梁曉陽，于明武，王信鵬，王亞民，郭連超，張振峰

1.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司（北京 100101）

2.德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司（山東德州 253034）

3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院（河北 三河 065200）

目前，“一帶一路”地區(qū)的油氣勘探開發(fā)正在向深水、深層和非常規(guī)等領(lǐng)域發(fā)展，其中海洋油氣年產(chǎn)量已超過5 000×104t[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)能源的需求不斷攀升，從而形成了巨大的能源壓力，使得深海油氣資源的開采受到越來越多的重視[3-4]。在國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣資源區(qū)塊的儲(chǔ)量不斷減少的情況下，原來難以開采的深海油氣資源正逐步成為中國(guó)油氣田開發(fā)增儲(chǔ)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，成為緩解油氣產(chǎn)量不足的重要途徑[5-6]。我國(guó)深水固井使用水下釋放膠塞完全依賴進(jìn)口[7]，國(guó)內(nèi)學(xué)者尚未展開相關(guān)研究工作，故開發(fā)一種適用于我國(guó)深海半潛式或浮式鉆井平臺(tái)的固井膠塞迫在眉睫。由于海洋鉆井平臺(tái)濕度大、高氯性的特殊環(huán)境及高昂的日費(fèi)情況[8-9]，易鉆性和耐腐蝕性對(duì)海上鉆完井工具影響舉足輕重[[10]。本文主要研究了金屬材料的耐腐蝕性、可鉆性，優(yōu)選出適用于水下釋放膠塞的易鉆金屬材料，為廣大學(xué)者在該技術(shù)領(lǐng)域深入研究、繼續(xù)突破提供借鑒。

1 研究背景

水下釋放膠塞頂塞、底塞及上、下鉆桿膠塞在固井作業(yè)完成后，需要將其鉆除以繼續(xù)鉆進(jìn)，因此要求頂塞、底塞及上、下鉆桿膠塞留在井底的零部件需要具有良好的可鉆性，這樣可以提高海上作業(yè)效率，大大節(jié)約鉆井成本。此外，由于水下釋放膠塞的存放環(huán)境是海邊庫房或鉆井平臺(tái)，海洋大氣環(huán)境中的硫化物對(duì)鋁合金的腐蝕影響顯著，不僅對(duì)試樣表面的點(diǎn)蝕產(chǎn)生很大影響，而且硫酸根離子會(huì)隨著腐蝕介質(zhì)深入晶界，加速沿晶腐蝕[11]。因此還需要求水下釋放膠塞的金屬零部件在海水及海洋環(huán)境中具備良好的耐腐蝕性能。

國(guó)外威德福等公司通過多年研究[12]，優(yōu)選6026鋁合金為水下釋放膠塞金屬材料，該材料兼具較好可鉆性和耐腐蝕性能，滿足水下釋放膠塞系統(tǒng)工況使用要求，但該標(biāo)準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商較少，且成本較高。為獲得適用于國(guó)產(chǎn)水下釋放膠塞系統(tǒng)的易鉆金屬材料，特進(jìn)行相關(guān)研究。

2 材料初選

基于國(guó)內(nèi)常用鋁合金體系，筆者初選了井下石油工具常用的2A12鋁合金及與6026屬于同一系列的X鋁合金作為研究對(duì)象，同時(shí)購(gòu)買進(jìn)口的6026鋁合金作為參照對(duì)象。經(jīng)過調(diào)研，X 鋁合金是一種廣泛運(yùn)用于船舶等方面的金屬，不但具有很高的強(qiáng)度和韌性，有很好的耐大氣腐蝕性能和不錯(cuò)的耐海水腐蝕性能。其熱處理狀態(tài)及力學(xué)性能見表1[13]。

表1 X鋁合金熱處理狀態(tài)及力學(xué)性能

為對(duì)鋁合金的可鉆性和耐腐蝕性能進(jìn)一步研究，筆者調(diào)研了6026 鋁合金、X 鋁合金及國(guó)內(nèi)常用的2A12鋁合金性能，并對(duì)三者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，以優(yōu)選滿足水下釋放膠塞系統(tǒng)實(shí)際使用需求的金屬材料[14]，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 水下釋放膠塞常用鋁合金化學(xué)成分

