电镀镍钨合金防砂筛管应用于深水油气藏的可行性研究

蔡锐 *，邓君宇，王荣敏，刘华清，蔡德军，程光旭

（1.西安交通大学，陕西 西安 710049； 2.中国石油天然气集团公司管材研究所，石油管材及装备材料服役行为与结构安全 国家重点实验室，陕西 西安 710077； 3.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300450； 4.中国石油长庆油田分公司油田开发事业部，陕西 西安 710018； 5.中国石油海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300028）

世界深水油气业务发展迅速，资源潜力巨大。据统计，全世界未发现的海上油气储量有90%埋藏在水深超过1 000 m 以下的地层。南中国海是世界四大油气聚集地之一，石油地质储量为230 ～ 300 亿t，占我国油气总资源量的1/3，其中70%蕴藏于153.7 万km2的深海区[1-2]。深水油气藏地层由于压实程度低、储层疏松，气井生产极易出砂。此外，与滩浅海不同，深水油气藏的工况更加苛刻，属于典型的高温、高压环境，腐蚀性较强[3-5]。

筛管防砂是机械防砂的常用技术[6-7]，对油气藏的稳定开采起着重要作用。典型的机械防砂筛管一般 由基管、挡砂介质和外保护罩组成。外保护罩材质通常为304 钢，挡砂介质为多层316L 滤网，都是不锈钢材质，具有较好的耐腐蚀性能。而基管一般为N80 钢或P110 钢，属于普通碳钢，耐蚀性往往不能满足深水储层工况的使用要求，存在较大的腐蚀失效风险。加之一般情况下深水气井配产高、气体流速快，出砂对筛管的冲蚀磨损严重，易引发气井的防砂失效。整体采用耐蚀合金材质虽然能解决腐蚀、冲蚀等问题，但价格昂贵，不经济。近年来，随着表面技术的飞速发展，一些具有高性价比的涂镀层防腐技术逐渐在油气田领域推广应用[8-9]。本文主要针对深水油气藏的腐蚀环境，研究了镍钨合金镀层防砂筛管的现场适用性，为防砂筛管防腐选材提供新的方向。

1 实验

1.1 工艺流程

以尺寸为50 mm × 10 mm × 3 mm 的N80 钢挂片为基材，工艺流程为：砂纸打磨→丙酮清洗→中和→电解除油→水洗→初活化→水洗→活化→水洗→电镀镍钨合金→水洗→热处理。

1.2 电镀镍钨合金工艺

镀液组成为：NiSO4·6H2O 15 ～ 40 g/L，Na2WO4·2H2O 10 ～ 40 g/L，H3PO310 ～ 70 g/L，C6H5Na3O7(柠檬酸钠)30 ～ 100 g/L。其中NiSO4·6H2O 与Na2WO4·2H2O 的物质的量比为1∶(0.4 ～ 0.8)。电流密度2 ～ 8 A/dm2，pH 3 ～ 8，温度40 ～ 80 °C，施镀时间2.0 ～ 2.5 h。

电镀完成并清洗后4 h 内进行热处理除氢，温度180 ～ 200 °C，时间8 ～ 12 h。

1.3 性能检测和表征方法

1.3.1 形貌和成分分析

采用TESCAN VEGA II型扫描电镜观察镀层的表面和截面形貌，并采用附带的能谱仪分析镀层成分。

1.3.2 耐磨试验

根据SY/T 0315-2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》，采用落砂法(砂子体积200 L)对镀层进行耐磨试验，并采用Leica MEF4M 型金相显微镜及图像分析系统分析试验前后镀层厚度的变化，以评估地层出砂对镀层筛管的冲蚀磨损作用。

1.3.3 硫化氢应力腐蚀试验

采用NACE TM 0177-2016 Standard Test Method Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Corrosion Cracking in H2S Environment 的试验溶液A 及方法A 进行恒载荷下的硫化氢应力腐蚀试验。加载应力为85%的σs，即664.3 MPa，试验时间为720 h。

1.3.4 高温高压腐蚀试验

镀层试样规格为50 mm × 10 mm × 3 mm，镀层厚度约75 μm。作为对比，选择相同规格的N80 和316L材质试样，试验前用丙酮除油，干燥后标记并称量。采用CORTEST 100MPa 10L 高温高压釜进行模拟深水油气藏工况条件下的高温高压腐蚀试验。液相模拟水组成为：K+和Na+6 446 mg/L，Ca2+8 854 mg/L，Mg2+2 365 mg/L，Cl-31 877 mg/L， S O24−14 mg/L， HCO3−513.86 mg/L，总矿化度50 000 mg/L，pH 7.13。气相中CO2的体积分数为4%、8%或12%，H2S 含量为1 000 mg/m3。其余试验参数为：总压25 MPa，温度120 °C，转速1.0 m/s，时间168 h。试验时试样完全浸泡在液相中，试验结束后用去污剂和除膜液清洗，以清除表面的腐蚀产物，采用吹风机干燥后置于(25 ± 2) °C 的干燥箱中12 h，再用梅特勒-托利多FR2300MK 型电子天平称重(精度0.1 mg)，计算试样的质量损失和平均腐蚀速率。

2 结果与讨论

2.1 镍钨合金镀层的形貌及成分

从图1 可以看出，镍钨合金镀层表面平整、致密，无针孔、划痕等缺陷，厚度均匀，约75 μm。从图2 可知，镀层主要由Ni、W、P、Fe 四种元素组成，且表面和截面的元素含量基本一致，表明镀层内部元素分布非常均匀。

图1 镍钨合金镀层的表面及截面微观形貌 Figure 1 Surface and cross-sectional morphologies of nickel–tungsten alloy coating

