0 引 言
油田通过小口径地下管道将石油从地下提升到地面 , 达到采出石油的目的。采油用小口径地下管道由地面深入地下 , 形成地面到地下立体管网 , 遍布油田。油井地下管道油管的埋藏深度最短几米 , 最长有 5 000 m , 其工作环境恶劣 , 管道腐蚀严重 , 油田每年要耗费数百亿元人民币用于被腐蚀管道的维修和更换。油田采油用地下管道多用规格尺寸为 57mm × (8 . 5 ~ 11) × 10 3 mm 的标准钢管。深埋地层的采油管道 , 受地层地质构造条件和油层条件影响腐蚀严重 , 地下油管的平均腐蚀速率高达 1 . 5 - 3 . 3mm / a, 点蚀速率高达 5 - 15mm / a, 腐蚀状况是 : 3 ~ 6 个月穿孔 , 6 ~ 12 个月大修 , 1 ~ 2 年报废。采油用地下油管的平均使用寿命在 9 ~ 18 月不等 , 最短的仅有 3 个月。地下管道防腐问题成为油田正常采油和降低采油成本的关键。在石油行业中 , 采油用地下管道的工作环境比地面管输管道复杂 , 地下管道的防腐工作比地面难度大。同一油井 , 油管埋地的深浅不同 , 其承受的温度和压力的作用不同 , 承受各种化学腐蚀因素 ( 由水、汽、油及地下水中的溶解氧、盐类、二氧化碳、硫化氢等各种化学物质构成湿热、多盐、多腐蚀因子的环境 ) 的腐蚀不同。采油行业重视管道重防腐技术研究 , 在对现有管道防腐技术改进和完善的同时 , 寻求新的油管防腐技术 , 解决采油地下管道严重腐蚀的防护问题。
1 工作环境、腐蚀因素及防腐技术现状
1. 1 工作环境、腐蚀因素
采油用小口径地下管道原用进口钢管 , 近年来国产钢管也有使用并正逐步取代进口。采油用地下油管因深埋地下 , 地下各种地质条件和化学腐蚀因素对油管构成腐蚀 , 腐蚀情况随油管地下工作环境条件的变化有所不同 , 不同的地质板块有不同的化学腐蚀因素 , 构成不同腐蚀环境。地下工作环境的地质条件和腐蚀因素见表 1:
表 1 采油用小口径地下管道地下工作环境及腐蚀因素
采油用小口径地下管道工作环境比油田地面管道苛刻 , 其腐蚀情况受环境条件和腐蚀因素的影响很明显。同一油井 , 油管埋藏深浅不同 , 承受温度、压力和各种化学腐蚀因素的浓度不同 , 腐蚀情况也不同。研究发现 , 小口径地下管道的腐蚀呈现如下规律 : 管道腐蚀情况同管道埋藏深度、地层温度和各种化学腐蚀因素浓度成正比。在相同地层深度和相同化学腐蚀因素存在的情况下 , 温度每升高 30 ℃ 左右 , 腐蚀就会加大 1 倍以上。地下水中的溶解 O 2 、 H 2 S 、 CO 2 、阴阳离子、硫酸盐还原菌 , 原油中所含 O 、 S 、 N 元素及氧化物构成了地下复杂的多腐蚀因素环境 , 来自于地下油层的水、汽、油中化学介质的腐蚀 , 使浸渍在其中的采油钢管受到严重腐蚀破坏 , 轻者出现砂眼、穿孔 , 重者呈现出蜂窝状穿孔和断裂 , 导致最终报废。
1. 2 防腐蚀技术现状
石油行业现在用于地下油管的防腐蚀技术有 3 种 : 阴极防腐蚀技术、金属 Ni - P 化学镀膜防腐蚀技术、新材料碳纤维管防腐蚀技术应用。
(1) 阴极防腐蚀技术是油田使用较多、经济有效的防腐蚀措施。阴极防腐蚀技术是电化学防腐蚀技术在油田管道的防腐蚀中的应用。油田用阴极防腐蚀技术有外加电流阴极保护和牺牲阳极保护两种 , 其原理都是利用金属在电解质溶液中 , 由于表面电化学的不均匀而形成腐蚀原电池。当阴、阳两极电流达到等电位时 , 管道腐蚀就被迫停止。
图 1 为阴极保护原理示意图。
图 1 阴极保护原理示意图
