电沉积镍钨合金技术在油管上的应用_雷同鑫.pdf

技术与信息80|2023年02月石油被誉为黑色的金子，是工业的血液，是国家生存与发展不可或缺的战略资源，对保障国家经济和社会发展以及国防安全有着不可估量的作用；采油设备是获得石油的重要硬件设施，低成本高性能的采油设备可以使我们获得更多的石油。随着我国经济的快速发展，目前大多数油田进入了采油中后期开发，在油套管上普遍存在盐水或矿化物腐蚀问题。大量高温、高压、超深、高含 H2S/CO2的油气井成为新的开采对象，油套管面临的腐蚀问题越来越突出，普通防腐材料不能满足腐蚀性生产2。镍镍钨合金以其优良的耐蚀耐磨性可有效解决油套管腐蚀问题。为了应对我国经济的快速发展，常规的采油技术已无法满足需要，众多的新型采油技术层出不穷，在新型采油技术中 CO2驱油技术的脱颖而出。0 引言我国是世界重要的制造加工大国，而电沉积技术在制造业等领域发挥着重要的作用，如机械，石油，军事及产品制造上发挥重要的作用，特别是在石油行业有广阔的空间。为了提高各类设备的性能延长寿命迫切需要新型的金属涂层，而目前常规防腐蚀和耐磨损金属涂层有以下几种：电镀铬、电镀镍、化学镀镍磷、镀锌以及热喷涂等技术，这些常规表面处理技术可以满足普通环境下的防腐要求，但是在含 H2S、CO2、Cl-等恶劣环境下已不能满足市场的需求，电沉积镍钨合金技术应运而生，经过纳菲尔公司多年研发而成的电沉积镍钨技术以其优异的防腐耐磨性能获得了用户的好评，已经在金属表面处理领域展现出巨大的应用前景1。电沉积镍钨合金技术在油管上的应用雷同鑫1，付江龙2，张长科3(1.湖南常德纳菲尔新材料科技有限公司，湖南 常德 410000；2.长庆油田公司第二采气厂，陕西 榆林 719000；3.湖南纳菲尔新材料科技股份有限公司，湖南 长沙 410000)摘要：钢铁的腐蚀现象是造成其失效的重要原因，广泛存在于机械设备、石油钻采、生产制造及海洋设备等领域，其造成的损失无法估量。电沉积镍钨合金技术可以提供高强度、高防腐蚀、高耐磨损性能，特别是对于高温高压下含 H2S、CO2、Cl-腐蚀性环境。文章介绍了电沉积镍钨合金技术的特点，并将普通钢材的高强度和镍钨合金的高耐蚀耐磨性能有机结合，符合新材料的发展趋势，可以广泛应用于油田机械、工程机械、海洋船舶和军工等领域，重点介绍了电沉积镍钨合金防腐油管在不同采油技术中的应用，结果表明电沉积镍钨合金油管具有良好防腐耐磨性能，可有效解决了石油开采中油管的腐蚀和磨损问题，延长油管使用周期，降低综合成本。关键词：镍钨合金；电沉积；防腐油管；耐腐蚀；CO2驱油中图分类号：TQ153 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)05-0080-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.05.024Application of Electrodeposition of NI-W Alloy on TubingLEI Tong-xin1,FU Jiang-long2,ZHANG Chang-ke3(1.Hunan Changde Nanof ilm New Material Science and Technology Co.,Ltd.,Changde 415000,China;2.Changqing Oil Field Company Second Gas Production Plant,Yulin 719000,China;3.Hunan Nanof ilm New Material Science and Technology Co.,Ltd.,Changsha 410000,China)Abstract:Corrosion of steel is an important cause of its failure and it is widely found in engineering machinery,oil drilling,chemical manufacturing and marine equipment,and the damage it causes is incalculable.Electrodeposited nickel-tungsten alloy technology provides high strength,high corrosion and wear resistance,especially for corrosive environments containing H2S,CO2 and Cl-at high temperatures and pressures.This paper introduces the characteristics of electrodeposited nickel-tungsten alloy technology,which combines the high strength of ordinary steel with the high corrosion and wear resistance of nickel-tungsten alloy,in line with the development trend of new materials,and can be widely used in oilf ield machinery,engineering machinery,marine vessels and military industry.The application of electrodeposited nickel-tungsten alloy anti-corrosion oil pipes in different oil recovery technologies is introduced.The results show that