抽油桿防腐技術淺析

林德云 袁金雷 張 繼 王育杉

（中國石油化工股份有限公司西北油田分公司采油三廠，新疆 阿克蘇 841600）

0 引言

機械采油經過一百多年的發(fā)展，形成了有桿采油和無桿采油兩大體系裝備，其中有桿采油裝備約占80%以上[1]。抽油桿作為有桿采油的重要設備，斷脫事故嚴重影響原油產量。抽油桿斷脫原因主要有疲勞破壞和腐蝕疲勞破壞，由于多數井液含有較高的腐蝕介質，合格的抽油桿由腐蝕疲勞造成的斷脫比例居高不下。目前雖然對抽油桿腐蝕原因和防腐技術研究較多，然而還存在概括不全、機理不清晰、應用范圍不明確等問題，致使相關工作人員對抽油桿的腐蝕情況和防腐技術的有效性了解不夠深入。若忽視抽油桿的腐蝕或選擇不合適的防腐技術，抽油桿的腐蝕問題將得不到有效解決。為此分析和研究抽油桿腐蝕問題和防腐技術的有效性，對減緩抽油桿腐蝕的實操具有重要的指導意義。

1 抽油桿腐蝕原因

在油田開采過程中，特別是開采中后期，外加增產的注水技術，油井產液由原來的油包水型切換為水包油型，同時含有各種腐蝕介質，抽油桿的服役條件逐漸惡化，腐蝕狀況日趨嚴重，主要原因有：（1）酸腐蝕，如CO2、H2S、氣井酸化過程未排凈的殘酸。其中CO2在水中均易電離出H+，形成甚至比鹽酸還要高的酸度，對金屬抽油桿的的腐蝕極強[2]；（2）溶解氧腐蝕，如油田注水攜帶的氧氣發(fā)生吸氧腐蝕[3,4]；（3）細菌腐蝕，如硫酸鹽還原菌、鐵細菌、硫氧化菌、硝化細菌和反硝化細菌等，主要參與硫、鐵、氮循環(huán)[5]；（4）其他腐蝕，如Cl-、Ca2+、Mg2+等離子能夠造成鈍化膜損傷[6]。常見為多種因素的交互作用的綜合腐蝕，另外高溫環(huán)境和磨蝕對腐蝕又起到促進作用，使得普通抽油桿難以達到設計使用時長。油井現場需對井液做專業(yè)勘察與檢測，確定腐蝕介質種類、形式、濃度等，還有井液溫度、壓力、雜質等因素，作為選擇防腐技術的依據。

2 抽油桿防腐技術

為了減緩或阻止抽油桿的腐蝕破壞，不僅需要注重抽油桿受井液介質腐蝕的外因，還要考慮抽油桿本身材料耐腐蝕性的內因?；诔橛蜅U腐蝕的內因和外因兩大影響因素，現有的抽油桿防腐技術研究集中在材料提升、井液改善、表面防護三個方面。

2.1 抽油桿材料提升技術

現有抽油桿防腐技術在材料提升方面，主要通過添加合金材料、調整微量元素、改善結構形態(tài)等方式，來提高抽油桿整體的防腐能力。

2.1.1 耐腐蝕合金技術

耐腐蝕合金技術是通過添加耐腐蝕元素，調整鋼的比例來提高抽油桿耐腐蝕性。現有技術主要通過加入適量的鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、錳（Mn）等抗腐蝕元素，減少碳含量，調節(jié)銅（Cu）、鈦（Ti）含量，不僅可以抗酸、H2S、生物菌腐蝕，還可以減少電化學腐蝕[7-9]，可以提高常規(guī)抽油桿25倍以上的抗腐蝕能力。其中采用中鉻合金鋼研制出超高強度防腐抽油桿（HK級）疲勞壽命大于100萬次，對CO2和H2S抗腐蝕性良好，與常規(guī)H級桿相比其腐蝕速率下降約3倍以上[5]。耐腐蝕合金抽油桿從原材料上提高抽油桿的整體防腐性能，還具有更高的耐磨性。