(2) 金属 Ni - P 化学镀膜防腐技术 , 该防腐原理是利用化学镀膜技术在地下油管表面镀上一层 Ni -P 非晶态合金 , 在金属油管表面形成一层结晶致密、孔隙度低、硬度高、均匀的化学镀层 , 镀膜厚度在 25 ~ 75 μ m 之间 , 经 Ni - P 化学镀膜防腐技术处理的地下管道 , 平滑度高、耐高温性好、防腐蚀性能优异、抗砂子冲刷磨损性强、管道使用寿命长。
(3) 新材料碳纤维管由功能性高分子合成材料制成 , 其柔韧性好 , 耐磨性、耐化学药品性优异 , 防腐性能好 , 属于新材料应用 , 正值推广试用期。
使用上述 3 种防腐技术在地下管道的防腐工程 , 对地下管道的防腐起到保护作用 , 有效延长了地下管道的使用寿命。但是因油田地下管道腐蚀因素的复杂和多样性 , 各种防腐技术也因某些技术缺陷存在 , 不能从根本上解决延长管道使用寿命、降低腐蚀维修费用的问题。阴极防腐技术受油管埋藏深度、油管长度、套管位置和长度、土壤含水率、地下水位高度、微生物、外接电源的影响 , 其防腐效果差异性大 , 某些环境条件阴极防腐技术不能应用。金属 Ni - P 化学镀膜防腐技术防腐蚀效果好 , 但致命的弱点是管壁容易结垢、结蜡 , 造成管道堵塞 , 需要经常进行管道清蜡、除垢工作。同时金属 Ni - P 化学镀的镀膜过程产生的废水对环境污染严重 , 受到国家环境保护政策的限制。新材料碳纤维管防腐性能优秀 , 但其减阻防结垢性能一般 , 且成本昂贵 , 很难大量推广使用。鉴于上述各种防腐技术的优缺点 , 研究机构正在组织进行防腐技术攻关 , 寻求用高分子涂膜内衬管壁的防腐技术 , 以道解决防腐蚀问题。
1. 3 高分子涂膜防腐蚀技术对涂料性能的要求
用高分子涂膜技术对采油用小口径地下管道进行防腐蚀保护 , 有较高的技术难度和要求 , 原因是小口径地下管道口径小、管道长 , 对涂膜防腐蚀性能和喷涂设备的尺寸和精度要求高。小口径地下管道管径小 , 涂膜在内壁涂装铺展流平很困难 , 要求内壁涂层薄 , 涂膜防腐蚀性能高 ; 管道长 , 对涂料施工喷涂设备的精度和自动化程度要求很高。地下管道承受来自地面和地下的压力、地层温度和多种化学腐蚀因素的影响 , 要求管道内壁涂膜延展性、耐化学性、耐温性、耐砂磨性好 , 疏水、疏油 , 有减阻、防腐蚀双重功能。小口径管道对内壁防腐蚀涂料的技术要求如下 :
(1) 与金属的附着力强 , 涂层表面光滑平整 , 以降低油水运动的阻力 ;
(2) 要求涂膜厚度 (100 ± 20) μ m;
(3) 耐温性在 30 ~ 200 ℃ 之间 ;
(4) 较好的抗磨损能力 ;
(5) 耐油性、耐水性好 ;
(6) 疏水、疏油、防结垢、防结蜡效果好。
2 内壁防腐蚀涂料配方设计及涂膜性能
2. 1 减阻涂料配方的设计
根据小口径地下管道内壁用减阻防腐蚀涂料配方技术要求 , 结合小口径管道涂装的特殊要求进行涂料配方设计。充分考虑涂层薄、防腐蚀性能高的设计要求 , 对小口径地下管道用涂料配方进行设计 , 选用酚醛固化有机硅改性环氧树脂为高分子涂膜的成膜物质 , 金属铝粉、玻璃鳞片为填料 , 特殊性能的蜡粉、助剂、高沸点溶剂组成小口径地下管道内壁用减阻防腐蚀功能性涂料。涂料施工后经高温固化在油管内壁形成 (100 ± 20) μ m 的涂膜 , 在油管内壁形成了耐水和防腐涂膜 , 阻止油水腐蚀管壁。酚醛固化有机硅改性环氧树脂涂膜表面张力 , 低于油水临界界面张力 , 有疏水、疏油作用 , 防止油水在管道铺展、滞留 , 阻止内壁结蜡、结垢 , 起到减阻防腐蚀双重作用。参考配方见表 2 。 |