CN103527158B - 一种用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的油气井中的镍钨基合金镀层筛管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在油气开采作业中，用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的油气井的防砂过滤的筛管。制备方法是在普通抗硫筛管的外表面，均匀镀覆一层高耐磨、耐硫化氢、二氧化碳及饱和盐水腐蚀的镍钨基合金镀层，包括两端的外螺纹和均匀分布的通孔。所述镍钨基合金镀层为Ni‑W‑X合金镀层或Ni‑W‑Y合金镀层或Ni‑W‑X‑Y合金镀层，其中X为Co和/或Fe，Y为P和/或B。该筛管兼具有普通筛管的高强度和钨合金的高防腐、高耐磨等特点，可有效取代不锈钢筛管、高铬筛管和镍基合金筛管，用于含硫化氢、二氧化碳、饱和盐水油气井中，极大节约筛管的制造成本。本发明还具有基管型号和钻孔类型可由客户随意选择，适应性强，应用范围广等的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的油气井中防砂过滤用的镍钨基合金镀层筛管；属于石油机械设备领域。
背景技术
防砂是出砂油气藏开采中不可缺少的环节。机械防砂是当今油田最常用的一种油井防砂方法，目前全世界约有80％的出砂油气井采用这种防砂方法。防砂筛管是机械防砂技术的核心部件之一.它对防砂的效果、成本和油井的产量等都有很大的影响。目前，油气田开发形势越来越严峻，井越来越深，硫化氢、二氧化碳的含量高，对砂岩油藏防砂要求不断提高，要求筛管有高耐磨、高耐硫化氢、二氧化碳腐蚀的性能。海上采油规模化的崛起和地热井、盐水井、深层水井的蓬勃发展，使筛管消耗需求不断增加，并且促使防砂筛管向高强度、长寿命方向发展。
筛管长期存在油气井高速含砂流体的环境下，局部冲蚀现象普遍存在，尤其是筛管的过滤介质，容易被冲蚀破坏。冲蚀破坏是导致筛管防砂失败的重要原因之一。未来的防砂筛管主要集中在高强度、低流阻、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的新式筛管，用以解决下井过程中强度不足易受损坏、下井后易被冲蚀磨损的问题，同时防止在高温环境中的应力和腐蚀破坏，保证筛管挡砂的长效性。当前应用较多的防腐筛管主要有不锈钢筛管、镍基合金钢筛管、高铬筛管等，但都受机械强度低、加工困难、成本高等原因影响，限制了其应用。
镍钨基合金本身具有高的硬度和抗高温，耐硫化氢、氯离子、二氧化碳腐蚀等性能，可以在各种材质的石油机械设备上进行电镀，提高设备的防腐、耐磨能力，延长其使用寿命。而且镍钨基合金电镀加工工艺简便，成本低，适应性强，可用于制备防腐耐磨的新型筛管。
到目前为止，关于镍钨基合金镀层筛管的研究和应用在相关文献中未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有筛管的不足，提供一种具有高耐磨、耐硫化氢、耐二氧化碳及饱和盐水腐蚀的用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的油气井中防砂过滤用的镍钨基合金镀层筛管。
本发明所述筛管由基管和镍钨基合金镀层构成，筛管表面均匀分布有与外界联通的筛孔；所述镍钨基合金镀层均匀分布在基管的内外表面和筛孔内；所述镍钨基合金镀层为Ni-W-X合金镀层或Ni-W-Y合金镀层或Ni-W-X-Y合金镀层，其中X为Co和/或Fe，Y为P和/或B；所述镍钨基合金镀层中，Ni的含量为40～85wt%，W的含量为10-48wt%，镀层中各元素质量百分含量之和等于100%
所述镍钨基合金镀层中，Co的质量百分含量不高于20%,，Fe的质量百分含量不高于40%，P的质量百分含量不高于12%，B的质量百分含量不高于12%。
所述镍钨基合金镀层的硬度不低于500Hv，优选为500-900Hv；镍钨基合金镀层的厚度不低于30μm，优选为50-100μm。
所述镍钨基合金镀层的显微结构为纳米晶结构。
本发明所述的筛管中，基管选自P110石油套管、N80石油套管、抗硫石油套管中的一种，基管的具体型号由客户选择而定。
本发明所述的筛管中，与外界联通的筛孔光滑、无毛刺，其大小和类型由客户的选择而定。
本发明所述筛管是由基管镀上镍钨基合金镀层后，在180～550℃温度下经热处理制成。
本发明所述筛管的制备方法为：