2.1.2 防腐工藝處理技術

抽油桿在不改變原材料的情況下，采用特殊加工處理工藝也可以通過強化表層組織、提高結構合理性與均勻性來提高材質的防腐性能。成熟的防腐工藝有：噴丸強化技術、超音頻表面感應淬火[10]、熱處理工藝[3]、深度冷拔[11]等技術，能夠強化表層結構或提高組織結構均勻性，進而防止表面脫碳、內部裂紋等缺陷產生。常用的噴丸強化技術是對抽油桿表面進行高速彈丸撞擊，當噴丸強度達到0.32mmA，表面覆蓋率為100%，最大工作應力σmax=333MPa時，腐蝕疲勞壽命可提高5.5倍[10]。防腐處理工藝不僅可以應用新抽油桿的制造還可用于舊抽油桿的修復。

除合金技術和工藝處理技術，還有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、石墨、乙烯基酯樹脂等復合新材料[11]。抽油桿材料提升技術能夠有效提高其防腐性能，暫不適用于高腐蝕井液，還有復合材料耐高溫性差的問題，同時造價較高不易大量推廣。

2.2 抽油桿井液改善技術

對于服役中的抽油桿，不便于做材料提升或表層防護，可通過改善井液化學環(huán)境來緩解或消除抽油桿腐蝕問題。目前改善井液化學環(huán)境主要通過添加各種化學劑和陰極保護技術。

2.2.1 添加化學劑技術

添加化學劑技術是通過添加化學劑的方式來形成保護膜、減少腐蝕介質或改變環(huán)境性質，以達到減緩抽油桿腐蝕的目的。這類化學劑包括緩蝕劑、殺菌劑、除酸劑、除氧劑、pH調節(jié)劑等。用量較大的緩蝕劑是在抽油桿表面發(fā)生吸附和脫附，形成一層完整致密的保護膜來抑制腐蝕[3,12]。添加化學劑需要明確井液中各類腐蝕介質含量，對應定量添加，過多過少均會影響防腐效果。添加化學劑技術能夠有效降低或抑制抽油桿的腐蝕速度，并適用于解決在役抽油桿的防腐問題，但存在運行成本高、污染土壤和地下水等問題。

2.2.2 陰極保護技術

陰極保護技術是將還原性較強的金屬與被保護的金屬連接，還原性較強的金屬作為負極發(fā)生氧化反應而消耗，從而避免腐蝕被保護的金屬[3]。在抽油桿上固定鋅、鎂、鋁等材料或加裝防腐防磨器，使其與井液共同組成原電池，保護抽油桿成為陰極不被腐蝕[13,14]。陽極材料對抽油桿的鋼結構可實現直接的保護，但其溶解速度不可控，二次產物保護膜持久性差。改性陽極采用鎂、鋅、鋁等配合適量的鈽、銦、鈦、錳等貴重金屬，并按照嚴格的配方篩選，能夠控制陽極的溶解速度并可延長保護距離，同時二次產物具有持久性和自修復作用，對抽油桿起到雙重保護[15]。陰極保護技術不僅可以直接保護抽油桿不被腐蝕，改性陽極溶解物還有緩蝕作用。

添加化學劑和陰極保護技術屬于外輔助技術，可在油井現場實施，適用于在役抽油設備。保證該類防腐技術有效性需要配套連續(xù)監(jiān)測設施，同時化學劑和陰極保護材料作為耗材，運行成本也較高。

2.3 抽油桿表面防護技術

除了提升材料和改善井液來提高抽油桿的防腐性，還可以在抽油桿表面涂敷防護層，阻止井液與抽油桿直接接觸，根據表面防護層材質的不同可分為金屬材料、非金屬材料和復合材料等防護技術。

2.3.1 金屬材料防護技術

金屬材料防護技術即在抽油桿表面增加耐腐蝕金屬覆蓋層。金屬防護層由鎢、鋅、鉻、鎳等材料經電鍍、復合電鍍、擴散鍍、感應熔覆、高速電弧噴涂等工藝附著于抽油桿表面，提高其抗腐蝕性能、柔韌性、脫氧性和硬度，同時可減少磨蝕和結垢[10,16-20]。其中“納菲爾”鎢合金電鍍?yōu)榉蔷B(tài)合金，結構致密結合力強，耐磨耐腐蝕好[21]。俄羅斯研制的一種抽油桿擴散鍍鋅新工藝不僅具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、柔韌性和高硬度，還可起到固態(tài)潤滑脂的作用，適用于含砂、石膏、 黏土和其它固相的含水油井的腐蝕和磨蝕介質，使用壽命可延長2～3倍[16]。金屬材料防護結構可提升抽油桿耐磨性和耐腐蝕性，但需要涂層完整密實，漏點的存在將形成原電池加速腐蝕[22,23]。

