石油用管的潤滑技術(shù)發(fā)展與探討

李江麗

摘要：介紹了石油用管潤滑技術(shù)的特點、使用環(huán)境、國外油井管知名生產(chǎn)廠V&M， Tenaris和Hunting等相關(guān)產(chǎn)品及其工藝，討論了一種無螺紋脂技術(shù)的可行性，以期為該技術(shù)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：石油用管;潤滑技術(shù);固體潤滑;MoS2

石油用管是石油天然氣勘探開發(fā)大量使用的管材產(chǎn)品，通過管端的螺紋連接成管柱，形成長達數(shù)千米的采油通道。石油用管的專用潤滑脂包括儲存脂和螺紋脂兩類，涂抹的位置均在管螺紋接頭處。儲存脂在油套管運輸中使用，起到防止螺紋銹蝕的作用。螺紋脂在油田操作中使用，起到密封、輔助潤滑和保護作用。使用石油用管專用脂的目的就是克服石油鋼管螺紋接頭在使用過程中發(fā)生的粘扣、泄漏和螺紋損傷等失效。常規(guī)的螺紋脂以油脂為基礎(chǔ)，輔以各種添加劑和金屬鉛、銅、鋅、石墨粉等固體填料。

1. 國外石油用管潤滑技術(shù)的發(fā)展

為了保護環(huán)境，國外知名的油井管生產(chǎn)廠開發(fā)了新螺紋脂，即綠色螺紋脂（green dopes）產(chǎn)品。綠色螺紋脂不包含重金屬和一些有機的有害物。但根據(jù)V&M公司的實驗結(jié)論，綠色螺紋脂并不能很好的解決13Cr，超級13Cr和CRA材料的粘扣問題。另一方面，螺紋脂的涂敷量與均勻性等，影響著螺紋擰接時接觸面的摩擦系數(shù)，因為對螺紋上扣扭矩影響很大。

為了徹底解決以上問題，在本世紀初，國際知名石油專用管生產(chǎn)商開始致力于研究和推廣無螺紋脂技術(shù)。所謂無螺紋脂技術(shù)，指采用特殊工藝在套管（或油管）螺紋摩擦副表面涂裝特殊涂層來取代上扣過程中使用的螺紋脂，該涂層具有抗粘扣、潤滑和一定的抗腐蝕能力。由于在使用中不需要涂抹螺紋脂。無螺紋脂技術(shù)的特點主要有：1、能夠有效減少石油鉆采過程中對環(huán)境的污染;2、應(yīng)對極地環(huán)境中由于低溫造成的螺紋脂不可用的情況;3、解決沙漠中大風(fēng)沙導(dǎo)致高硬度顆粒物進入螺紋脂造成的螺紋劃傷破壞氣密性問題;4、減少下井過程中涂抹螺紋脂的工作環(huán)節(jié)，加快套管（或油管）的下井速度，提高效率，節(jié)省成本。

3. 無螺紋脂技術(shù)的開發(fā)探討

無螺紋脂技術(shù)是通過表面噴涂的方式將固體潤滑劑均勻涂覆于接頭螺紋的表面，通過對涂層進行固化處理，在表面形成致密的固體潤滑涂層。固體潤滑材料可以減少螺紋接觸表面的摩擦和磨損作用。在擠壓滑移載荷作用的過程中，固體潤滑材料和周圍介質(zhì)的摩擦表面發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)生成固體潤滑膜，降低摩擦磨損。潤滑涂層的材料有MoS2、WS2、石墨、BN、PTFE等樹脂。采用表面涂層處理的無螺紋脂特殊扣接頭具備了抗粘扣和一定的防腐蝕能力。

固體潤滑涂層對無螺紋脂技術(shù)是最為關(guān)鍵的。固體潤滑涂層在固化前是一種溶液，將該溶液均勻覆蓋在整個螺紋表面，隨后進行固化工藝，通過溶劑與粘結(jié)劑相互作用，使涂層固化，溶液中的腐蝕抑制劑對涂層具有性能強化作用。潤滑涂層的厚度約為40um以下，主要成分包括MoS2、石墨及輔助劑。其中納米級的MoS2能強烈的吸附在金屬表面，由于其尺寸小所以能填平金屬的表面微小坑洼，在金屬表面形成一層平整、光滑的修復(fù)層，從而降低摩擦，減少磨損。MoS2是一種優(yōu)異的固體潤滑劑，其分子結(jié)構(gòu)為六方晶體的層狀結(jié)構(gòu)，能夠耐較高的接觸壓力和較高的摩擦速度，隨著MoS2的粒徑變小，它在摩擦材料表面的附著性與覆蓋程度都明顯提高，所以抗磨、減磨性能也成倍提高。在較高的接觸壓力作用下的摩擦使MoS2微粒在金屬接觸區(qū)停留時間較短，外載荷來不及壓扁MoS2微粒，同時也沒被金屬表面吸附，納米級的MoS2微粒已離開接觸區(qū)，此時的納米微粒能起到一種類似微型的“球軸承”作用，形成滾動軸承效應(yīng)，從而起到減磨作用。

無螺紋脂特殊螺紋接頭的制造過程主要步驟如下：

1） 為了提高潤滑涂層與基體材料的結(jié)合力，以及防腐蝕等，需要對基體材料進行一定的處理。方法是在基體上預(yù)先涂覆一層涂層，如表面磷化、電鍍銅、機械鍍鋅或鋅合金，以及表面氮化等。

2） 在潔凈干燥的環(huán)境中進行涂覆，將潤滑劑霧化噴涂在接箍內(nèi)螺紋和管端公螺紋表面，噴涂完之后進行固化，固化溫度不超過100℃，時間控制在兩小時以內(nèi)。

4. 結(jié)論

雖然目前國內(nèi)沒有使用無螺紋脂產(chǎn)品的先例，但是隨著我國對環(huán)境問題的日益關(guān)注，無螺紋脂技術(shù)具有廣闊的市場前景。開發(fā)無螺紋脂技術(shù)，對于提升國內(nèi)油井管行業(yè)在國際上的競爭力，打開新的市場，具有重要的意義。

參考文獻

[1] J. Rignol， A. Parde， E. Thoreau， and L. Verdillon， “ Worldwide first run in hole of dope-free 13Cr production tubing string”， SPE 95507， 2005

[2] ISO 13678：2000， “Petroleum and natural gas industries- evaluation and testing of thread compounds for use with casing ，tubing and line pipe”.

[3] G. E Carcagno， E. Gallo， “Threaded connections with high and low friction coatings”， WO 2007/063079

[4] 羅湘燕等，原位合成的納米MoS2微粒/聚酯聚合物改善航空潤滑油抗磨性能的研究，潤滑與密封，2003.05