将根据工况环境选取的基管加工出螺纹后，进行表面处理及活化，然后在基管的内表面和螺纹处电镀镍钨合金，取出，清洗干净后在基管上按设计的形状和尺寸打出筛孔，打完筛孔后，在基管的外表面和筛孔内电镀镍钨合金，在筛孔电镀镍钨合金时，预留与外界联通的孔道；电镀完成后，清洗干净，然后在180～550℃温度下经热处理制成成品。
本发明所制备的筛管，其内外壁表面均为镍钨基合金镀层，而且镀层均匀致密、与管体的结合力好、镀层的显微结构为纳米晶结构，可以有效保护管体，是筛管耐蚀性优异的主要原因。内外壁表面镀覆有镍钨基合金的筛管，表面形成的镍、钨的氧化膜能有效防止硫化氢腐蚀和氢离子的渗透，从而能通过硫化氢氢致开裂性能评价；能通过高温高压耐硫化氢、二氧化碳腐蚀检测；并且在加载85%、90%屈服应力条件下硫化氢应力腐蚀开裂检测结果证明，经720小时试验后，所有试样均未发生宏观断裂。
筛管表面镍钨合金硬度高，耐磨损性能优于铬镀层好，可以有效提高筛管的使用寿命。该筛管经无痕管钳上卸扣试验，无痕压钳紧扣、松卸对镀覆层均没影响，表明镀层结合力及抗磨损效果良好，且装卸简便。螺纹表面的镍钨合金镀层，具有很好的防粘扣性能。在最佳扭矩进行四扣三卸的上卸扣试验，静水压检测及ISO13679简化B系试验的气密性试验结果表明，螺纹连接性能完全满足要求。
综上所述，本发明所提出的镍钨基合金镀层的纳米晶结构和表面形成的镍、钨氧化物致密钝化膜，使之具有堪比镍基合金的优异防腐蚀性能，并且制备工艺简便，物料成本低，适用范围宽。从而使加工后的镍钨合金镀层筛管，具有高耐磨性，能耐硫化氢、二氧化碳及饱和盐水的腐蚀，并且成本低，同时兼具了基管的机械性能好的特点。能取代价格昂贵的镍基合金筛管，用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的强腐蚀油气井中。是一种具有广阔应用前景的新的筛管。
附图表说明
附图1为实施例1所制备筛管的形貌图；
附图2为实施例1所制备筛管的剖面示意图；
附图3为实施例1所制备筛管上镍钨基合金镀层显微结构形貌；
附图4为实施例1所制备筛管进行硫化氢氢致开裂试验后的实物图；
附图5为实施例1所制备筛管进行硫化氢应力腐蚀开裂试验后的实物图；
附图6为实施例1所制备筛管上镍钨基合金镀层与对比例所制备筛管上铬镀层耐磨性比较图；
附图7为实施例1所制备筛管进行无痕压钳紧扣试验后的实物图；
附图8为实施例1所制备筛管上螺纹进行防粘扣性能检测后的实物图；
附图9为实施例2所制备筛管按照GB/T17897-1999不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法（6%FeCl3，24h）进行检测后的实物图以及实物腐蚀部位放大200倍的图片，其中图a为实物图，图b为实物腐蚀部位放大200倍的图片。
附图10为实施例2中所有对比物13Cr马氏体不锈钢油套管按照GB/T17897-1999不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法（6%FeCl3，24h）进行检测后的实物图。
从图1可以看出实施例1所制备筛管表面光滑，筛孔均匀。
图2中的1为基管，2为镀层；从图2可以看出，镀层分布均匀。
从图3可以看出镍钨基合金镀层的显微结构为纳米晶结构，镀层均匀致密。
从图4可以看出实施例1所制备的筛管内外壁表面镀覆有镍钨基合金的筛管通过硫化氢氢致开裂性测试后表面完好，无鼓泡、脱落现象；完全通过了硫化氢氢致开裂性测试评价。
从图5可以看出实施例1所制备的筛管能通过了在高温高压耐硫化氢、二氧化碳腐蚀检测，通过了加载85%、90%屈服应力条件下硫化氢应力开裂检测，经720小时试验后，所有试样均未发生宏观断裂。
从图6可以看出实施例1所制备筛管的表面镍钨合金镀层的耐磨性能优于铬镀层。
从图7可以看出实施例1所制备的筛管经无痕管钳上卸扣试验后，对镀覆层没有影响。
从图8可以看出实施例1所制备筛管的螺纹表面的镍钨合金镀层，具有很好的防粘扣性能。
从图9中的a图可以看出样件表面无明显的腐蚀；从图9中的b图可以看出镀层表面平整致密，没有出现明显的点蚀坑，说明钨合金筛管具有优异的耐点蚀性能。
从图10可以看出，发现13Cr马氏体不锈钢油套管经腐蚀后表面出现大量点蚀坑，这说明其耐点蚀性能差。结合图9、图10可以看出实施例2所制备的钨合金筛管的抗腐蚀性能超过了13Cr马氏体不锈钢油套管。
具体实施方式
本发明的实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。实施例1：
