CN105201415A - 耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆 - Google Patents

Abstract

本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆涉及油田抽油装置。其目的是为了提供一种喷涂有耐硫化氢腐蚀合金涂层的抽油杆及抽油光杆，以解决在低成本条件下满足油田硫化氢腐蚀严重井的用杆需求。本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆，于所述抽油杆和抽油光杆表面分别喷涂有合金喷涂料；其中：以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb：0.5～1.5％；余量为Ni。

Description

耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆

技术领域

本发明涉及两种油田抽油设备。

背景技术

抽油机井一直以来都是国内外油田的主要采油方式，其中抽油杆柱(包括抽油杆和抽油光杆)是有杆抽油设备的重要零件，其功能是将抽油机的动力传递给井下抽油泵，通过油井管采出石油。

随着当前深井、超深井、稠油井、腐蚀井和高含水井越来越多，抽油杆柱的工作条件日益苛刻，原油中含有的腐蚀性介质越来越多，对抽油杆柱的腐蚀破坏越来越严重，长时间使用情况下，抽油杆会发生严重腐蚀而断裂造成停井事故。此外，抽油光杆受到腐蚀后，即使没有发生断裂，也会因为表面出现腐蚀坑造成盘根密封失效而导致漏油。

在这种情况下，出现了一些用耐硫化氢腐蚀的合金钢材制作的抽油杆等产品。这些产品具有良好的耐硫化氢腐蚀性，但是由于钢材的价格昂贵，导致产品成本高，而油田开发成本在逐年降低，在管杆成本控制的方面也越来越严格。导致无法大范围推广使用。因此，采用杆体表面防腐处理技术是最优选择。

在这种情况下，包括电镀、化学镀等技术在内的表面工程技术应用到抽油杆及抽油光杆的表面加工中。这些技术，通过在抽油光杆表面形成一层具有防腐保护作用的铬镀层、镍磷镀层等方式，起到了一定的防腐效果，在油田得到了广泛应用。

但是，在某些油田，油井的原油硫化氢含量相当高，硫化氢腐蚀很严重，这些常规的表面防腐技术由于并不是特别针对硫化氢腐蚀问题的技术方案，在高硫化氢环境下的耐腐蚀性有限，在不长的使用时间后也会失效，造成严重的硫化氢腐蚀。

因此，解决抽油杆及抽油光杆在高硫化氢含量环境下的防腐蚀问题，将极大的有助于高含硫油井的原油开发，有效提高生产效率，降低生产事故发生率。

发明内容

本发明要解决的问题是提供喷涂有耐硫化氢腐蚀合金涂层的抽油杆及抽油光杆，以解决在低成本条件下满足油田硫化氢腐蚀严重井的用杆需求。

本发明一种耐硫化氢腐蚀抽油杆，包括：抽油杆；于所述抽油杆表面喷涂有合金喷涂料；其中：

以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb0.5～1.5％；余量为Ni。

本发明一种耐硫化氢腐蚀抽油光杆，包括：抽油光杆；于所述抽油光杆表面喷涂有合金喷涂料；其中：

以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb0.5～1.5％；余量为Ni。

本发明一种耐硫化氢腐蚀抽油光杆，其中所述稀土为La、Ce的混合物。

本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆表面喷涂的合金喷涂料包含的Cr、Mo元素起到强化涂层强度的作用，使得本发明表面形成的涂层具有较强的硬度和耐磨性。本发明中的Si、Mn元素起到提高涂层屈服强度的作用，且固溶强化效果较好，使得本发明表面形成的涂层与抽油杆或抽油光杆基体具有较强的结合性能，涂层不易脱落；Cu元素可以提高奥氏体的稳定性，使得本发明表面形成的涂层具有高耐腐蚀性能。另外本发明使用的合金喷涂料包含的稀土元素，一方面会和溶解在Cu元素中原子态的氢发生作用，形成稳定的RH2、RH3氢化物，此时合金中氢含量没变，但是由于是以氢化物固溶体形式存在，避免了氢脆等危害；另一方面会抑制MnS的形成，提高了涂层的耐腐蚀性能。总之本发明由于喷涂的合金喷涂料具有较强的耐磨性能及耐腐蚀性能，从而避免了腐蚀物质与抽油杆或抽油光杆基体的直接接触，从而抽油杆及抽油光杆基体得到了有效的保护，降低了生产事故发生的几率。

