一种新型超高强度防腐抽油杆的研制

2016-08-30 14:09:35 作者：贺国伟来源：玉门油田分公司机械厂分享至：

随着国内外采油装备的不断发展，抽油杆的发展趋势是新结构、新工艺、新材料、抗腐蚀、高强度、耐磨损等。为满足原油开采中的低液面、高含水、高凝等方面的要求，国内外近年来在抽油杆研制上已经取得了很大的发展，随着钻井技术的不断进步，各油田的油井深度越来越深，2000m 以上的深抽油井所占比例越来越大，市场对高强度H 级抽油杆的需求在逐年增加，长期以来，H 级抽油杆（抗拉强度为966～1195Mpa）因腐蚀造成杆体疲劳断裂的问题一直以来困扰国内外各油田，而防腐抽油杆（K 级）抗拉强度620～793Mpa，又不能适用于深油井。基于以上矛盾，我们提出研制一种抗拉强度高同时抗腐蚀性能好的新型超高强度防腐抽油杆。

抽油杆腐蚀形成的机理是非常复杂的，几十年来国内外各大科研院所都在研究其腐蚀机理，并试图寻找较好的解决办法，但都只是在局部领域取得成功。从油田钻、采、修井作业和井下地质资料来看，造成抽油杆腐蚀的因素主要有生物菌腐蚀、H2S腐蚀、酸腐蚀、SO2、CO2气腐蚀等，其中生物菌腐蚀、H2S、CO2腐蚀又最为严重，每年因该原因腐蚀的抽油杆约占抽油杆总量的20％～30％。

目前制约超高强度防腐抽油杆研发的因素较多，主要是对腐蚀机理的研究和认识问题；各地区、各油田的生物菌种不同和井下介质的差别；抽油杆材料价格问题；特殊涂料的研发和处理工艺等问题。超高强度防腐抽油杆在采油设备方面属于国际上前沿课题，对其研发是十分必要的，此次研发抽油杆材料首次采用中铬合金钢，其成功研发将提高我国抽油杆在国际上的知名度，将提高产品的技术含量和产品附加值。

1 研制方案

1.1 研究目标

1）完成一种新型超高强度防腐抽油杆的工艺试验。

2）完成多种规格系列新型超高强度防腐抽油杆的产品研发和推广应用。

1.2 主要研究内容

我们主要研究了H2S、CO2及生物菌等对金属的腐蚀机理，研究了中铬合金钢的抗腐蚀效果。采用中铬合金钢研制出超高强度防腐抽油杆，并小批量生产进行了试验和使用。

1.3 关键技术与创新点

新型超高强度级防腐抽油杆的研制属国际前沿课题，其成功研制不仅对H2S、生物菌对抽油杆的腐蚀机理有更深刻的认识，更主要是使我国抽油杆的制造技术水平和研发能力在国际上也处于领先地位，目前抽油杆国际标准API11B 规范中高强度抽油杆是D 级（抗拉强度为966～1195Mpa），防腐抽油杆为K 级（抗拉强度为620～793Mpa），而我们研发的超高强度防腐HK 级抽油杆抗拉强度为966～1195Mpa。

我们通过模拟试验，提高了H2S、生物菌对金属腐蚀机理的认识；研究了材料中Cr、Ni、Mo 含量的变化对抽油杆锻造、热处理、滚压加工性能的影响；研究了材料中Cr、Ni、Mo 含量的变化对抽油杆抗腐性能的影响。其中新材料的选用和试验其材料的性价比非常合理，我们对新材料的锻造和热处理工艺试验和工艺技术攻关取的了成功，新材料超高强度抽油杆抗腐蚀能力和效果测试很好，填补了国内超高强度级防腐抽油杆的技术空白，次采用性价比合理的材料研制超高强度防腐杆，为复杂条件下的深抽井降低开采成本开辟了新的途径。

1.4 研究情况

1.4.1 腐蚀机理及防腐措施

微生物细菌的腐蚀机理：微生物细菌对金属的腐蚀，在20 世纪有国外学者曾提出硫酸盐还原菌参与金属腐蚀中阴极去极化理论后才开始受到重视。全球每年因微生物腐蚀造成的经济损失巨大，虽然有关金属腐蚀的微生物种类很多，但是其中比较重要的是直接参与自然界硫、铁和氮循环的微生物。参与硫循环的有硫氧化细菌和硫酸盐还原菌；参与铁循环的有铁氧化细菌和铁细菌；参与氮循环的主要有硝化细菌和反硝化细菌等。这些细菌按其生长发育中对氧的要求，又可分为好氧腐蚀菌和厌氧腐蚀菌两类。主要有铁细菌、硫氧化菌、硫酸盐还原菌及硝化细菌和反硝化细菌等。

控制微生物腐蚀的主要措施较多，例如：限制营养源；控制微生物生长的环境条件；采用化学杀菌剂和抑菌剂；物理、生物控制方法；改变金属的化学成份；金属表面防腐层的改变等。但油井的工作环境较难改变，同时井液中的CO2和H2S 和微生物细菌的结合是抽油杆腐蚀的最关键因素，因此控制腐蚀的办法最好是采取改变抽油杆金属材料的化学成份和改变金属表面防腐层。

1.4.2 抽油杆材料的优选

抽油杆材料的优选是该HK 级抽油杆研发的关键技术之一，直接关系到项目的成败。根据我厂多年三抽采油设备及炼化设备设计和制造的经验，井口装置和井下作业工具的设计、制造经验分析，金属Cr、Ni、Mo 具有较好的抗酸、H2S、生物菌腐蚀性能，因我们决定利用Cr、Ni、Mo、C 含量不等的标准材料制成常规D 级短杆在油田H2S、生物菌腐蚀较严重的井进行了试验，试验3～6 月后采集数据，数据分析后选择性价比合理的材料。最终选用了中铬合金钢。

1.4.3 新材料的热处理工艺技术攻关

通过事先制定的多种热处理工艺方案，对材料进行热处理，并分别检测其力学性能，确保新材料热处理后力学性能稳定、金相组织合理、各项性能指标达H 级杆的要求。通过多种方案的比对，确定合理的热处理工艺。在此基础上，进一步检测其锻造性能、加工性能、百万次疲劳寿命。

2 研制结果及讨论

2.1 新产品力学性能试验

新型超高强度防腐抽油杆的锻造、热处理工艺合理，具有可操作性。抗拉强度为966～1195Mpa；延伸率：≥12％；断面收缩率：45％～55％；疲劳寿命大于100 万次。新产品的其它各项性能和技术指标完全能达到SY/T5029《抽油杆》及API11B 标准规范的要求。

2.2 新产品抗腐性能试验

小批量生产新产品后，随机抽取部分试样进行抗腐性能试验，实验结果反应新产品具有良好的抗腐性能。经CO2压力为0.3MPa，流速为1.5m/s,恒温80℃高温高压釜中经168h 耐蚀性试验完毕后取出试样，记录各试样腐蚀后形貌，清除腐蚀产物后再记录形貌，通过腐蚀形貌对比，对各试样的耐腐蚀性能进行分析。