如图1、图2所示，一种钨合金筛管，其结构包括基管（110ss材质的Ф127×9.19mm型号的套管，表面通孔呈螺旋状均匀排布）和镍钨基合金镀层。
其制备过程为：
以110ss材质的Ф127×9.19mm型号的套管作为基管，先在基管加工出螺纹后，进行表面处理及活化，然后在基管的内表面和螺纹处电镀镍钨合金，取出，清洗干净后在基管上按设计的形状和尺寸打出筛孔，打完筛孔后，在基管的外表面和筛孔内电镀镍钨合金，在筛孔电镀镍钨合金时，预留与外界联通的孔道；电镀完成后，清洗干净、然后在180～550℃进行热处理，包装得到成品。
所得产品的表观光滑、均匀、细致，合金镀层组分为Ni75%，W23.5%，P1%，Fe0.5%，镀层厚度为60-90μm，硬度为800Hv。在模拟工况条件下—温度，160±3℃；H2S分压，5MPa；CO2分压，11MPa；模拟地层水（Cl-含量为80000ppm）+单质硫10g/L；pH=4.5的耐蚀性检测结果表明，该筛管的腐蚀速率为0.0076mm/a，耐蚀性能优异；将所得产品按照NACETM0284-2003管道和压力容器抗氢致开裂钢性能评价的实验方法测试其抗氢致开裂性能，其检测结果见图4；将所得产品按照NACETM0177-2005金属在H2S环境中应力腐蚀开裂实验方法测试其抗应力腐蚀开裂性能，加载应力分别为72%、80%、85%、90%，其检测结果见图5；将所得产品进行耐磨性检测，其检测结果见图6；将所得产品进行无痕压钳紧扣实验，实验采用5310lb-ft扭矩进行1上1卸，发现对镀覆层没有影响，产品表面无咬痕，其检测结果见图7；将所得产品采用4上3卸的方式进行螺纹防粘扣性能检测，其检测结果见图8，从图8上可以看出螺纹表面的镍钨合金镀层，具有很好的防粘扣性能；能通过ISO13679简化B系试验气密封检测，其结果见表1。
实施例2：
基管为110ss材质的Ф127×9.19mm型号的套管，表面通孔呈螺旋状均匀排布，电镀Ni-W-Co三元合金。
其制备过程为同实施例1。
所得产品的表观均匀、细致，合金镀层组分为Ni65%，W30%，Co5%；镀层厚度为60-90μm；硬度为920Hv。样品按照GB/T17897-1999不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法（6%FeCl3，24h）检测，测试后结果见图9，如图所示，图9中的a图为测试后的钨合金样件的表观形貌，可以看出样件表面无明显的腐蚀；图9中的b图为测试后钨合金镀层表面放大200倍的形貌图，镀层表面平整致密，没有出现明显的点蚀坑，说明钨合金筛管具有优异的耐点蚀性能。对比13Cr经过点蚀测试后的相貌如图10所示，发现同样条件下的13Cr样品表面出现大量点蚀坑，耐点蚀性能差。因此，钨合金筛管超过了13Cr等高级钢管，达到了高耐蚀镍基合金钢管的防腐性能。同时该筛管反复拆卸，不粘扣，耐磨损性能优异。
表1静水压试验结果
Claims (3)
1.一种用于含硫化氢、二氧化碳及高矿化度的油气井中的镍钨基合金镀层筛管，其特征在于：所述筛管由基管和镍钨基合金镀层构成，筛管上均匀分布有与外界联通的筛孔；所述镍钨基合金镀层均匀分布在基管的内外表面和筛孔内；
所述筛管的制备方法为：将根据工况环境选取的基管加工出螺纹后，进行表面处理及活化，然后在基管的内表面和螺纹处电镀镍钨合金，取出，清洗干净后在基管上按设计的形状和尺寸打出筛孔，打完筛孔后，在基管的外表面和筛孔内电镀镍钨合金，在筛孔电镀镍钨合金时，预留与外界联通的孔道；电镀完成后，清洗干净，然后在180～550℃温度下经热处理制成成品；
所述镀层的显微结构为纳米晶结构；
所述镍钨基合金镀层为Ni 75wt％，W 23.5wt％，P 1wt％，Fe 0.5wt％，镀层厚度为60-90μm，硬度为800Hv；在模拟工况条件下—温度，160±3℃；H2S分压，5MPa；CO2分压，11MPa；模拟地层水+单质硫10g/L；pH＝4.5的耐蚀性检测结果表明，该筛管的腐蚀速率为0.0076mm/a，所述模拟地层水中Cl-含量为80000ppm。
2.根据权利要求1所述的筛管，其特征在于：所述基管选自P110石油套管、N80石油套管、抗硫石油套管中的一种。
3.根据权利要求1-2任一项所述的筛管，其特征在于：与外界联通的筛孔光滑、无毛刺。
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