具体实施方式

(一)耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆

本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆，包括：抽油杆和抽油光杆；于所述抽油杆和抽油光杆表面分别喷涂有合金喷涂料；其中以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb0.5～1.5％；余量为Ni；其中所述稀土为La、Ce的混合物。

在耐硫化氢合金粉末的研发中，通过加入适量的Cr和其他合金元素，提高合金粉末的耐腐蚀性。研究表明，Cr元素是绝大多数耐硫化氢材料的主要耐腐蚀元素，通过形成Cr₂O₃钝化膜起到隔绝含硫介质提高材料耐硫化氢腐蚀的作用。

但是，高含Cr元素的耐硫化氢腐蚀的合金粉末其脆性相对较高，喷涂到到抽油光杆表面后，在抽油光杆受到横向载荷的情况下，很容易出现表面脆性微裂纹而失去耐腐蚀效果。因此，研究人员在合金粉末成分中又增加Nb、稀土等合金元素，在合金层中均匀的析出Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、CrB、Ni₃B等硬质相，同时Mo、Nb和微量稀土元素细化涂层组织，形成新的MoB相，从而降低合金涂层的脆性，提高涂层的冶金结合性和韧性，满足抽油光杆的工作条件。

本发明所使用的合金喷涂料中包含的Mo元素作为钢的合金化元素，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性；提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性；提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。

本发明所使用的合金喷涂料中包含的Cu元素可以提高奥氏体的稳定性，并提高耐腐蚀性能。但是铜对O₂和H₂等有很强的溶解能力，氢是以原子状态溶解在铜液中。此时加入适量的稀土，稀土会和原子态的氢发生作用，形成RH₂和RH₃型稳定氢化物(其中R代表稀土元素)，此时合金中氢含量没变，但是由于是氢化物固溶体形式存在，避免了氢脆等危害。

本发明所使用的合金喷涂料中包含的Si元素是提高屈服强度的主要元素，其固溶强化效果比锰元素高。另外，加入稀土后，Si和Cu会和稀土以一定的比例形成粘附性较好的含硅铜稀土的复合锈层，提高了钢材的耐大气腐蚀的能力。

本发明所使用的合金喷涂料中包含的Mn元素通过固溶强化，细化晶粒提高强度。此时，加入适量的稀土元素，会抑制MnS的形成，提高钢材耐腐蚀能力。

总之本发明由于喷涂的合金喷涂料具有较强的耐磨性能及耐腐蚀性能，且合金喷涂料与抽油杆或抽油光杆基体具有较好的结合性能，从而避免了腐蚀物质与抽油杆或抽油光杆基体的直接接触，从而抽油杆及抽油光杆基体得到了有效的保护，降低了生产事故发生的几率。

(二)喷涂工艺

将本发明所用的合金喷涂料喷涂在抽油杆及抽油光杆基体上需遵循一定的工艺流程，其中工艺流程具体步骤如下：

1.表面预处理。将普通的抽油杆或者抽油光杆用60目的棕刚玉砂带进行打磨，去除表面的锈和油污，露出新鲜钢材表面。表面的磨削量控制在单边0.3-0.4mm范围内。

2.预热。将经过表面预处理的抽油杆或抽油光杆进行预热，预热温度控制在100～120℃。

3.喷涂。使用氧乙炔火焰热喷涂喷枪将本发明使用的合金喷涂料喷涂到抽油杆或抽油光杆基体表面，合金喷涂料在抽油杆或者抽油光杆基体表面形成合金涂层。

4.重熔热处理。对喷涂后带有合金涂层的抽油杆或抽油光杆进行中频感应加热，加热温度控制在1050-1100℃之间，让合金涂层与抽油杆或抽油光杆基体表面熔融发生冶金结合。重熔后合金涂层控制在0.5-0.6mm范围内。

5.回火热处理。为了进一步提高抽油杆或抽油光杆的综合力学性能，利用中频感应加热装置对抽油杆或抽油光杆再进行一次回火热处理，回火温度控制在500-600℃。

6.抛光打磨。使用180目的砂带打磨两遍抽油杆或抽油光杆表面，抽油杆或抽油光杆表面的抛光磨削量控制在单边0.1-0.2mm之间，表面粗糙度Ra控制在0.8μm以下。