electrodeposited nickel-tungsten alloy oil pipes have good anti-corrosion and wear resistance,which can effectively solve the corrosion and wear problems of oil pipes in oil extraction,extend the life cycle of oil pipes and reduce the comprehensive cost.Keywords:NI-W alloy;electrodeposition;anticorrosion tubing;corrosion resistance;CO2 flooding2023年02月|81金属钨不能从钨盐的水溶液或者其他任何含有W 元素的可溶化合物中单独电沉积出来，但钨能够与Fe、Ni、Co 等元素发生共沉积，再辅以合适的络合剂、添加剂，即可形成所谓的“诱导共沉积”，共沉积得到的镍钨合金兼具了钨及铁系金属的优点。镍钨合金镀层成分是以 Ni、W 为主的三元或四元合金，随钨含量的增加，镍钨合金镀层逐渐形成纳米晶、非晶态结构，这种结构决定了镍钨合金具有许多金属所不具有的优异特性，表面易形成镍、钨等的氧化物，该氧化物附着在镀层表面，构成了具有保护性的钝化膜，阻止了腐蚀介质的侵蚀，从而使镍钨合金镀层具有优异的耐蚀性能。同时，镍钨合金镀层的高强度、硬度，和光亮、光滑、致密的表面特性，使镍钨合金镀层具有优良的减磨、减阻和抗磨损性能。1.1 镍钨合金技术特点(1)外观：镀层外观光亮且镀层致密、无裂纹，镍钨合金中钨的质量百分含量在 12%32%(%)时，钨镍合金通常为非晶态结构。(2)结合力：镍钨合金镀层与基体间为原子键结合，因此镀层与基体结合力好，经过弯折试验、拉力试验检测镀层不会脱落；(3)硬度：镍钨合金镀层维氏硬度可达650900，耐磨性好，优于镀镍、磷化、有机涂层等传统表面处理方法，并不改变产品基材原有机械性能。(4)耐腐蚀性：镍钨合金镀层在弱酸性、碱性和盐溶液中表现出优异的耐腐蚀性能，尤其在氯化物、硫化物和二氧化碳介质中，相比其他镀种具有明显的耐蚀性优势；(5)环保方面：镍钨合金工艺为清洁生产工艺，生产过程中无有毒有害物(六价铬等物质)排放，废水处理简单。2 镍钨合金镀层油管性能优势石油钻井设备和采油设备存在着腐蚀和磨损两大世界级难题，每年都会因腐蚀、磨损造成巨大损失。在普通碳钢、低合金钢及其他普通材料表面镀镍钨合金层后，可大幅度提高产品的防腐性能，我公司镍钨合金镀层套管具有优良的耐高温、高压的二氧化碳、硫化氢、氯离子腐蚀性能，表面硬度高，光滑减阻，抗刮擦、冲蚀性能好，外壁镀层套管可以有效防泥包，降低下套管阻力，可以适用于井下复杂工况油套管耐腐蚀和耐磨损的性能需求，延长油套管的使用寿命，在油田钻探、开采等领域有巨大的应用前景。目前我国的 CO2驱油技术已相当成熟，已成为现场实现稳产提采的关键技术。CO2驱油，首先，能够降低油水界面张力，并显著降低原油黏度，使得驱替过程中的阻力降低；其次，增加了原油的内动能，提高了原油的流动性。最后，在油层中占据了一定的孔隙空间，增加了油层的压力，从而提高原油采收率，提升了驱油效果。CO2驱油技术可以有效的提高产量，同时对温室气体 CO2进行有效封存，迎合了当前节能减排的宗旨；人类的经济活动导致 CO2的过度排放，而 CO2又是引起气候变化乃至造成严重自然灾害的“元凶”，因此以消减 CO2为主的温室气体成为国际社会关注的热点。在这样一个国际大环境下，CO2的捕集、利用和封存(CCUS)技术应运而生，它是将工业排放的 CO2捕集起来并加以利用和封存到地下深处。我国近年来正大力开展 CO2驱油提高采收率(CO2-EOR)的技术和应用，这项技术不但可以使老油田“焕发青春”，又能将部分 CO2封存到地下，CO2捕集、驱油与封存(CCUS-EOR)既能有效提高油田的采收率及低渗透油藏的动用率，使大量的低品位油气资源获得解放，提高石油产量，符合我国能源安全需求，又能实现 CO2安全地质封存，是实现化石能源低碳利用的新兴技术，也是实现“碳达峰、碳中和”的重大技术支撑3-4。CO2驱油技术将高压二氧化碳作为驱替气体注入地下后，溶水后的二氧化碳具有强腐蚀性，会造成井 下管柱、井筒、地面集采输管线和设备的局部腐 蚀，甚至造成油管和套管的穿孔、断裂，因此要结合现场实际情况，选用耐腐蚀材料、缓蚀剂等5，电沉积镍镍钨合金具有优异的耐 CO2腐蚀性能，可满足 CO2驱油技术的需求。1 镍钨合金技术金属钨(W)在所有金属中具有最高的熔点(3 410)，是稀有高熔点金属。它热传导率高，并具有相当高的强度和硬度；在高温稳定性好，1 000 下也不被氧化；钨的化学性质很稳定，室温时不跟空气和水反应，不溶于盐酸、硫酸、硝酸和碱溶液，难以被氧化和腐蚀。金属镍(Ni)熔点 1 455，沸点 2 900。镍具有很高的化学稳定性、高热稳定性和良好的机械强度和延展性。在空气中不易氧化，对酸和碱的抗蚀能力很强，但易溶于稀硝酸和王水中。纳菲尔公司用电沉积方式制备的镍钨合金兼具钨和镍的双重优势，具有高熔点、高硬度、高耐蚀性及高耐磨性等优良性能，可以肯定的是，用镍钨合金作为表面镀层进行基材的防护处理会显著提高其防腐耐磨性能。技术与信息82|2023年02月200 rpm，摩擦副为外径 40 mm 抽油杆接箍环，测试样块为油管试样，J55 普通油管与 T 级普通接箍磨损失重为 0.296 g，镍钨合金镀层油管与镍钨合金镀层接箍磨损失重为 0.050 4 g，按照磨损失重数据计算，镍钨合金镀层油管与镍钨合金接箍对磨的磨损量是J55 油管和普通接箍对磨的 1/6，试验数据表明镍钨合金镀层油管和镍钨合金镀层抽油杆的抗磨损性能是普通油管和抽油杆的 6 倍。2.1.2 镍钨镀层油管电化学性能参照 ASTM G3 标准“常规电化学腐蚀测量试验方法”进行电化学性能评价。将带镀层试样和 N80 裸样分别在 30、60、90