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(jī)械采油經(jīng)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(shè)備，斷脫事故嚴(yán)重影響原油產(chǎn)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(shù)井液含有較高的腐蝕介質(zhì)，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(shù)研究較多，然而還存在概括不全、機(jī)理不清晰、應(yīng)用范圍不明確等問題，致使相關(guān)工作人員對抽油桿的腐蝕情況和防腐技術(shù)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(shù)，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(shù)的有效性，對減緩抽油桿腐蝕的實(shí)操具有重要的指導(dǎo)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(chǎn)的注水技術(shù)，油井產(chǎn)液由原來的油包水型切換為水包油型，同時(shí)含有各種腐蝕介質(zhì)，抽油桿的服役條件逐漸惡化，腐蝕狀況日趨嚴(yán)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(qiáng)[2]；（2）溶解氧腐蝕，如油田注水?dāng)y帶的氧氣發(fā)生吸氧腐蝕[3,4]；（3）細(xì)菌腐蝕，如硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、硫氧化菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)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(jìn)作用，使得普通抽油桿難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用時(shí)長。油井現(xiàn)場需對井液做專業(yè)勘察與檢測，確定腐蝕介質(zhì)種類、形式、濃度等，還有井液溫度、壓力、雜質(zhì)等因素，作為選擇防腐技術(shù)的依據(jù)。

2 抽油桿防腐技術(shù)

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(zhì)腐蝕的外因，還要考慮抽油桿本身材料耐腐蝕性的內(nèi)因?；诔橛蜅U腐蝕的內(nèi)因和外因兩大影響因素，現(xiàn)有的抽油桿防腐技術(shù)研究集中在材料提升、井液改善、表面防護(hù)三個(gè)方面。

2.1 抽油桿材料提升技術(shù)

現(xiàn)有抽油桿防腐技術(shù)在材料提升方面，主要通過添加合金材料、調(diào)整微量元素、改善結(jié)構(gòu)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(shù)

耐腐蝕合金技術(shù)是通過添加耐腐蝕元素，調(diào)整鋼的比例來提高抽油桿耐腐蝕性?，F(xiàn)有技術(shù)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(diào)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(xué)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(qiáng)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(shù)

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(qiáng)化表層組織、提高結(jié)構(gòu)合理性與均勻性來提高材質(zhì)的防腐性能。成熟的防腐工藝有：噴丸強(qiáng)化技術(shù)、超音頻表面感應(yīng)淬火[10]、熱處理工藝[3]、深度冷拔[11]等技術(shù)，能夠強(qiáng)化表層結(jié)構(gòu)或提高組織結(jié)構(gòu)均勻性，進(jìn)而防止表面脫碳、內(nèi)部裂紋等缺陷產(chǎn)生。常用的噴丸強(qiáng)化技術(shù)是對抽油桿表面進(jìn)行高速彈丸撞擊，當(dāng)噴丸強(qiáng)度達(dá)到0.32mmA，表面覆蓋率為100%，最大工作應(yīng)力σmax=333MPa時(shí)，腐蝕疲勞壽命可提高5.5倍[10]。防腐處理工藝不僅可以應(yīng)用新抽油桿的制造還可用于舊抽油桿的修復(fù)。

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

2.2 抽油桿井液改善技術(shù)

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

2.2.1 添加化學(xué)劑技術(shù)

添加化學(xué)劑技術(shù)是通過添加化學(xué)劑的方式來形成保護(hù)膜、減少腐蝕介質(zhì)或改變環(huán)境性質(zhì)，以達(dá)到減緩抽油桿腐蝕的目的。這類化學(xué)劑包括緩蝕劑、殺菌劑、除酸劑、除氧劑、pH調(diào)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(hù)膜來抑制腐蝕[3,12]。添加化學(xué)劑需要明確井液中各類腐蝕介質(zhì)含量，對應(yīng)定量添加，過多過少均會影響防腐效果。添加化學(xué)劑技術(shù)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(yùn)行成本高、污染土壤和地下水等問題。

2.2.2 陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)技術(shù)是將還原性較強(qiáng)的金屬與被保護(hù)的金屬連接，還原性較強(qiáng)的金屬作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，從而避免腐蝕被保護(hù)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(hù)抽油桿成為陰極不被腐蝕[13,14]。陽極材料對抽油桿的鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)直接的保護(hù)，但其溶解速度不可控，二次產(chǎn)物保護(hù)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(yán)格的配方篩選，能夠控制陽極的溶解速度并可延長保護(hù)距離，同時(shí)二次產(chǎn)物具有持久性和自修復(fù)作用，對抽油桿起到雙重保護(hù)[15]。陰極保護(hù)技術(shù)不僅可以直接保護(hù)抽油桿不被腐蝕，改性陽極溶解物還有緩蝕作用。

