CN102305027B

CN102305027B - 一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管

Info

Publication number: CN102305027B
Application number: CN2011102310742A
Authority: CN
Inventors: 李春福; 李昆; 单春艳
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: CN102305027A

Abstract

本发明涉及一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管，该隔热油管为单层油管结构，油管基体选用抗600℃温度以下的珠光体热强管道用钢，其螺纹连接的接箍采用密封性能良好的API长圆扣螺纹；所述隔热油管的内表面包括油管接箍和螺纹部分有均匀的厚度不小于40μm的化学镀层，其外表面带有厚度不小于0.30mm的热障涂层。本发明增大了隔热油管的环空，提高了注气效率和隔热性能，有很强的抗高温高压蒸汽腐蚀的能力，且节省钢材、结构简单、制造容易，在稠油热采工况条件下工作寿命明显延长。

Description

一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管

技术领域

本发明涉及一种减少热量向井壁四周散失、增强隔热效果、提高注入目的层蒸汽干度、提高稠油热采的热效率、同时具有抗蠕变防腐蚀功能的应用于石油工业稠油热采过程中的隔热油管。

背景技术

世界稠油资源相当丰富，已探明的储量是3000亿吨以上。然而，石油工业经过一个多世纪的发展，可供开采的稀油资源仅剩下1700亿吨。因此，有人说，21世纪的重要能源将是稠油。

稠油油藏一般采用热力开采，就其对油层的加热方式可分为两类：一类是把热流体注入油层，如注热水、蒸汽吞吐、蒸汽驱、注入热的轻烃类液体(也叫稠油掺稀)等；另一类是在油层内燃烧产生热量，称为层内燃烧或火烧油层。其中火烧油层又分为：干式向前燃烧法、湿式向前燃烧法和返向燃烧法。当今世界稠油开采主要以蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等热力开采为主，其产量约占稠油总产量的70％(杨鑫军，稠油开采技术[J]，海洋石油，2003，23(2)：55～59)。热力开采主要采用注蒸汽开采，其中包括蒸汽吞吐和蒸汽驱。在注蒸汽开采中，蒸汽驱产量占有一定的比例，几个大型蒸汽驱开发的油田有美国的Kern River、Belridge油田，印度尼西亚的Duri油田，委内瑞拉的Bare油田，加拿大的Cold Lake油田和Peace River油田。蒸汽吞吐开采在委内瑞拉规模最大，其次是美国和哥伦比亚。

我国早在60年代初，就在克拉玛依油田开展了蒸汽吞吐和蒸汽驱试验，并先后在新疆、胜利、吉林开展了火烧油层试验。直至上世纪80年代初，相继在辽河高升和曙光油田、新疆克拉玛依油田九区、胜利单家寺等大型稠油油田开展了稠油热采的工业性试验。我国在融合国外注蒸汽开采的先进技术和装备的基础上，逐步形成了适应本国稠油油藏特点的注蒸汽开采技术，这极大地促进了我国稠油的大规模工业化开采，稠油产量高速增长，我国现已成为世界主要稠油生产国之一。

我国当前稠油热采仍然以蒸汽吞吐为主，蒸汽驱先导试验始于1987年，至目前，辽河油田、胜利油田以及新疆克拉玛依油田均已开展大规模工业性试验。

在稠油热采的热力开采过程中，如何防止热采过程中的热能损失是稠油热采中的一个重要的课题。目前，为了达到以上目的，稠油注蒸汽开采中多采用隔热油管，防止热能在向一定深度的稠油地层输送中过多的向目的层以上的地层散失。

目前，稠油热采使用的隔热油管是由外层油管与内层预应力油管及内外层油管中间的真空层或充液氮层构成的具有暖水瓶结构的双层油管，在注入20MPa、350℃的干蒸汽条件下，管内外的温差在70℃左右。SY/T5324-94标准给出的稠油热采蒸汽驱用隔热油管(朱进礼，蒸汽驱用隔热油管的研制[J]，石油机械，2007，35(7)：35～37)，其结构是由外层油管与内层预应力油管及内外层油管中间的真空层或充液氮层构成的具有暖水瓶结构双层油管构成，每根长度在10m左右，双层油管之间或抽真空或充氮气等隔热材料，隔热油管内管为预应力管。隔热油管串之间的连接，采用每根隔热油管两端的螺纹与接箍连接。

