石油钻杆内涂层防腐蚀

· 安全 · 饥竹 访 海 石油钻杆内涂层防腐蚀 ,ANT卜CORROSION OF INNER LINER OF DRILL ROD (J} 1 钻杆腐蚀的严重性 钻杆的工作环境 (钻井泥浆及地层)申，常含 有腐蚀性介质 (如 O-、H。S、CO。及 泥浆添加剂 的分解产物等)，对钻杆产生严重的腐蚀。同时在 钻进过程中，钻杆还要承受拉，压、弯、扭、振动 载荷，旋转离心和起下钻时附加的动载作用等，工 ． ． 作条件十分恶劣．在这种工作条件下，上述各种因 素共同作用的结果，常常造成钻杆腐蚀疲劳失效． 据报道，全国各油气田每年至少发生钻杆失 效 事 故soo起，直接经济损失在4000万元以上．钻杆失 效表明，腐蚀疲劳失效约占79．6 c t·”． ‘ 现举几例说明钻杆腐蚀的普遍性及严重性． 1982年3月至7月，华北油田任205井在4个月 ． 中发生了13次钻杆(G105钢级 127 X 9．19ram)管 ’ ’体折断或刺穿事故，．其中8次是由于腐蚀疲劳造成 、、盼，占61．5％． ． 、 一 ^ ： 1982年12月至1983年7月，新疆哈一井先后发 生钻杆管体刺穿或断裂事故54次，送检的6根管体 均属腐蚀疲劳c¨ ． 1984年4月至8月，四川川南矿区对III~I井的在 用钻杆探伤检查，发现34根E75钢级、17根 X95钢 级、 5根 S135钢 级钻杆均在内加厚过渡区终了处 有腐蚀疲劳裂纹． 3986年大庆油田对出井钻杆进 行无损探 伤检 查，因蚀坑深度超过钻杆壁厚的 45％而报 废的钻 杆，占受检总数的5O％以上． 1986年 中 原油田共 报 废 钻 杆 78 km，损 失 680多万元，其中因腐蚀而报废的约占 27％．某钻 井队使用$135钻 杆 213根，当累计进 尺13155 m 对，发现42根严重腐蚀，另外200根G1O5钻杆，在 累计进尺仅4500m时，就有98根严重腐蚀l另一钻 T，2 9 ． 井队在井深2500m时换用全新的S135和G105两种 钻杆，钻至4678时发现31根严重腐蚀，到井深5000m 完钻时，竟有$135钻杆229根、GlO5钻杆 122根严 重腐蚀，管体内外壁布满蚀坑，内壁坑深2 N2．5 mm，外壁坑深 2mm¨】． 另外， 腐蚀严重的四川气田，因泥浆申含H-S 及NaCI最高，川东一套新钻具只能钻1 600m左右， 川西北一套 GlO5钻具 下井 4o0h后，5根钻杆刺 穿，1根刺断，盘 参1井 1500 m S135钻杆下井届 32根刺穿 ¨ ． 上述事例仅是钻杆腐蚀疲劳失效事故的一小部 分，由此可见钻杆的腐蚀是十分严重的，所造成的 经济损失是惊人的．因此，研究钻杆腐蚀原因，从 而采取一定，防止钻杆腐蚀，延长使用寿命， 也是提高经济效益的一项不容 忽视 的工作． 2 钻杆腐蚀的原因 钻杆腐蚀的主要原因是电化学腐蚀和应 力 腐 蚀． (1)电化学腐蚀 与钻杆有关的腐蚀原电池主要有下 列几 种情 况 ： ① 钢铁 申含 有杂 质 Fe,C，它的电极电位 高，成为阴极， 与钻井液相接触的纯铁为阳极，被 不断溶解，其结果常引起均匀腐蚀。 ② 钻杆表面的不均匀性．如受力不均匀，受 力大的部位成为阳极，若金属表面钝化膜有孔隙， 孔内暴露的金属为阳极，再比如将新，旧钻杆接在 一 起时，新钻杆将成为阳极等等。这些因素都会使 钻杆的阳极部位遭到局部腐蚀． ③ 介质不均匀构成浓差电池，特别是氧浓差 电池。当钻杆处于氧浓度不同的钻井液申时，氧浓 化学工程师》1／1993(总第31期> · I6 · ． ． ● ● ’ 维普资讯 http://www.cqvip.com 度低的 位其H三极电位 也低，将成为阳极而 首先被 腐蚀·钻井液中常常含有氧，而钻杆上 经 常 有 垢 斑，锈斑及粘土复盖物等，这些部位因缺氧而成为 阳极，首先被腐蚀，产生坑蚀 c”。 (2)应力腐蚀 金属材料在交变应力作用下产生破坏的现象叫 金属疲劳，在介质腐蚀下会加速金属疲劳，称为腐 蚀疲劳，在应力和腐蚀介质的共同作用下，应力集 中部位将发生腐蚀疲劳裂纹，最终导致钻杆断裂． 在电化学腐蚀反应中产生的氢原子会渗入到金 相组织中去，氢原子缔合成氢分子后体 积 增大 约 2O倍，从而使钻杆变脆，并发生脆性断裂现象，称 为氢脆．钻井环境中的H：S(来自地层及钻井液添 加剂的分解产物等)是造成氢脆的主要原因。 钻杆腐蚀主要是电化学腐蚀．电化学腐蚀与应 力腐蚀共同作用的结果，常常使 钻 杆 由坑蚀，裂 纹，刺穿，最后导至断裂。 5 防护措施 对于金属的腐蚀，经常采用的防护措施有：阴 极保护，添加缓蚀剂，镀层和涂层 等．或单 项应 用，或几项配合应用，效果较好．，由于钻杆工作条 件的特殊性而导致其腐蚀防护的特殊性。 (1)阴极保护不适用于钻杆的腐蚀防护 阴极保护有两条途径：～是外加电流，另是牺 牲阳极． 外加电流法，是在金属构件与外加电源及腐蚀 环境之间形成直流电路。金属构件 与直流电源的负 极相连，直流电源的正极与外加的辅助电极相连． 电路接通后，电源使金属构件电位降低，当电位降 至腐蚀电池的阳极起始电位时．金属构件就不腐蚀 或腐蚀很轻了。这就是外加电流法的阴 极 保 护 原 理。其关键是直流电路的形成。在钻井过程中，钻 杆可与直流电源的负极相连，充当阴极，但辅加的 阳极如何安置呢?在钻杆内加 一 根 阳 极，显然不 行，此外别无它法．就是说，在钻井过程中，钻杆 不能与直流电源形成直流电路，因此外加电流法的 阴极保护行不通。 牺牲阳极是一种电位较负的金属连接在金属掏 件上，使两者在 电解液中构成一个原电池，因牺牲 阳极电位较负，它被腐蚀了。而金属构件得到了牺 牲阳极放出的电流，因而腐蚀减弱 (或 停 止 了 腐 蚀)，使 属构什似到fI：{)、t。 杆 用此法进行阴 极保护时，须将一种电位较负的金属 块 (镁 或铝 等)附着于钻杆内壁上．但是钻杆内壁的附加金属 块必将成 为泥浆流动的障碍物，扰乱其流动状态， 产生涡流等，这对钻井作业及钻杆本身都是很不利 的。因此，此法也行不通。 这就表明，对于钻杆的腐蚀，不能采用阴极保 护措施． (2)镀层对于防止金属腐蚀也是行之有效的措 施之一。但对于钻杆，不能施行镀层，因为在镀层 的过程中，金属的晶体结构受到影响，发生氧脆现 象，钻杆的机械强度降低，易发生扭断事故。故钻 杆不能镀层． ’ (3)缓蚀剂也很难用于钻杆防腐 一 般来说，缓蚀剂对于延缓金属的】窝蚀是有一 定作用的，如化工设备，石油采输系统等的金赢防 腐蚀，缓蚀剂的作用是比较明显的。缓蚀剂的缓蚀 作用，一般是由于缓蚀剂分子在金属表面上形成一 层吸附膜，保护金属免遭腐蚀。但缓蚀剂分子在金 属表面的吸附是一个动态平衡过程，它在金属表面 上的吸附量与介质中缓蚀剂的浓度有关。当介质中 缓蚀剂的浓度减少时，它便脱附回到介质中去'．为 保持缓蚀剂在金属表面上的一定吸附量，对于流动 性介质 (如泥浆等)应经常添加缓蚀剂，以保持其 在介质中的一定浓度．从经济核算来看，其耗资是 相当大时．对于石油钻探时的钻杆腐蚀，应用缓蚀 剂的困难更大。除上述原因之外，-还存在缀蚀剂与 泥浆粘土颗粒的相互作用问。粘土颗粒 (半径小 于 1 m)作 为 泥浆中的分散相，具有广大的程界 面，其总面积约为钻杆内表面积的lO万倍 缓蚀剂 分子既可以吸附在金属表面上，也可以附在粘土颗 粒的表面上，而在粘土颗粒上的吸附量将远远大于 在金属表面上的吸附量．也就是说，加入泥浆中的 缓蚀剂只有极少一部分吸附在钻杆的内表面上，而 绝大多数被泥浆带走了，没有发挥 缓蚀 作 用。’因 此，缓蚀剂用于钻秆的防腐蚀，也是不可行的． ( 内涂层是钻杆防腐蚀的最都济最育效的措 · ： 施 ； ① 涂层分子与金属表面分子的相 互作 甩力 是氢键力和配位键力等，结合牢固，最大剪切’ 力可达 3．9kN／cm=。涂膜 致密，将 金 属 表面 与 腐蚀环境完全隔离开来，避免了化学腐蚀．