图2 镍钨合金镀层的表面(a)及截面(b)能谱图 Figure 2 Energy-dispersive spectra of surface (a) and cross-section (b) of nickel–tungsten alloy coating

2.2 镀层的耐磨性

采用落砂法对镍钨合金镀层进行耐磨试验后，镍钨合金镀层的平均厚度为68 μm(见图3)，与原始厚度75 μm 相比，仅减薄7 μm。这说明镍钨合金镀层具有优异的耐砂粒磨损性能，也表明在海洋深水油气储层出砂的情况下，镍钨合金镀层防砂筛管能够满足现场耐磨性的要求。

图3 磨损试验后镍钨合金镀层的截面形貌 Figure 3 Cross-sectional morphology of nickel–tungsten alloy coating after wear test

2.3 抗硫化氢应力腐蚀性能

如图4 所示，镍钨合金镀层在恒载荷664.3 MPa 作用下试验720 h 后未发生断裂，表面仍十分光滑，无明显的腐蚀现象，只是略微变暗，放大50 倍观察也未发现镀层表面有裂纹或腐蚀产物。这表明镍钨合金镀层具有优异的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能。

图4 经硫化氢应力腐蚀试验后镍钨合金镀层的外观 Figure 4 Appearance of nickel–tungsten alloy coating after hydrogen sulfide stress corrosion test

2.4 高温高压腐蚀试验

图5 为镍钨合金镀层在模拟3 种典型深水油气藏工况条件下的高温高压腐蚀速率测试结果。可见镀层的腐蚀速率与316L 不锈钢的腐蚀速率相当，属于轻度腐蚀。N80 钢的腐蚀速率则远高于镍钨合金镀层和316L 不锈钢，相差约2 个数量级以上，属于极严重腐蚀，且随CO2体积分数增大而增大。

图5 不同样品在高温高压下的腐蚀速率 Figure 5 Corrosion rates of different samples at high temperature and high pressure

从图6、图7 和表1 可知，N80 钢表面存在明显的腐蚀产物膜。当CO2分压(体积分数)较低时，N80 钢表面部分被腐蚀产物膜覆盖。随着CO2分压的增大，表面沉积的腐蚀产物增多，腐蚀产物膜的厚度和面积增大，但缺陷较多，有很明显的孔隙。在CO2体积分数为12%的条件下进行高温高压试验后，N80 钢表面的膜层呈现多层结构，表层为FeCO3、FeS 等腐蚀产物膜，腐蚀产物膜与基体之间的界面存在(Ca, Mg)CO3垢层，且局部存在明显的腐蚀坑。

图6 N80 钢经不同CO2 体积分数的高温高压试验后的表面形貌 Figure 6 Surface morphologies of N80 steel after high temperature and high pressure test with different volume fractions of CO2

图7 N80 钢经CO2 体积分数为12%的高温高压试验后的截面形貌 Figure 7 Cross-sectional morphology of N80 steel after high temperature and high pressure test with 12vol.% CO2

表1 图7 中不同截面区域中各元素的质量分数 Table 1 Mass fractions of elements at different cross-sectional areas in Figure 7 （单位：%）

一方面，当CO2体积分数较低时，腐蚀产物膜处于边生成边溶解的状态，膜层基本没有保护性，材料发生均匀腐蚀。随着CO2体积分数的增大，溶液pH 降低，CaCO3的溶解趋势增大。另外由反应Ca2++ 2HCO−2→ CaCO3↓ + CO2+ H2O 也可看出，CO2体积分数的增大促使反应向CaCO3溶解的方向发展，因此试样表层沉积物中CaCO3较少，主要被FeS、FeCO3替代，FeS、FeCO3等更为致密的腐蚀产物膜形成，但并未抵消CO2分压本身对腐蚀的推动力。另一方面，腐蚀产物膜的附着力差，而且有缺陷或较疏松，在动态条件下液相流的冲刷作用使得形成致密而较厚的防护性腐蚀产物膜变得困难，因此材料的均匀腐蚀速率随CO2体积分数增大而增大。

从图8-10 可知，经高温高压试验后，镍钨合金镀层表面完整、致密，无明显的腐蚀坑，并且与基体结合完好。镀层表面腐蚀产物膜有3 ～ 5 μm 厚，主要由Ni、S 和Fe 三种元素组成。有研究[10-12]表明，镍钨合金镀层在CO2/H2S 环境中容易钝化而生成一层均匀、致密的膜，该膜层不易脱落或受到机械破坏，可有效阻止腐蚀介质的渗入而腐蚀基体，因此镍钨合金镀层具有优异的耐蚀性。

图8 镍钨合金镀层经不同CO2 体积分数的高温高压试验后的表面形貌 Figure 8 Surface morphologies of nickel–tungsten alloy coating after high temperature and high pressure test with different volume fractions of CO2

图9 镍钨合金镀层经CO2 体积分数为12%的高温高压试验后的截面形貌 Figure 9 Cross-sectional morphology of nickel–tungsten alloy coating after high temperature and high pressure test with 12vol.% of CO2

图10 镍钨合金镀层经CO2 体积分数为12%的高温高压试验后的截面能谱分析结果 Figure 10 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of cross-section of nickel–tungsten alloy coating after high temperature and high pressure test with 12vol.% of CO2

3 结论

(1) 镍钨合金镀层主要由Ni、W、P、Fe 四种元素组成，表面平整、致密，无针孔、划痕等缺陷，镀层截面厚度及元素分布均匀一致。

(2) 镍钨合金镀层具有优异的耐砂粒磨损性能，满足深水油气储层出砂工况下的耐磨性要求。

(3) 镍钨合金镀层具有良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能及耐高温高压电化学腐蚀性能，满足试验条件下的耐腐蚀性能要求。