这种隔热油管具有以下性能：

1.吸气功能。通过对污染气体进行清洁，延缓了系统随时间增加隔热性能下降的趋势，在较长期工作中可保持良好的隔热性能；

2.用隔热油管注汽可以使注汽热损失大幅度降低，大大提高了可注入深度和注入油层的蒸汽质量；

3.降低了套管和水泥环的热应力，防止套管高温损坏。

这种隔热油管也具有以下不足：

1.隔热油管采用常规的N80油管制造，钢材的抗高温蠕变性能差；

2.由于隔热油管的双层油管的暖水瓶结构，减小了管内环空尺寸，减小了高温高压蒸汽的注入量；

3.螺纹连接采用API矩形扣，密封性较差；

4.相邻的两根隔热油管通过衬管和接箍连接，两者之间没有隔热材料，增大了热量的散失，蒸汽由井口注入到井底和油层的过程中，热量不断通过隔热管、环空、套管、水泥环等不同的传热环节损失到地层中，隔热效果仍不理想；

5.隔热油管抗高温高压水蒸汽腐蚀性能差，特别是接头丝扣处，常常因为腐蚀问题造成隔热油管早期失效。

因此，提高隔热油管钢材的抗蠕变性能、解决螺纹密封性差、解决接箍处的隔热问题、提高隔热油管的隔热性能、增大隔热油管的管内环空、提高隔热油管的注气能力、提高注入蒸汽的干度、增强隔热油管的抗腐蚀性能等是进一步提高稠油热采热效率、降低采油成本的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管，该耐蚀隔热油管增大了隔热油管的环空，提高了注气效率和隔热性能，有很强的抗高温高压蒸汽腐蚀的能力，且节省钢材、结构简单、制造容易，在稠油热采工况条件下工作寿命明显延长。

一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管为单层油管结构，油管基体选用抗600℃温度以下的珠光体热强管道用钢，其螺纹连接的接箍采用密封性能良好的API长圆扣螺纹。所述隔热油管的内表面包括油管接箍和螺纹部分有均匀的厚度不小于40μm的化学镀层，其外表面带有厚度不小于0.30mm的热障涂层。

本发明隔热油管的材料选用抗600℃温度以下的低碳低合金珠光体热强管道用钢作为稠油热采隔热油管基材用钢。这类钢材具有足够的高温强度，其错误！未找到引用源。值较目前常用的N80钢高30％以上，且400℃时的蠕变率较N80钢低2个数量级以上。这种钢材含碳量均小于0.2％，在正火状态下，显微组织由珠光体和铁素体组成；在400℃，持久强度不小于200MPa，蠕变极限不低于150MPa。这类钢材包括：15CrMo、12CrMoV、12MoVWBSiRe等；钢管的最终热处理采用正火，其组织为铁素体+片状珠光体组织，组织稳定性好，可以保证在300～400℃、20MPa的高温高压水蒸气条件下长期稳定的工作，其螺纹连接采用密封性能良好的API长圆扣代替原有的矩形扣，改善了隔热油管串的密封问题，可以进一步减少因密封不良造成的热损失。

在该隔热油管的内表面包括油管的接箍和螺纹部分进行了均匀的化学镀，目的是为了防止管内壁及螺纹部分在注入高温高压(350℃、20MPa)蒸汽的过程中被腐蚀损坏，这种化学镀层可选用如下几种：Ni-P、Ni-Fe-P、Ni-Cu-P及其相应的三元复合镀及多元复合镀的变种，施镀的厚度不小于40μm，从而使得隔热油管的内表面具有很强的抗高温高压蒸汽腐蚀的性能。

在该隔热油管的外壁包括油管的接箍部分，有厚度不小于0.30mm热障涂层，这种热障涂层具有与基体良好的结合强度(30～50MPa)、高的硬度(不小于Hv690)、良好的耐磨损性能、良好的抗热震性(900℃充分加热保温后淬入NaCl水溶液中冷至室温后再重复上述过程，直至涂层出现裂纹或部分剥落的冷热循环次数不低于50次)、在300～400℃时与基体金属相近的热膨胀系数以及很低的热扩散系数、很低的热导率及良好的隔热效果。

