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        石油鉆機固控系統(tǒng)抗腐蝕裝置的設(shè)計與應(yīng)用

        2022-08-28 05:47:06龔治濱代炳曉
        設(shè)備管理與維修 2022年15期
        關(guān)鍵詞:沉砂外排陰極保護

        龔治濱,芮 暉,代炳曉,王 皓

        (1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司,河北滄州 062450;2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司,河北廊坊 065000;3.中國石油集團渤海裝備制造有限公司石油機械廠,河北滄州 062552)

        0 引言

        鉆井作業(yè)時,在鉆頭不斷鉆進的過程中,巖屑會被鉆井液帶回地面,此時的鉆井液中含有的大顆粒巖石,無法直接重復(fù)利用。為了節(jié)約成本,可以將鉆井液中的固體按照其顆粒的直徑,一步一步地全部去除掉,然后對處理后的鉆井液成分再次配比,最終達(dá)到可以重復(fù)利用的目的。固控系統(tǒng)就是實現(xiàn)此過程的裝備。在實際生產(chǎn)中,固控系統(tǒng)很容易被鉆井液腐蝕。

        1 問題

        伊拉克哈法亞油田采用的是氯化鉀體系鉆井液。鉀鹽鉆井液為水基鉆井液,通過調(diào)解鉀鹽含量可以對各種泥頁巖起到水化膨脹及坍塌的作用,優(yōu)點是適用范圍廣泛,有防坍、抗鹽、抗污染的特性。但該體系的鉆井液由于其成分的復(fù)雜性和多樣性,也更加容易產(chǎn)生對固控系統(tǒng)的腐蝕。

        目前哈法亞油田鉆井工作量持續(xù)飽滿,原有的鉆機固控循環(huán)系統(tǒng)由于常年使用氯化鉀體系鉆井液,均出現(xiàn)設(shè)備本體銹蝕、罐面強度下降、內(nèi)部管線銹蝕導(dǎo)致工藝流程不完善的情況。國內(nèi)固控循環(huán)罐在早期制造過程中,在防腐涂裝工藝方面進行了大量的嘗試,但仍然未改變4~5 年后腐蝕造成的維修難的現(xiàn)狀。固控循環(huán)系統(tǒng)的抗腐蝕研制,對降低鉆井作業(yè)成本、提高鉆機日費收入有著重要的意義。

        2 解決方案

        為了解決氯化鉀體系鉆井液腐蝕的問題,首先考慮的是使用緩蝕劑。緩蝕劑是指以適當(dāng)?shù)臐舛群托问酱嬖谟诃h(huán)境(介質(zhì))中時,可以防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。緩蝕劑分為單組分緩蝕劑和復(fù)配緩蝕劑。因緩蝕劑主要為化學(xué)成分,化學(xué)成分的使用和存放都有嚴(yán)格的要求和規(guī)定,為避免不正確使用存放對人體造成傷害,主要考慮以物理的方式來減緩腐蝕。

        另一種減緩腐蝕的方式是陰極保護裝置。相比緩蝕劑,陰極保護裝置更方便安裝、維護,且不含有化學(xué)試劑,對人體更為安全。除了減緩腐蝕速度,還考慮了如何使用機械的方式來延長被腐蝕固控罐的使用壽命,包括更加便于不停止工作的情況下進行更換維修。雙層罐面設(shè)計便可以做到這點,能很方便地更換維修被腐蝕的罐面,可以大大延緩設(shè)備的腐蝕速度。

        2.1 固控系統(tǒng)雙層罐面設(shè)計

        固控系統(tǒng)將原單層罐面進行重新設(shè)計,分為上層罐面和下層罐面兩個相對獨立的罐面。下層罐面主要用于連接罐體,主要由鉆井液槽及2~3 根方管進行支撐。上層罐面主要用于承載各種固控設(shè)備及人員、走道,放置人孔。當(dāng)固控系統(tǒng)被腐蝕時,首先會腐蝕下層罐面,當(dāng)下層罐面的結(jié)構(gòu)被腐蝕到無法使用時(鉆井液槽被腐蝕出孔洞,支撐方管被腐蝕的無法再承重),可以在上層罐面修補鉆井液槽孔洞,或更換被腐蝕下層罐面的支撐方管。而當(dāng)上層罐面也被腐蝕到無法正常使用時,可以將上層罐面整體從固控罐上取下更換被腐蝕的部分;上下兩層罐面的交替修復(fù)或替換,可以延長整套固控罐的使用壽命。

        雙層罐面的連接采用以4 個對稱銷軸定位,然后用12 個螺栓進行連接,螺栓連接不但可以保證連接質(zhì)量,而且在需要拆除上層罐面時,可以方便地通過拆卸螺栓來完成。銷軸定位則是方便上層罐面的安裝。安裝上層時只要對準(zhǔn)定位銷軸,即可準(zhǔn)確地對準(zhǔn)所有的螺栓孔,只要擰上螺栓即可。上下層高度為250 mm。此高度將上下層拉開距離,避免被同時腐蝕,同時也兼顧了運輸需要,避免超高。雙層罐面設(shè)計見圖1。

