抽油杆防腐技术浅析

2024-05-18林德云袁金雷王育杉

全面腐蚀控制 2024年3期

林德云袁金雷张继王育杉

（中国石油化工股份有限公司西北油田分公司采油三厂，新疆阿克苏 841600）

0 引言

机械采油经过一百多年的发展，形成了有杆采油和无杆采油两大体系装备，其中有杆采油装备约占80%以上[1]。抽油杆作为有杆采油的重要设备，断脱事故严重影响原油产量。抽油杆断脱原因主要有疲劳破坏和腐蚀疲劳破坏，由于多数井液含有较高的腐蚀介质，合格的抽油杆由腐蚀疲劳造成的断脱比例居高不下。目前虽然对抽油杆腐蚀原因和防腐技术研究较多，然而还存在概括不全、机理不清晰、应用范围不明确等问题，致使相关工作人员对抽油杆的腐蚀情况和防腐技术的有效性了解不够深入。若忽视抽油杆的腐蚀或选择不合适的防腐技术，抽油杆的腐蚀问题将得不到有效解决。为此分析和研究抽油杆腐蚀问题和防腐技术的有效性，对减缓抽油杆腐蚀的实操具有重要的指导意义。

1 抽油杆腐蚀原因

在油田开采过程中，特别是开采中后期，外加增产的注水技术，油井产液由原来的油包水型切换为水包油型，同时含有各种腐蚀介质，抽油杆的服役条件逐渐恶化，腐蚀状况日趋严重，主要原因有：（1）酸腐蚀，如CO2、H2S、气井酸化过程未排净的残酸。其中CO2在水中均易电离出H+，形成甚至比盐酸还要高的酸度，对金属抽油杆的的腐蚀极强[2]；（2）溶解氧腐蚀，如油田注水携带的氧气发生吸氧腐蚀[3,4]；（3）细菌腐蚀，如硫酸盐还原菌、铁细菌、硫氧化菌、硝化细菌和反硝化细菌等，主要参与硫、铁、氮循环[5]；（4）其他腐蚀，如Cl-、Ca2+、Mg2+等离子能够造成钝化膜损伤[6]。常见为多种因素的交互作用的综合腐蚀，另外高温环境和磨蚀对腐蚀又起到促进作用，使得普通抽油杆难以达到设计使用时长。油井现场需对井液做专业勘察与检测，确定腐蚀介质种类、形式、浓度等，还有井液温度、压力、杂质等因素，作为选择防腐技术的依据。

2 抽油杆防腐技术

为了减缓或阻止抽油杆的腐蚀破坏，不仅需要注重抽油杆受井液介质腐蚀的外因，还要考虑抽油杆本身材料耐腐蚀性的内因。基于抽油杆腐蚀的内因和外因两大影响因素，现有的抽油杆防腐技术研究集中在材料提升、井液改善、表面防护三个方面。

2.1 抽油杆材料提升技术

现有抽油杆防腐技术在材料提升方面，主要通过添加合金材料、调整微量元素、改善结构形态等方式，来提高抽油杆整体的防腐能力。

2.1.1 耐腐蚀合金技术

耐腐蚀合金技术是通过添加耐腐蚀元素，调整钢的比例来提高抽油杆耐腐蚀性。现有技术主要通过加入适量的铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、锰（Mn）等抗腐蚀元素，减少碳含量，调节铜（Cu）、钛（Ti）含量，不仅可以抗酸、H2S、生物菌腐蚀，还可以减少电化学腐蚀[7-9]，可以提高常规抽油杆25倍以上的抗腐蚀能力。其中采用中铬合金钢研制出超高强度防腐抽油杆（HK级）疲劳寿命大于100万次，对CO2和H2S抗腐蚀性良好，与常规H级杆相比其腐蚀速率下降约3倍以上[5]。耐腐蚀合金抽油杆从原材料上提高抽油杆的整体防腐性能，还具有更高的耐磨性。

2.1.2 防腐工艺处理技术

抽油杆在不改变原材料的情况下，采用特殊加工处理工艺也可以通过强化表层组织、提高结构合理性与均匀性来提高材质的防腐性能。成熟的防腐工艺有：喷丸强化技术、超音频表面感应淬火[10]、热处理工艺[3]、深度冷拔[11]等技术，能够强化表层结构或提高组织结构均匀性，进而防止表面脱碳、内部裂纹等缺陷产生。常用的喷丸强化技术是对抽油杆表面进行高速弹丸撞击，当喷丸强度达到0.32mmA，表面覆盖率为100%，最大工作应力σmax=333MPa时，腐蚀疲劳寿命可提高5.5倍[10]。防腐处理工艺不仅可以应用新抽油杆的制造还可用于旧抽油杆的修复。

除合金技术和工艺处理技术，还有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨、乙烯基酯树脂等复合新材料[11]。抽油杆材料提升技术能够有效提高其防腐性能，暂不适用于高腐蚀井液，还有复合材料耐高温性差的问题，同时造价较高不易大量推广。