所述热障涂层包括两部分，一部分为与钢材基体粘结的NiCrAlY打底层，另一部分为打底层外面的隔热陶瓷层。实际操作如下：对油管的外表面(包括接箍)进行喷砂打毛后用航空汽油或丙酮清洗，经100～200℃预热后对钢管的外表面喷涂中间粘结合金NiCrAlY(中间合金成分质量百分比为Cr：22.0％，Al：11.0％，Y：1.0％，Ni：余量)打底层，打底层厚度为0.10mm，然后再进行厚度不小于0.20mm的隔热陶瓷层的热喷涂(可选用的隔热陶瓷层包括：部分稳定ZrO₂涂层、Al₂O₃/ZrO₂涂层、莫来石涂层以及相应的纳米涂层以及掺杂纳米涂层等；可选用的热喷涂方式包括等离子喷涂、爆炸喷涂及火焰喷涂等)。对油管经过上述处理后，可以保证在稠油热采中得到较高的热效率的同时，增强隔热油管的抗热蒸汽腐蚀的性能，提高油管的抗蠕变性能，达到保证隔热油管具有较长的无故障工作时间的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于采用单层钢管结构，具有管内最大的环空，提高了单位时间的蒸汽注入量，节省了钢材；由于热障涂层的存在增强了油管的隔热效果，较常规的SY/T5324-94规定的E级隔热油管提高热效率50％上；由于隔热油管内包括连接丝扣部位均带有厚度不小于40μm的化学镀层，具有良好的抗热蒸汽腐蚀的能力。在20MPa、350℃的高温高压蒸汽的注入条件下，管内外温差可达120℃以上，较常规的隔热油管要求的70℃有明显提高，具有更好的隔热效果。

附图说明

图1是本发明耐蚀隔热油管的结构图。

图2是图1中A处的局部放大图。

图3是化学镀层(Ni-Fe-P复合镀层)的SEM元素线扫描图。

图4是热障涂层的截面SEM图。

图中：

1-接箍；2-钢管基体；3-热障涂层；4-化学镀层；5-长圆扣螺纹；6-隔热陶瓷涂层；7-NiCrAlY打底层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

参看图1、图2，一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管为单层油管结构，钢管基体2选用抗600℃温度以下的珠光体热强管道用钢，接箍1采用密封性能良好的API长圆扣螺纹5。所述隔热油管的内表面包括油管接箍和螺纹部分有均匀的厚度不小于40μm的化学镀层4，其外表面带有厚度不小于0.30mm的热障涂层3。所述热障涂层包括两部分，一部分为NiCrAlY打底层7，另一部分为打底层外面的隔热陶瓷涂层6。

在实际操作中，首先将加工好的具有API长圆扣的41/2英寸的15CrMo钢油管及接箍分别进行严格的表面除油除锈处理，然后放入化学镀Ni-P镀液中进行化学镀。

化学镀是在没有外电流的作用下，利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体材料表面上形成金属镀层。化学镀中的Ni-P镀一般采用次磷酸钠做还原剂，其主要氧化还原反应过程如下：

H₂PO₂ ^-+H₂O→HPO₃ ^2-+H⁺+2H⁰(氧化过程) (1)

Ni²⁺+2H⁰→Ni⁰+2H⁺ (还原过程) (2)

两式相加为

Ni²⁺+H₂PO^2-+H₂O→Ni⁰+HPO₃ ^2-+3H⁺ (3)

采用的酸性化学镀配方主要组成物质如下：

将化学镀配方与去离子水配成镀液，工件施镀时将镀液的pH值调至4～6之间，温度控制在80℃左右。采用镀液中加入MgSO₄等微量活性物质的方法将施镀过程中从工件表面脱落到溶液中的Fe⁺²离子驱回镀层中来保持镀液稳定，解决化学镀Ni-P存在的镀液不稳定及镀层的针孔率高等问题。将经过预处理的接箍及油管放入渡槽内施镀4～6小时，经烘干后，形成厚度大于40微米的致密的Ni-Fe-P复合镀层。

图3是Ni-Fe-P复合镀层的SEM元素线扫描图。初始镀层中铁的含量很少，随着施镀过程的发展，从金属表面游离到镀液中的铁离子增多，被趋回镀层中的铁增加，中间层的含铁量增多，后期由于镀层增厚，从钢的表面游离出的铁离子减少，被趋回镀层中的量明显减少。