添加化學(xué)劑和陰極保護(hù)技術(shù)屬于外輔助技術(shù)，可在油井現(xiàn)場實(shí)施，適用于在役抽油設(shè)備。保證該類防腐技術(shù)有效性需要配套連續(xù)監(jiān)測設(shè)施，同時(shí)化學(xué)劑和陰極保護(hù)材料作為耗材，運(yùn)行成本也較高。

2.3 抽油桿表面防護(hù)技術(shù)

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(hù)層，阻止井液與抽油桿直接接觸，根據(jù)表面防護(hù)層材質(zhì)的不同可分為金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料等防護(hù)技術(shù)。

2.3.1 金屬材料防護(hù)技術(shù)

金屬材料防護(hù)技術(shù)即在抽油桿表面增加耐腐蝕金屬覆蓋層。金屬防護(hù)層由鎢、鋅、鉻、鎳等材料經(jīng)電鍍、復(fù)合電鍍、擴(kuò)散鍍、感應(yīng)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(shí)可減少磨蝕和結(jié)垢[10,16-20]。其中“納菲爾”鎢合金電鍍?yōu)榉蔷B(tài)合金，結(jié)構(gòu)致密結(jié)合力強(qiáng)，耐磨耐腐蝕好[21]。俄羅斯研制的一種抽油桿擴(kuò)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(zhì)，使用壽命可延長2～3倍[16]。金屬材料防護(hù)結(jié)構(gòu)可提升抽油桿耐磨性和耐腐蝕性，但需要涂層完整密實(shí)，漏點(diǎn)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(hù)技術(shù)

非金屬防護(hù)涂層以有機(jī)涂料為主，無機(jī)非金屬防腐涂料施工工藝、成本問題、補(bǔ)口問題等仍沒有得到很好的解決[6]。有機(jī)防護(hù)層以外包覆、半包覆和熱噴塑為主要防護(hù)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(hù)，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(hù)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(shù)[24,27]。非金屬防護(hù)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(fù)合材料防護(hù)技術(shù)

復(fù)合材料防護(hù)技術(shù)結(jié)合金屬和非金屬防護(hù)技術(shù)優(yōu)勢，綜合防腐性能更高。通常是先涂敷金屬防護(hù)材料，再涂敷非金屬防護(hù)材料，解決了金屬涂層漏點(diǎn)腐蝕問題，還有一些復(fù)合鍍層：Ni-P鍍、Ni-Co-P鍍、Ni-W-P鍍、Ni-Cu-P鍍、三層復(fù)合涂鍍等技術(shù)[31-33]，與基體結(jié)合力好，并具有更高硬度、極強(qiáng)的耐磨耐蝕性。裝甲兵工程學(xué)院研制的復(fù)合涂層防腐抽油桿，生產(chǎn)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(shí)由于表面光滑，還具有防止結(jié)蠟和結(jié)垢的作用[10]。

表面防護(hù)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(qiáng)、損失小、污染小的無氣高壓噴涂[36]。目前表面防護(hù)技術(shù)還存在基材處理不徹底導(dǎo)致電鍍漏點(diǎn)、外包覆抽油桿難修復(fù)、有機(jī)防護(hù)層不耐高溫，運(yùn)輸或下井過程中磕碰造成的局部防護(hù)層破壞等缺陷。表面防護(hù)總體還是經(jīng)濟(jì)有效的防腐技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣的抽油桿防腐技術(shù)。

3 結(jié)語

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

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

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

4 建議

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

（2）腐蝕嚴(yán)重油井可以綜合利用多項(xiàng)防腐技術(shù)，材料提升+井液改善、井液改善+表面防護(hù)、材料提升+井液改善+表面防護(hù)等；

（3）抽油泵、油管與抽油桿面臨的腐蝕介質(zhì)相近，任何一項(xiàng)短板都將影響抽油設(shè)備的運(yùn)行。為了延長油井無故障免修期，不僅需要進(jìn)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(lì)新材料新工藝新結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)在工程現(xiàn)場試用，并不斷改進(jìn)和完善，為其推廣提供應(yīng)用研究資料，更經(jīng)濟(jì)有效解決抽油桿腐蝕問題。