3 可鉆性室內(nèi)評(píng)價(jià)

為了對(duì)X 鋁合金的可鉆性有更直觀的了解，為水下釋放膠塞鉆除提供依據(jù)，同時(shí)與常規(guī)鋁材的可鉆性進(jìn)行比較，采用微鉆法[15]對(duì)X鋁合金、6026鋁合金及2A12 鋁合金進(jìn)行了可鉆性能實(shí)驗(yàn)，鉆頭參數(shù)：直徑32 mmPDC鉆頭，如圖1所示。

圖1 PDC鉆頭

裝好試樣，測(cè)深和測(cè)時(shí)儀表調(diào)零，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2 所示。當(dāng)鉆深1 mm 的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，再鉆深3 mm，記錄鉆進(jìn)時(shí)間，并停鉆，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測(cè)試試樣如圖3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過公式（1）計(jì)算可鉆等級(jí)。

圖2 PDC鉆頭鉆除

圖3 PDC鉆頭鉆除效果對(duì)比

式中：Kd為可鉆性級(jí)值；t為鉆進(jìn)時(shí)間平均值，s。

X、6026 和2A12 鋁合金的鉆除結(jié)果對(duì)比如圖3所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 X、6026和2A12鋁合金可鉆性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表3 的PDC 鉆頭鉆除數(shù)據(jù)可以看出，選用的X 鋁合金的可鉆性能為五級(jí)，高于2A12 和6026鋁合金，具有較好的可鉆性。

4 耐腐蝕性能評(píng)價(jià)

1）鹽霧腐蝕測(cè)試。為充分模擬水下釋放膠塞系統(tǒng)在海洋存儲(chǔ)環(huán)境中的耐腐蝕性能，依據(jù)GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》要求，對(duì)X、6026和2A12鋁合金進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)。

鹽霧試驗(yàn)箱濕化器溫度：（46±1）℃；

濕度：＞95%；

鹽霧試驗(yàn)箱試驗(yàn)槽溫度：（35±1）℃；

80 cm2鹽霧沉降率：（1～2）mL/h；

噴嘴壓強(qiáng)：（70～100）kPa；

噴霧方式：連續(xù)氣流式。

實(shí)驗(yàn)前測(cè)量各試樣的質(zhì)量，然后進(jìn)行鹽霧腐蝕測(cè)試，如圖4所示，腐蝕48 h后，2A12鋁合金腐蝕明顯，X、6026 鋁合金變化較小。為更加準(zhǔn)確地測(cè)試3種材料耐腐蝕性能，將X、6026鋁合金繼續(xù)進(jìn)行鹽霧腐蝕，腐蝕96 h后，測(cè)量所有試樣的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖4 鹽霧腐蝕后的3種鋁合金狀態(tài)

表4 鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合鋁合金腐蝕狀態(tài)和表4 結(jié)果分析，常規(guī)用的2A12 鋁的腐蝕速率介于0.075～0.089 g/（m2·h）之間，腐蝕比較嚴(yán)重；而X 和6026 鋁合金均為增重腐蝕，腐蝕速率＜0.01 g/（m2·h），具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，同時(shí)X 鋁合金鹽霧腐蝕后狀態(tài)優(yōu)于6026鋁合金。

2）均勻腐蝕全浸測(cè)試。為了驗(yàn)證金屬的耐腐蝕性能，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7901—1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》，對(duì)X、6026和2A12鋁合金進(jìn)行了均勻腐蝕全浸實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，測(cè)量其在海水環(huán)境中的耐腐蝕能力[16]。

圖5 X、6026與2A12鋁試樣

實(shí)驗(yàn)溶液：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液；試驗(yàn)總時(shí)間：288 h；清洗液：試樣表面腐蝕產(chǎn)物采用50 mL磷酸和20 g三氧化鉻加蒸餾水配制成1 000 mL溶液加熱至80 ℃浸泡5 min，然后在密度為1.42 g/mL的濃硝酸中放置1 min 后去除[17]。實(shí)驗(yàn)前測(cè)量各試樣的重量，然后浸泡在NaCl溶液中，如圖6所示。浸泡288 h后觀察，用清洗液將試樣表面擦洗干凈，再次測(cè)量所有試樣的重量，結(jié)果見表5，然后根據(jù)公式（2）計(jì)算各試樣的腐蝕速率。