将经过化学镀的油管、接箍的外表面进行喷砂打毛后用航空汽油或丙酮仔细清洗表面，经过预热后进行等离子喷涂。工件首先用NiCrAlY合金粉末打底，喷涂的打底层厚度为10μm，金属粘结涂底层采用粒度为45μm～75μm的Ni(69.5％)Cr(25％)Al(5％)Y(0.5％)喷涂粉末。然后进行纳米掺杂隔热陶瓷层的喷涂。等离子喷涂的粉末是具有良好隔热性能的较强的耐磨损性能的纳米掺杂AZ-20粉末，粉末的制备采用粒度为40～60μm、纯度为99.99％的Al₂O₃、ZrO₂及Y₂O₃粉末，按照Al₂O₃78wt％、ZrO₂20wt％及Y₂O₃2wt％的比例混合，作为等离子喷涂热障涂层材料备用；纳米材料采用总重量15％的粒度为20～40nm的Al₂O₃、ZrO₂及Y₂O₃，按照上述同样的比例进行混合，采用五份的蒸馏水、加入适量的粘结剂，在超声波分散仪中进行纳米材料分散60min，制成均匀的胶体溶液，而后混入微米级粉末经强力搅拌均匀，后经离心脱水，烘干烧结。烧结温度为800～1200℃，烧结时间为2h。最后经过筛分，制成40～100μm的纳米掺杂等离子喷涂热障涂层粉末。也可以采用粒度40～80μm的Y₂O₃部分稳定ZrO₂粉末。打底的金属粘结层及隔热陶瓷涂层的等离子喷涂的工艺参数见表1。

表1制备等离子喷涂热障涂层的工艺参数

图4是油管表面的等离子喷涂热障涂层的断面SEM图。图中上部分浅颜色的是纳米掺杂AZ-20隔热陶瓷涂层，图中下部分深颜色的是NiCrAlY底层。热障涂层的总厚度为30～40μm。

此种热障涂层在300～400℃时具有很低的热膨胀系数，14～20×10^-7℃^-2、很低的热扩散系数，为4.29×10^-7℃^-2m^-2s，很小的热导率，400℃时，λ＝0.3705KJ/(m×k)及良好的隔热效果，管内外温度差在130℃以上，较常规的预应力隔热油管管内外温差70℃，提高了将近一倍。

对纳米掺杂的AZ-20涂层试样进行900℃、10min加热后淬入室温的10％氯化钠水溶液中冷却5min的反复重复试验，到试样的表面出现微裂纹为止，纳米掺杂的试样的热震次数为94次，具有很高的涂层的抗热震性能。按照GB/T8642-1988热喷涂涂层与基体结合强度的测定，在万能材料试验机上进行拉断实验。结果显示纳米掺杂AZ-20涂层的强度为44.6MPa，拉断部位涂层与基体部位几乎各半，这类涂层的陶瓷层的抗拉强度与粘接金属的抗拉强度值接近。对涂层进行显微硬度测定，结果显示纳米掺杂AZ-20涂层为Hv698，耐磨损能力很强。该表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管由于是单层钢管结构，从而具有管内最大的环空；同时相邻油管连接的接箍同样具有与油管本体相同的热障涂层，使得接箍处也具有与油管相同的隔热性能。因此，在同样的蒸汽注入条件下(20MPa、350℃的蒸汽)管内外温差可达120℃以上，较常规的隔热油管有明显的提高，进而这种表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管，具有更好地隔热效果。同时，这种表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管的内表面及丝扣部位带有厚度不小于30μm的化学镀层，具有良好的抗热蒸汽腐蚀的能力。

经过等离子喷涂热障涂层后的油管在专用机床上用金刚石砂带将喷涂表面打磨至粗糙度0.8以上，然后包装待用。

Claims

1.一种用于稠油热采的表面带有热障涂层的耐蚀隔热油管，其特征在于，所述隔热油管为单层油管结构，其钢管基体（2）选用抗600℃温度以下的珠光体热强管道用钢，所述隔热油管内表面有均匀的厚度不小于40μm的化学镀层（4），所述隔热油管内表面包括油管接箍和螺纹部分，其外表面带有厚度不小于0.30mm的热障涂层（3），所述热障涂层包括两部分，一部分为NiCrAlY打底层（7），另一部分为打底层外面的隔热陶瓷涂层（6）。

2.如权利要求1所述的隔热油管，其特征在于，所述隔热油管的接箍（1）采用API长圆扣螺纹（5）。

3.如权利要求1所述的隔热油管，其特征在于，所述化学镀层（4）为Ni-P、Ni-Fe-P或Ni-Cu-P复合镀。

4.如权利要求1所述的隔热油管，其特征在于，所述NiCrAlY打底层（7）的合金成分的质量百分比为Cr:22.0%,Al:11.0%,Y:1.0%，余量为Ni，打底层的厚度为0.10mm。

5.如权利要求1所述的隔热油管，其特征在于，所述隔热陶瓷涂层（6）为部分稳定ZrO₂涂层、Al₂O₃/ZrO₂涂层、莫来石涂层以及相应的纳米涂层以及掺杂纳米涂层中的一种。