松层，经第二次氧化可以进一步提高工件的抗腐蚀性和耐磨性。

对调质4145H进行QPQ处理，并检测处理前后表面硬度及有效硬化层厚度，见表2。

表2 2Cr13QPQ处理前后性能参数

图6 2Cr13 QPQ处理后微观组织图

对调质4145H进行QPQ处理，处理后硬度较处理前硬度提高5倍，有效硬化层厚度约66μm。

QPQ盐浴复合处理技术具有渗氮、氧化、抛光等工序特点，在工件表面可形成高硬度渗氮层和氧化层，且处理后工件表面光洁度高，可应用在金属密封面处理、不锈钢和镍基合金等材料螺纹处理。

2 工具表面处理耐冲蚀性能试验及评价

本次试验主要是检验和评价4145基材的完井工具，在模拟压裂充填完井作业工况（高砂比、大排量）下，表面进行磷化和QPQ处理的工具的耐腐蚀和耐冲蚀性能。

2.1 试验方案

冲蚀试验完全模拟9-5/8"套管井多层砾石充填作业工艺，选取冲蚀管柱段为“液体由充填孔出来，进入充填短节和延伸筒环空，并经滑套孔进入滑套、滑套密封筒与套管环空”这段。管柱主要由内层、中层和外层3层工具串组成，管柱上下端通过变扣、短节和堵头进行管柱配套。

由批混撬出来的携砂液，经过两台泵泵入冲蚀管柱，然后再回到批混撬，对管柱进行连续循环冲蚀。冲蚀方案流程图和冲蚀管柱图如图7所示。

图7 冲蚀试验管柱图

2.2 试验要求及参数

本实验模拟压裂充填实际工况进行试验参数设计。介质为水和石英砂，石英砂粒度40～60目，打砂泵排量22bpm，砂比2PPg（混砂撬体积已知，折算砂子量2875lbs），折算冲蚀时间约7h，累计泵入砂子约500 000Lbs。

冲蚀管柱分两趟，①被冲蚀管柱工具表面进行磷化处理；②被冲蚀管柱工具表面进行QPQ处理。

2.3 实验过程及结果分析

2016年6月，在中海油钻采试验培训基地进行压裂充填完井管柱冲蚀试验（见图8）。

将试验管柱工具与设备连接，并进行管柱试压（35MPa，稳压10min），先用清水逐渐开泵至22bpm，进行管线及工具试运行，然后将批混撬逐步加砂至约3000lbs（2ppg），累计泵入砂子约500 000Lbs，试验结束，停泵。拆卸设备、管柱及工具，并将工具运回实验室进行冲蚀结果分析。

图8 冲蚀试验现场作业图

2.3.1 冲蚀情况宏观分析

充填短节、充填孔等表面冲蚀宏观形貌图如图9所示。

图9 充填孔宏观冲蚀形貌

由上图9所示，充填短节上的充填孔下端、以及充填孔正对延伸筒是整个管柱冲蚀最严重的地方，有明显的变形和冲蚀缺口。其中表面进行QPQ处理的充填短节上，充填孔下端的表面硬化层在已经冲蚀脱落。

表面进行磷化处理的工具有明显锈蚀，而表面进行QPQ处理的工具表面基本没有锈蚀，表明QPQ处理表面具有很好的耐腐蚀性。

由下图10可知，表面QPQ处理的滑套较表面磷化处理的滑套挂携砂液少，说明QPQ处理后工具表面具有很好的自润滑性。冲蚀后滑套表面及滑套孔宏观上没有明显变化，但是，对冲蚀后的滑套进行密封测试（35MPa，稳压10min），表面磷化处理的滑套不能密封，而表面QPQ处理的滑套能够密封。

2.3.2 滑套冲蚀后密封性能测试

图10 QPQ处理滑套宏观冲蚀形貌

3 现场应用

借鉴工具冲蚀试验结果，对压裂充填完井关键工具进行QPQ表面处理，整套工具于2016年8月在渤海CFD12-1区块某井进行压裂充填防砂作业，现场作业期间，自主化压裂充填工具性能稳定可靠，压裂充填作业累计泵入砂量18 000Lbs，充填系数600Lbs/ft，盲管埋高18ft，充填效果良好。

4 结论

通过对常用海洋石油完井工具材料表面处理工艺试验和研究，得出如下结论：

1）物理气相沉积、电镀钨合金、QPQ盐浴复合处理等技术都可以提高材料表面硬度，但是，又各自有各自的适应特性，物理气相沉积技术在提高工具耐磨和耐冲蚀性能具有明显优势；电镀钨合金技术在提高工件的耐腐蚀性能上占明显优势，而QPQ盐浴复合处理技术不仅在耐磨和耐冲蚀性具有优势，同时，还适合解决不锈钢螺纹黏扣、金属密封等问题。

2）常用井下工具4145材质进行表面QPQ工艺应用研究，并通过模拟压裂冲蚀试验得知，4145材料经QPQ处理后，其硬度、耐腐蚀性能、耐冲蚀性能和自润滑性能均显著提高，QPQ处理后的完井工具满足压裂充填作业要求。

Surface Treatment Technology Used in Offshore Oil Well Completion Tools and Practices

Liu Xiao-feng，Kong Xue-yun，Dang Wan-heng，Liang Zhen-qi，Yan Shen，Qi Hai-tao，Li Bao-long，Yan Meng-kai
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China）

According to the working condition of Marine oil and gas fields，this article mainly researched surface treatment technology of conduct of alloy steel and stainless steel as the main material of downhole tools，including physical vapor deposition，electroplating tungsten alloy，QPQ salt bath composite processing technology，to improve downhole tools wear resistance，selflubricating，corrosion resistance and erosion resistance performance.The results show that the physical vapor deposition technology has obvious advantages of improving tools in wear and erosion resistance.Tungsten alloy electroplating technology also has obvious advantages of improving the tools incorrosion resistance，while QPQ salt bath composite processingtechnology not onlyhas an advantage in wear resistance and erosion resistance，meanwhile，it is suitable for solving the problem of stainless steel threaded buckle，metal seal etc.

surface treatment technology；marine oil；completing tool；wear-resisting；corrosion resistance

TE254.3

B

1003–6490（2017）03–0033–03

2017–03–09

刘晓峰（1983—），男，山西晋中人，中级工程师，主要从事石油工具研发工作。