圖6 試樣浸泡在3.5%NaCl溶液中的結(jié)果

表5 X金屬和2A12鋁合金試樣試驗(yàn)前后質(zhì)量

式中：R為腐蝕速率，mm/a；M為實(shí)驗(yàn)前的試樣質(zhì)量，g；M1為實(shí)驗(yàn)后的試樣質(zhì)量，g；S為試樣的總面積，cm2；T為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h；D為材料的密度，kg/m3。

按照公式（2）計(jì)算X金屬的腐蝕速率：

2A12鋁的腐蝕速率：

6026金屬的腐蝕速率：

參考《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》[18]，金屬材料的腐蝕速率與耐腐蝕情況見表6。

表6 金屬材料的腐蝕速率與耐腐蝕情況對(duì)照表

由表6可看出，常規(guī)用的2A12鋁的腐蝕速率介于0.05～0.5 mm/a，雖然也可用，但是相對(duì)腐蝕比較嚴(yán)重；而X 和6026 鋁合金的腐蝕速率＜0.05 mm/a，具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）剝落腐蝕測(cè)試。根據(jù)均勻腐蝕全浸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2A12耐蝕性差。為進(jìn)一步驗(yàn)證X和6026鋁合金的耐強(qiáng)酸腐蝕性能，根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，X金屬的生產(chǎn)廠家（西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司中心實(shí)驗(yàn)室）對(duì)兩種金屬進(jìn)行了剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)，并提供了實(shí)驗(yàn)報(bào)告（圖7），測(cè)量其在強(qiáng)酸環(huán)境中的耐腐蝕能力[19]。實(shí)驗(yàn)溶液：234 g NaCl+50 g KNO3+6.3 mL HNO3，pH 值為0.4；施實(shí)驗(yàn)總時(shí)間：48 h。

圖7 X和6026金屬剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)報(bào)告單

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，X為EA級(jí)，即表面明顯的起層，并穿入金屬；6026 為EB 級(jí)，即表面嚴(yán)重分層，穿入到金屬深處。X的耐腐蝕性能優(yōu)于6026鋁合金，同時(shí)按照GB/T 22639—2022 規(guī)定的合格判定，以不出現(xiàn)EB—ED 級(jí)為合格，因此X 金屬耐強(qiáng)酸腐蝕的檢驗(yàn)結(jié)果符合水下釋放膠塞的設(shè)計(jì)要求。

通過本文研究，獲得了井下石油工具常用的2A12 鋁合金、國(guó)外油服公司常用的6026 鋁合金、和6026 屬于同一系列的X 鋁合金耐腐蝕性能，見表7。

表7 金屬材料耐腐蝕性能匯總表

5 結(jié)論

水下釋放膠塞技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成熟，但在國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚屬空白，筆者從材料優(yōu)選方面對(duì)水下釋放膠塞系統(tǒng)應(yīng)用耐腐蝕、易鉆金屬材料進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論:

1）海上鉆井平臺(tái)日費(fèi)昂貴，基體材料可鉆性要求極高，研究發(fā)現(xiàn)X鋁合金的可鉆性能為五級(jí)，高于2A12和6026鋁合金，具有較好的可鉆性。

2）海洋環(huán)境對(duì)金屬腐蝕嚴(yán)重，通過鹽霧腐蝕測(cè)試，得出X和6026鋁合金腐蝕速率＜0.01 g/（m2·h），具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，同時(shí)X 鋁合金鹽霧腐蝕后狀態(tài)優(yōu)于6026鋁合金；通過均勻腐蝕全浸測(cè)試，得出X和6026鋁合金的腐蝕速率＜0.05 mm/a，具備優(yōu)良的耐腐蝕性能；通過剝落腐蝕測(cè)試，得出X為EA級(jí)，6026為EB級(jí)，X的耐腐蝕性能優(yōu)于6026鋁合金。

通過易鉆性測(cè)試與腐蝕性測(cè)試，優(yōu)選X金屬為水下釋放膠塞基體材料，可滿足水下釋放膠塞耐腐蝕、易鉆等性能要求，同時(shí)，該金屬可用在海洋鉆完井相關(guān)工具上，為海洋油氣勘探開發(fā)提供基礎(chǔ)支撐。