2.3.2 非金屬材料防護技術

非金屬防護涂層以有機涂料為主，無機非金屬防腐涂料施工工藝、成本問題、補口問題等仍沒有得到很好的解決[6]。有機防護層以外包覆、半包覆和熱噴塑為主要防護形式[25-29]。一般是桿體注塑或包裹一層高分子聚乙烯材料，桿頭涂敷樹脂材料或熱噴焊防護，還可采用聚丙烯、EVA、尼龍11、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧酚醛樹脂和氯化聚醚等塑料材料，利用熱噴塑工藝研制抽油桿的防護涂層，不僅提高了防腐耐磨性能，還降低了抽油桿的摩擦系數[24,27]。非金屬防護抽油桿的耐腐蝕性很好、成本也更低，但其服役溫度受限（＜150℃），高溫會使其老化并降低附著力[30]。

2.3.3 復合材料防護技術

復合材料防護技術結合金屬和非金屬防護技術優(yōu)勢，綜合防腐性能更高。通常是先涂敷金屬防護材料，再涂敷非金屬防護材料，解決了金屬涂層漏點腐蝕問題，還有一些復合鍍層：Ni-P鍍、Ni-Co-P鍍、Ni-W-P鍍、Ni-Cu-P鍍、三層復合涂鍍等技術[31-33]，與基體結合力好，并具有更高硬度、極強的耐磨耐蝕性。裝甲兵工程學院研制的復合涂層防腐抽油桿，生產工藝：噴丸+高速電弧噴鋁+環(huán)氧樹脂基漆，其具有很好的抗腐蝕性能，同時由于表面光滑，還具有防止結蠟和結垢的作用[10]。

表面防護處理還有氮化、碳氮共滲[34]、噴涂改性環(huán)氧涂料、噴涂聚脲涂層[35]等，對低粘度涂料（粘度＜200s）還可采用涂層附著力強、損失小、污染小的無氣高壓噴涂[36]。目前表面防護技術還存在基材處理不徹底導致電鍍漏點、外包覆抽油桿難修復、有機防護層不耐高溫，運輸或下井過程中磕碰造成的局部防護層破壞等缺陷。表面防護總體還是經濟有效的防腐技術，也是目前應用最廣的抽油桿防腐技術。

3 結語

（1）耐腐蝕合金技術、防腐工藝處理技術、復合新材料作為抽油桿材料提升技術，能夠有效提高其防腐性能。相對表面防護技術成本較高，但不存在表面防護漏點或外力局部破壞的缺陷；

（2）添加化學劑技術或陰極保護技術，是緩解或阻止抽油桿腐蝕常用的井液改善技術，可在油井現場實施，適用于在役抽油設備。保證該類防腐技術有效性需要配套連續(xù)監(jiān)測設施，同時化學劑和陰極保護材料作為耗材，還存在運行成本較高和環(huán)境污染問題；

（3）金屬、非金屬或復合材料等表面防護技術，需要對基材處理徹底、避免機械損傷。該項技術不僅可以提高抽油桿的抗腐蝕性能，還可以降低摩擦系數、減少結蠟結垢，大大提升抽油效率。

4 建議

（1）根據工況選擇適宜的防腐技術，磨蝕嚴重的區(qū)域宜選擇材料提升技術，在役抽油桿宜選擇井液改善技術，高溫環(huán)境宜選擇表層防護中金屬材料防護技術；

（2）腐蝕嚴重油井可以綜合利用多項防腐技術，材料提升+井液改善、井液改善+表面防護、材料提升+井液改善+表面防護等；

（3）抽油泵、油管與抽油桿面臨的腐蝕介質相近，任何一項短板都將影響抽油設備的運行。為了延長油井無故障免修期，不僅需要進行抽油桿防腐處理，還需要配套的抽油泵和油管防腐處理；

（4）鼓勵新材料新工藝新結構防腐技術在工程現場試用，并不斷改進和完善，為其推廣提供應用研究資料，更經濟有效解決抽油桿腐蝕問題。