表面處理工藝在海洋石油完井工具中應用與實踐

劉曉峰，孔學云，黨萬恒，梁振琪，閆 紳，齊海濤，李寶龍，嚴孟凱

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

表面處理工藝在海洋石油完井工具中應用與實踐

劉曉峰，孔學云，黨萬恒，梁振琪，閆 紳，齊海濤，李寶龍，嚴孟凱

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

主要針對海洋石油油氣田工況，開展對合金鋼、不銹鋼等為主體材料的井下工具的表面處理工藝應用研究，包括物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復合處理等技術，以提高井下工具的耐磨、自潤滑、耐腐蝕和耐沖蝕性能。結果表明，物理氣相沉積技術在提高工具耐磨和耐沖蝕性能具有明顯優勢；電鍍鎢合金技術在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優勢，而QPQ鹽浴復合處理技術不僅在耐磨和耐沖蝕性具有優勢，同時，還適合解決不銹鋼螺紋黏扣、金屬密封等問題。

表面處理工藝；海洋石油；完井工具；耐磨；耐腐蝕

海洋油氣田的開發開采環境和工況極其惡劣，一般油氣田中均含有H2S、CO2等腐蝕氣體以及S2-和Cl-的腐蝕離子，而且，在油氣井開發過程中，井下工具同時要承受拉力、壓力和扭矩等復雜交變應力，同時，工具要經受大排量和高流速的鉆完井液體、泥漿、攜砂液等沖蝕。因此，要求海洋石油井下工具具有強的抵御惡劣的工況的綜合性能，要求井下工具具有高強度和高耐磨、優良自潤滑性、耐腐蝕和耐沖蝕等綜合性能。鑒于對工具性能的高要求，單憑借優選材料是遠遠不夠的，須通配合材料表面處理工藝來提高材料的綜合性能。

1 表面處理技術

目前，提高海洋石油井下工具的耐磨、耐腐蝕和耐沖蝕性能的表面處理工藝主要有物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復合處理等技術，經過多年研究及應用，對于合金鋼和不銹鋼而言，物理氣相沉積技術主要提高工件的耐磨和耐沖蝕性能，電鍍鎢合金技術在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優勢，QPQ鹽浴復合處理技術更適合解決不銹鋼螺紋粘扣、金屬密封等問題。

1.1 物理氣相沉積表面處理技術

物理氣相沉積表面處理技術（Physical Vapor Deposition）指的是用物理的方法將材料沉積在被鍍工件表面上的薄膜制備技術，通常簡稱PVD技術。

選取材料為3Cr13、調質處理（硬度為28HRC）的1#工件和2#工件，其中1#工件表面為鏡面（車削后拋光），2#工件表面稍粗糙（車削加工），1#和2#工件表面鍍陶瓷材料后的宏觀和微觀形貌如下圖1所示。

由圖1（a）、（b）和（c）可知，1#工件的表面鍍陶瓷后其光潔度明面高于2#工件，1#工件鍍陶瓷后表面平整光滑、致密、無顆粒或孔洞，且通過微觀組織觀察，表面粗糙度約32nm，表面平均微氏硬度1 900HV，涂層總厚度約14μm。

圖1 3Cr13材料試塊表面鍍陶瓷材料后的表面宏觀和微觀形貌

表面鍍陶瓷涂層材料，表面硬度可達1 500～2 000HV，涂層總厚度為13～15μm。表面鍍類金剛石超硬耐磨涂層材料，表面硬度可達2 000～3 000HV，涂層總厚度為0.5～2μm，類金剛石材料的自潤滑性比較好，摩擦系數為0.02～0.04。涂層附著力大于60N。表面鍍陶瓷后的光潔度取決于工件原始光潔度。

1.2 表面鍍鎢合金處理技術

表面電鍍鎢合金是兼顧耐磨與防腐雙重性能的新型電鍍工藝，從目前應用情況來看，電鍍鎢合金后鍍層硬度可達1100HV，對井下工具進行表面電鍍鎢合金主要是提高其耐腐蝕性能。

選取常規井下工具材料110SS試樣，對其表面進行鍍鎢合金處理后，再進行耐H2S和CO2腐蝕性能評價試驗。

模擬腐蝕環境及工況（較惡劣）：CO2分壓為11MPa，H2S分壓為5MPa，單質硫含量為10g/L，模擬介質中氯離子含量為80 000mg/L，pH值為4.5，溫度為160℃，試驗時間168h。單孔試樣（1#樣）和雙孔試樣（2#樣）。