        圖1 雙層罐面設(shè)計

        2.2 固控系統(tǒng)清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計

        當(dāng)一口井完鉆后,準(zhǔn)備遷移到下一口井繼續(xù)施工時,有一個必不可少的步驟是將固控罐中的鉆井液清理出去,如果使用井隊的鉆井泵或加重泵進行抽吸,固控罐底部有300 mm 左右的鉆井液及沉砂無法被吸出,此時可以使用鉆井液槍來清洗,但最后還會保留一部分無法清洗掉,此時只能人工下到罐內(nèi)進行清洗。固控罐內(nèi)屬于密閉空間,安全性不高,必須有人值守,而且罐內(nèi)通風(fēng)不暢,清理剩余的鉆井液及沉砂勞動強度高。對此,設(shè)計了清掏窩及外排清砂提閥。

        固控清掏窩位于人孔下方,直徑377 mm,深200 mm。在鉆井完成需要清掏固控罐內(nèi)剩余的鉆井液及沉砂時,如果沒有清掏窩,排漿用的泵無法在罐里平穩(wěn)放置,需要有人或物在罐外固定泵,在人孔下方設(shè)計清掏窩后,可以將泵放置于清陶窩內(nèi)部而無需額外的人或物在罐外固定,減少了人力和物力的消耗。外排清砂提閥位于罐底座末端,結(jié)構(gòu)上采用提拉型排砂管+蝶閥。清砂到最后的時候,剩余的鉆井液及沉砂很難完全清理干凈。本設(shè)計的外排清砂提閥,人在下罐后,將排砂管的塞子提起,即可將鉆井液及沉砂清理到排砂管中,只要再打開蝶閥,即可順利將鉆井液及沉砂清理出固控罐。清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計見圖2。

        圖2 清陶窩及外排清砂提閥設(shè)計

        2.3 固控系統(tǒng)陰極保護裝置的設(shè)計

        陰極保護裝置包括外加強制電流陰極保護和犧牲陽極的陰極保護。外加強制電流陰極保護是在回路中串入一個直流電源,借助輔助陽極,將直流電通向被保護的金屬,進而使被保護金屬變成陰極,實施保護。但是這種保護方式需要額外增加絕緣法蘭、絕緣墊片、檢查片等設(shè)施,而且需要外加一個強制的電流。這些設(shè)施不但增加了使用成本,強制電流也增加了燃料的消耗。井場屬于易燃易爆物質(zhì)非常多的區(qū)域,需要避免雜散電流,強制電流存在安全隱患,不宜使用。故這種方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu),如長輸埋地管道、大型罐群等。

        犧牲陽極的陰極保護技術(shù)則是用一種電位比所要保護的金屬還要低的金屬或合金,與被保護的金屬電極連接在一起,依靠電位比較低的金屬不斷地腐蝕溶解所產(chǎn)生的電流來保護其他金屬。這種保護方法不需要外部電源,不需要管理,保護電流分布均勻、利用率高,只需要更換保護材料即可,減少了額外的設(shè)施以及燃料的消耗,相比其他保護方法使用成本更低。

        陰極保護裝置大小為1000 mm 見方,位置位于每個倉的罐體中部,下層罐面以下200 mm。當(dāng)罐內(nèi)鉆井液充滿到30%以上,即可起到保護作用。此位置可以保護每個倉95%的容易被鉆井液腐蝕的部位。

        陰極保護裝置采用鋅作為保護材料,鋅比鐵有較高的電勢。因此當(dāng)二者相連接且都浸在鉆井液中時,鋅的電子轉(zhuǎn)移到被保護固控罐上,鋅的一端稱為陽極,鐵的一端稱為陰極,腐蝕通常發(fā)生在陽極。腐蝕時優(yōu)先腐蝕鋅板。犧牲陽極易于安裝,當(dāng)陽極消耗為初始重量的90%時,可在清洗時更換。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        截至2021 年底生產(chǎn)完成1 套固控循環(huán)系統(tǒng),在國內(nèi)完成整機組裝調(diào)試、廠內(nèi)試驗和作業(yè)現(xiàn)場安裝調(diào)試試驗后,交付伊拉克哈法亞油田使用。目前,在哈法亞油田已完成現(xiàn)場試驗,在海外油田現(xiàn)場使用的過程中,清掏窩及外排清砂提閥的設(shè)計降低了清罐難度,減少了清罐時間,提高了清罐安全性,得到了井隊現(xiàn)場人員的一致好評。上下雙層罐面設(shè)計,進行了一次作業(yè)中的下層罐面的鉆井液槽漏洞修補工作,可以滿足不停止作業(yè)即可修復(fù)的要求。在搬運中進行了一次上下層罐面的分離,并模擬修補上層罐面支撐梁,所需工時遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于正常修補罐面。陰極保護裝置中的消耗材料鋅板,滿足預(yù)期的試驗壽命??傮w來說,該設(shè)計可以基本滿足延緩腐蝕的需求,實現(xiàn)固控循環(huán)系統(tǒng)防腐易修結(jié)構(gòu),延長固控循環(huán)系統(tǒng)1 倍的使用壽命。

        4 結(jié)語

        通過對固控系統(tǒng)抗腐蝕的研制,使用上下雙層罐面設(shè)計,清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計以及陰極保護裝置,大大延緩了氯化鉀體系鉆井液對固控系統(tǒng)的腐蝕速度,室內(nèi)試驗腐蝕速度指標(biāo)降低40%,維護修理安全方便,使用壽命延長1 倍以上。而且清掏鉆井液及沉砂更加方便快捷,省時省力,可以降低鉆井作業(yè)成本,提高鉆機日費收入。

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