2.2 抽油杆井液改善技术

对于服役中的抽油杆，不便于做材料提升或表层防护，可通过改善井液化学环境来缓解或消除抽油杆腐蚀问题。目前改善井液化学环境主要通过添加各种化学剂和阴极保护技术。

2.2.1 添加化学剂技术

添加化学剂技术是通过添加化学剂的方式来形成保护膜、减少腐蚀介质或改变环境性质，以达到减缓抽油杆腐蚀的目的。这类化学剂包括缓蚀剂、杀菌剂、除酸剂、除氧剂、pH调节剂等。用量较大的缓蚀剂是在抽油杆表面发生吸附和脱附，形成一层完整致密的保护膜来抑制腐蚀[3,12]。添加化学剂需要明确井液中各类腐蚀介质含量，对应定量添加，过多过少均会影响防腐效果。添加化学剂技术能够有效降低或抑制抽油杆的腐蚀速度，并适用于解决在役抽油杆的防腐问题，但存在运行成本高、污染土壤和地下水等问题。

2.2.2 阴极保护技术

阴极保护技术是将还原性较强的金属与被保护的金属连接，还原性较强的金属作为负极发生氧化反应而消耗，从而避免腐蚀被保护的金属[3]。在抽油杆上固定锌、镁、铝等材料或加装防腐防磨器，使其与井液共同组成原电池，保护抽油杆成为阴极不被腐蚀[13,14]。阳极材料对抽油杆的钢结构可实现直接的保护，但其溶解速度不可控，二次产物保护膜持久性差。改性阳极采用镁、锌、铝等配合适量的钸、铟、钛、锰等贵重金属，并按照严格的配方筛选，能够控制阳极的溶解速度并可延长保护距离，同时二次产物具有持久性和自修复作用，对抽油杆起到双重保护[15]。阴极保护技术不仅可以直接保护抽油杆不被腐蚀，改性阳极溶解物还有缓蚀作用。

添加化学剂和阴极保护技术属于外辅助技术，可在油井现场实施，适用于在役抽油设备。保证该类防腐技术有效性需要配套连续监测设施，同时化学剂和阴极保护材料作为耗材，运行成本也较高。

2.3 抽油杆表面防护技术

除了提升材料和改善井液来提高抽油杆的防腐性，还可以在抽油杆表面涂敷防护层，阻止井液与抽油杆直接接触，根据表面防护层材质的不同可分为金属材料、非金属材料和复合材料等防护技术。

2.3.1 金属材料防护技术

金属材料防护技术即在抽油杆表面增加耐腐蚀金属覆盖层。金属防护层由钨、锌、铬、镍等材料经电镀、复合电镀、扩散镀、感应熔覆、高速电弧喷涂等工艺附着于抽油杆表面，提高其抗腐蚀性能、柔韧性、脱氧性和硬度，同时可减少磨蚀和结垢[10,16-20]。其中“纳菲尔”钨合金电镀为非晶态合金，结构致密结合力强，耐磨耐腐蚀好[21]。俄罗斯研制的一种抽油杆扩散镀锌新工艺不仅具有优良的抗腐蚀性能、柔韧性和高硬度，还可起到固态润滑脂的作用，适用于含砂、石膏、黏土和其它固相的含水油井的腐蚀和磨蚀介质，使用寿命可延长2～3倍[16]。金属材料防护结构可提升抽油杆耐磨性和耐腐蚀性，但需要涂层完整密实，漏点的存在将形成原电池加速腐蚀[22,23]。

2.3.2 非金属材料防护技术

非金属防护涂层以有机涂料为主，无机非金属防腐涂料施工工艺、成本问题、补口问题等仍没有得到很好的解决[6]。有机防护层以外包覆、半包覆和热喷塑为主要防护形式[25-29]。一般是杆体注塑或包裹一层高分子聚乙烯材料，杆头涂敷树脂材料或热喷焊防护，还可采用聚丙烯、EVA、尼龙11、环氧树脂、环氧酚醛树脂和氯化聚醚等塑料材料，利用热喷塑工艺研制抽油杆的防护涂层，不仅提高了防腐耐磨性能，还降低了抽油杆的摩擦系数[24,27]。非金属防护抽油杆的耐腐蚀性很好、成本也更低，但其服役温度受限（＜150℃），高温会使其老化并降低附着力[30]。

2.3.3 复合材料防护技术

复合材料防护技术结合金属和非金属防护技术优势，综合防腐性能更高。通常是先涂敷金属防护材料，再涂敷非金属防护材料，解决了金属涂层漏点腐蚀问题，还有一些复合镀层：Ni-P镀、Ni-Co-P镀、Ni-W-P镀、Ni-Cu-P镀、三层复合涂镀等技术[31-33]，与基体结合力好，并具有更高硬度、极强的耐磨耐蚀性。装甲兵工程学院研制的复合涂层防腐抽油杆，生产工艺：喷丸+高速电弧喷铝+环氧树脂基漆，其具有很好的抗腐蚀性能，同时由于表面光滑，还具有防止结蜡和结垢的作用[10]。

表面防护处理还有氮化、碳氮共渗[34]、喷涂改性环氧涂料、喷涂聚脲涂层[35]等，对低粘度涂料（粘度＜200s）还可采用涂层附着力强、损失小、污染小的无气高压喷涂[36]。目前表面防护技术还存在基材处理不彻底导致电镀漏点、外包覆抽油杆难修复、有机防护层不耐高温，运输或下井过程中磕碰造成的局部防护层破坏等缺陷。表面防护总体还是经济有效的防腐技术，也是目前应用最广的抽油杆防腐技术。