試驗過程及評價方法：該試驗是選用TFCZ-25/250型磁力驅動反應釜進行，裝上試樣后將高壓釜密封，通入高純氮除氧2h，隨后通入CO2和H2S，升溫升壓到設計工況，然后按照均勻腐蝕速率計算方法來評價其耐腐蝕性能。

均勻腐蝕速率的計算方法為：

式中：Δg為試樣的失重，g；

t為試驗時間，h；

S為試樣面積，mm2；

γ為材料比重，g/cm3

vcorr，均勻腐蝕速率，mm/a。

試驗結果分析：試驗結束后，將試樣從釜中取出，放入清洗液中清洗至腐蝕產物除凈為止，之后用自來水沖洗并用濾紙吸干后置于無水酒精或丙酮中侵泡3～5min脫水。脫水試樣經冷風吹干后，稱重并按照公式（1）計算均勻腐蝕速率，并用金相顯微鏡觀察腐蝕前后試樣形貌。

表1 表面涂鍍鎢鎳合金鍍層工具試片腐蝕速率計算結果及評價

由圖2和圖3可知，去除試樣表面腐蝕產物前的兩種規格試樣表面有少量較為致密的腐蝕產物覆蓋，呈黑灰色。由圖4和圖5可知，去除試樣表面腐蝕產物后的兩種規格試樣表面呈亮白金屬光澤，沒有出現明顯局部腐蝕現象。根據NACE RP-0775-2005標準，兩種規格試樣在模擬腐蝕環境下屬于輕度腐蝕。

圖2 去除試樣表面腐蝕產物膜前兩種規格試樣表面宏觀腐蝕形貌

圖3 去除試樣表面腐蝕產物膜前兩種規格試樣表面SEM微觀腐蝕形貌

圖4 去除試樣表面腐蝕產物膜后兩種規格試樣表面宏觀腐蝕形貌

圖5 去除試樣表面腐蝕產物膜后兩種規格試樣表面SEM微觀腐蝕形貌

1.3 QPQ鹽浴爐復合處理技術

QPQ鹽浴爐復合處理技術的主要工序包括鹽浴氮化處理、氧化處理、拋光處理和第二次氧化處理四個過程。鹽浴氮化處理技術是核心，主要是將氮化鹽中氰酸根的分解而產生的活性氮原子滲入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴散層。氧化處理主要是徹底分解工件從氮化爐帶出來的氰根（CN-），同時，在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，對提高耐磨性也有一定好處。拋光處理主要是去除氮化物層外面的疏松層，經第二次氧化可以進一步提高工件的抗腐蝕性和耐磨性。

對調質4145H進行QPQ處理，并檢測處理前后表面硬度及有效硬化層厚度，見表2。

表2 2Cr13QPQ處理前后性能參數

圖6 2Cr13 QPQ處理后微觀組織圖

對調質4145H進行QPQ處理，處理后硬度較處理前硬度提高5倍，有效硬化層厚度約66μm。

QPQ鹽浴復合處理技術具有滲氮、氧化、拋光等工序特點，在工件表面可形成高硬度滲氮層和氧化層，且處理后工件表面光潔度高，可應用在金屬密封面處理、不銹鋼和鎳基合金等材料螺紋處理。

2 工具表面處理耐沖蝕性能試驗及評價

本次試驗主要是檢驗和評價4145基材的完井工具，在模擬壓裂充填完井作業工況（高砂比、大排量）下，表面進行磷化和QPQ處理的工具的耐腐蝕和耐沖蝕性能。

2.1 試驗方案

沖蝕試驗完全模擬9-5/8"套管井多層礫石充填作業工藝，選取沖蝕管柱段為“液體由充填孔出來，進入充填短節和延伸筒環空，并經滑套孔進入滑套、滑套密封筒與套管環空”這段。管柱主要由內層、中層和外層3層工具串組成，管柱上下端通過變扣、短節和堵頭進行管柱配套。

由批混撬出來的攜砂液，經過兩臺泵泵入沖蝕管柱，然后再回到批混撬，對管柱進行連續循環沖蝕。沖蝕方案流程圖和沖蝕管柱圖如圖7所示。

圖7 沖蝕試驗管柱圖

2.2 試驗要求及參數

本實驗模擬壓裂充填實際工況進行試驗參數設計。介質為水和石英砂，石英砂粒度40～60目，打砂泵排量22bpm，砂比2PPg（混砂撬體積已知，折算砂子量2875lbs），折算沖蝕時間約7h，累計泵入砂子約500 000Lbs。