而对于 岱化学工程师》111993(总第31期) ·一I7 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 电化学腐蚀． ：J； 』 1J：在腐蚀电池的两极I'HJ插入 了一个巨大电阻，阻止腐蚀电流的形成，保护金属 免遭腐蚀．同时在涂层中还常应用富锌底漆和磁性 氧化铁底漆。富锌底漆含有大量锌粉，附着于钢铁 表面，．起到 极保护作用。而磁性氧化铁涂料中的 磁性铁棕粉，一方面由于磁性作用，增强涂层与钢 铁表面的吸引力，将二者之间的距离缩短到尽可能 小，从而大大地增强了涂层与钢铁表面的附着力． 另一方面，铁棕粉几乎完全占有钢铁表 面 的 悬 空 键，并将其化学键的势能降到尽可能低，处于极其稳 定的状态，使各种 锈蚀介质无法利用钢铁表面的化 学键形成原电池，从而达到化学防锈的目的。由上述 可见，涂层防腐绌的效果在理论上是可以预见的。 ② 涂 层 防 腐 是一次性施工．且在专业工厂 内进行，施工质量有保证。涂料用量少，lO00m长 的钻杆用漆最最多 (包括损失)不 超 过200 kg， 经济上无疑是非常便宜的． ③ 酚醛树脂改性环氧树脂型涂料及环氧聚氨 H旨涂料对钻杆防腐蚀十分有效。 (i) 酚醛树脂改性环氧 树 脂 涂 料，是利用环 ；氧树脂的环氧基和脂羟基与酚醛树脂羟甲基和酚基 起交联反应，可制得常温下稳定的单组分漆．烘烤 成膜后，综合环氧漆的附着、坚韧和耐碱性，以及 ，酚醛漆的耐酸、耐热和耐溶剂性的优良性能，适合 于作钻杆内涂层用漆。 ． (ii)环氧聚氨酯漆 聚氨基甲酸酯 (简称聚氨酯)漆，由于在漆膜 中含有相当数量的 氨酯键 以及酯键、醚 键、尿键 等，使聚氨酯漆具有一系列的优良特性： a漆膜耐磨性特强，在各类涂料巾 是 最 突 的， b漆膜附着力强，与多种物面 (包括金属)均 有优异的附着力， c漆膜具有全面的耐化学品性，耐酸碱、盐液 及石油产品等的侵蚀， d能高温烘烤，也能低温固化，固化温度的可 讽范围宽， e可根据需要制成耐低温的品种和耐高温的品 种I f可与聚酯、聚醚、环氧等多种树脂配合，制 成性能更为优异的涂料。 由于具有上述优良性能，聚氨酯漆用于钻杆内 · 48 · 涂 也是很适宜的。4,I-~JU是与环氧树脂配合制成环 氧聚氨酯漆，将兼具环氧漆与聚氨酯漆 的 优 良 性 能，是钻杆内涂层很理想的一种防腐涂料。 据美国报道，涂层钻杆比未涂层钻杆延长使用 寿命 2一～ 3倍。我们按延长使用 寿 命 1倍 计 算： lO00m 钻杆涂漆200 kg，约 4000元，加上施工等 其它费用按5000元计算，折合一根lOre长钻杆，涂 漆费用5O元，而买一根新钻杆要2000元，就是说花 5O元的涂漆 (包括施工)费用，节省了2000元购置 新钻杆费，经济效益1950元．涂漆费用仅为新钻杆 购置费的1／40，若再将减少事敝所节省的费用考虑 进去，其经济效益就更为可观了。 综IlL昕述，对于金属腐蚀的各种防护措施中， 只有内涂层适用于钻杆，且经济可靠，效果显著． 参 考 文 献 1 李鹤林等，石油钻杆失效分析及预防措施，石油机 械，1990(8)；38~44 2 李平全等．钻杆腐蚀疲劳失效及其预防，石油钻采 ，1990(2)：39~48 3 韩 勇等，GlO5钻 杆 管体剌穿原因分析，石油机 械 ，1990(1)；37~43 4 赵景茂等，泥浆经蚀剂的研究概况，钻井液与完井 液，1990(2)：6～11 5 殷名学等，钻具硫化物腐蚀和钻井液除硫剂，天然 气工业，1990(4)：52~56 6 华明琪等，钻具街蚀与防护，油田化学’1988~ (1)：71～ 80 000000000000000000000000000000000 尽 管前 面有太 多的荆棘 太 远 的路 程 目标永远无止境 有止境的是 ^生 OOOOOOOOOOOOOOO0O0ooO (《化学工程师))111993(总第31期) 维普资讯 http://www.cqvip.com