7.喷涂工艺完全结束。

(三)性能验证

为了验证本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆的性能，本阶段首先配取了三种配比下的合金喷涂料，其中各配比情况见下表中的实施例一、实施例二、实施例三：

按照上文所述的喷涂工艺，分别制得喷涂有实施例一、实施例二、实施例三配比下合金喷涂料的三种抽油杆和抽油光杆样品。

下面分别对制得的三种抽油杆和抽油光杆样品做不同的性能检测。

1、拉伸试验

采用100吨级的液压拉伸试验机按照SY/T5029标准要求，对三种抽油杆和抽油光杆样品进行力学拉伸实验，得到如下数据：

通过上表可知，本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆的力学性能均符合行业标准要求

2、疲劳试验

在实验室条件下，使用MTS810.15型疲劳试验机对三种抽油杆和抽油光杆样品以及普通抽油杆(20CrMo抽油杆)进行了疲劳周次实验，实验载荷采用700Mpa高载荷进行，结果如下表：

通过上表可知，本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆的耐疲劳性能大大优于现有的普通抽油杆。

3、微裂纹显影

通过化学试剂显影的办法来判定涂层表面是否存在裂纹，具体步骤如下：

A.清洗油污。用洗净液/除去液在待测试涂层表面喷涂清洗，待表面油污清洗干净并风干后进入下一步骤。

B.喷涂浸透液。在清洗干净后的涂层表面均匀喷涂一层红色浸透液，并等待5分钟左右的浸透时间，保证浸透液能够充分浸透到裂纹的深处。

C.清洗浸透液。再次使用洗净液/除去液将涂层表面的红色浸透液清洗干净并风干。

D.喷涂现象剂。在清洗干净的涂层表面均匀喷涂一层较薄的白色现象剂，待现象剂风干后即可进行观察和判定裂纹是否存在。

从三种配比下的抽油杆和抽油光杆样品中随机共抽取100个样品，将该100个实验样品按照上述化学试剂显影的办法实施微裂纹显影测试，最终发现任何所有样品均不存在微裂纹，这也就意味着本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆具有较好的抗裂纹性能。

4、耐硫化氢腐蚀性能

A.实验室试验。

利用5L高温高压FCZ磁力驱动哈氏合金C-276反应釜进行硫化氢介质耐腐蚀性试验，反应釜内腔温度130℃，H₂S分压3Mpa，CO₂分压2Mpa，将制得的本发明抽油杆和抽油光杆样品放入浓度为15％的HCl溶液中浸没720小时；然后取出进行样品检测，检测发现抽油杆和抽油光杆表面生成的Cr₂O₃厚度为14nm，未发现腐蚀介质侵入抽油杆和抽油光杆基体的情况。

B.现场试验。

在中原油田某硫化氢腐蚀严重井，普通抽油光杆和抽油杆使用2个月，杆体表面就出现表面腐蚀坑，光杆盘根处出现漏油。使用本发明抽油杆和抽油光杆，使用10个月后进行检测，未发现表面腐蚀问题，保持正常生产。

综上所述，本发明耐硫化氢腐蚀抽油杆及抽油光杆具有较好的力学性能、耐疲劳性能及较强的耐腐蚀性能，在低成本条件下能够满足油田硫化氢腐蚀严重井的用杆需求。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种耐硫化氢腐蚀抽油杆，包括：抽油杆；其特征在于：于所述抽油杆表面喷涂有合金喷涂料；其中：

以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb0.5～1.5％；余量为Ni。

2.一种耐硫化氢腐蚀抽油光杆，包括：抽油光杆；其特征在于：于所述抽油光杆表面喷涂有合金喷涂料；其中：

以质量百分比计，所述合金喷涂料成分为：C：0.2～0.6％；B：3～5％；Si：3.5～5.5％；Mn：0.5～1.0％；Cr：19～24％；Cu：1～3％；Mo：0.5～1.5；稀土：0.04～0.08％；Fe：0～4％；Nb0.5～1.5％；余量为Ni。

3.根据权利要求2所述的一种耐硫化氢腐蚀抽油光杆，其特征在于：所述稀土为La、Ce的混合物。