沖蝕管柱分兩趟，①被沖蝕管柱工具表面進行磷化處理；②被沖蝕管柱工具表面進行QPQ處理。

2.3 實驗過程及結果分析

2016年6月，在中海油鉆采試驗培訓基地進行壓裂充填完井管柱沖蝕試驗（見圖8）。

將試驗管柱工具與設備連接，并進行管柱試壓（35MPa，穩壓10min），先用清水逐漸開泵至22bpm，進行管線及工具試運行，然后將批混撬逐步加砂至約3000lbs（2ppg），累計泵入砂子約500 000Lbs，試驗結束，停泵。拆卸設備、管柱及工具，并將工具運回實驗室進行沖蝕結果分析。

圖8 沖蝕試驗現場作業圖

2.3.1 沖蝕情況宏觀分析

充填短節、充填孔等表面沖蝕宏觀形貌圖如圖9所示。

圖9 充填孔宏觀沖蝕形貌

由上圖9所示，充填短節上的充填孔下端、以及充填孔正對延伸筒是整個管柱沖蝕最嚴重的地方，有明顯的變形和沖蝕缺口。其中表面進行QPQ處理的充填短節上，充填孔下端的表面硬化層在已經沖蝕脫落。

表面進行磷化處理的工具有明顯銹蝕，而表面進行QPQ處理的工具表面基本沒有銹蝕，表明QPQ處理表面具有很好的耐腐蝕性。

由下圖10可知，表面QPQ處理的滑套較表面磷化處理的滑套掛攜砂液少，說明QPQ處理后工具表面具有很好的自潤滑性。沖蝕后滑套表面及滑套孔宏觀上沒有明顯變化，但是，對沖蝕后的滑套進行密封測試（35MPa，穩壓10min），表面磷化處理的滑套不能密封，而表面QPQ處理的滑套能夠密封。

2.3.2 滑套沖蝕后密封性能測試

圖10 QPQ處理滑套宏觀沖蝕形貌

3 現場應用

借鑒工具沖蝕試驗結果，對壓裂充填完井關鍵工具進行QPQ表面處理，整套工具于2016年8月在渤海CFD12-1區塊某井進行壓裂充填防砂作業，現場作業期間，自主化壓裂充填工具性能穩定可靠，壓裂充填作業累計泵入砂量18 000Lbs，充填系數600Lbs/ft，盲管埋高18ft，充填效果良好。

4 結論

通過對常用海洋石油完井工具材料表面處理工藝試驗和研究，得出如下結論：

1）物理氣相沉積、電鍍鎢合金、QPQ鹽浴復合處理等技術都可以提高材料表面硬度，但是，又各自有各自的適應特性，物理氣相沉積技術在提高工具耐磨和耐沖蝕性能具有明顯優勢；電鍍鎢合金技術在提高工件的耐腐蝕性能上占明顯優勢，而QPQ鹽浴復合處理技術不僅在耐磨和耐沖蝕性具有優勢，同時，還適合解決不銹鋼螺紋黏扣、金屬密封等問題。

2）常用井下工具4145材質進行表面QPQ工藝應用研究，并通過模擬壓裂沖蝕試驗得知，4145材料經QPQ處理后，其硬度、耐腐蝕性能、耐沖蝕性能和自潤滑性能均顯著提高，QPQ處理后的完井工具滿足壓裂充填作業要求。

Surface Treatment Technology Used in Offshore Oil Well Completion Tools and Practices

Liu Xiao-feng，Kong Xue-yun，Dang Wan-heng，Liang Zhen-qi，Yan Shen，Qi Hai-tao，Li Bao-long，Yan Meng-kai
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China）

According to the working condition of Marine oil and gas fields，this article mainly researched surface treatment technology of conduct of alloy steel and stainless steel as the main material of downhole tools，including physical vapor deposition，electroplating tungsten alloy，QPQ salt bath composite processing technology，to improve downhole tools wear resistance，selflubricating，corrosion resistance and erosion resistance performance.The results show that the physical vapor deposition technology has obvious advantages of improving tools in wear and erosion resistance.Tungsten alloy electroplating technology also has obvious advantages of improving the tools incorrosion resistance，while QPQ salt bath composite processingtechnology not onlyhas an advantage in wear resistance and erosion resistance，meanwhile，it is suitable for solving the problem of stainless steel threaded buckle，metal seal etc.

surface treatment technology；marine oil；completing tool；wear-resisting；corrosion resistance

TE254.3

B

1003–6490（2017）03–0033–03

2017–03–09

劉曉峰（1983—），男，山西晉中人，中級工程師，主要從事石油工具研發工作。