復合磺酸鈣基潤滑脂在油田中的防腐蝕應用

周航 李銳 范雪麟 石堯 邵長彬 盛擁軍

摘要：腐蝕是油田設備面對的重要問題。本文結合復合磺酸鈣基潤滑脂這一新型的高性能潤滑脂相比傳統產品的顯著優點，考慮其天然的防腐蝕特性，提出了將其應用于高腐蝕環境下的鉆頭、各類油田機具的磨損部件的潤滑展開研究的思路。

關鍵詞：腐蝕;油田;復合磺酸鈣基潤滑脂

1 引言

復合磺酸鈣基潤滑脂是一類新型的高性能通用潤滑脂，近年來被廣泛地研究、應用于機械、冶金、造紙、采礦、海運、食品與核能等眾多領域[1-2]。相比傳統的鋰基、鈣基等潤滑脂，其性能優異。

腐蝕性是石油化工領域所面臨的重要問題。在石油勘探開發過程中，腐蝕現象非常嚴重，尤其是石油伴生的硫化氫氣體，鉆具在全暴露環境下產生的腐蝕既可存在于表面也可存在于材料深處，無法檢定金屬機具的受損程度，高強度鋼材應力開裂和脆斷往往是毫無征兆的突發事態[3]。針對油田設備中采用新型的復合磺酸鈣潤滑脂，充分利用其抗腐蝕性、防銹性、耐磨性的特點，將獲得非常好的綜合效益。

2 鉆井中的腐蝕現象

在石油勘探開采過程中，腐蝕按照其成因，主要的類型如下：

硫化物腐蝕。硫化氫廣泛存在于油井環境，大致有以下幾種來源：首先是地層中蘊含的與石油伴生的，其次，在鉆井過程中使用的聚磺類處理劑熱解后產生的，還有嗜硫化物的細菌所產生的硫化氫等。硫化氫干燥時對金屬無明顯侵蝕現象，但處于水解狀態時釋放氫離子，對具有強烈的去極化能力，對金屬單質進行氧化。另一方面，氫離子還原后形成的單質會滲入至碳鋼深處，使得金屬構件中形成強大的內應力，造成構件脆性破壞。后者為此類腐蝕中的主要隱患，依據現象，可存在有四類[3]：氫鼓泡、氫致開裂、應力腐蝕開裂、應力導向氫致開裂。

偏磨腐蝕。油管、抽油桿往復循環的摩擦將使得金屬表面的氧化物介質被清除，金屬基體重新暴露于腐蝕性介質之中，成為電化學反應中新的陽極。如此將加速對金屬部件的消耗。

二氧化碳腐蝕。二氧化碳廣泛存在于各類環境，其侵蝕原理類似與硫化氫介質，主要是其水解產生的弱酸性環境對金屬基體的氧化。

生物腐蝕。生物腐蝕復雜多樣，主要途徑是通過生物活動產生腐蝕性介質，從而對金屬產生腐蝕。腐蝕性介質主要有硫酸，硫化氫，二氧化碳。

防腐蝕工作本質上是對金屬構件的隔絕。工程上通常從改變金屬合金成分、設置陽極保護、添加緩蝕劑或者防腐涂層為主要手段。磺酸鹽作為重要的一類添加劑，具有良好的抗腐蝕性能。有學者[5-7]對氨基磺酸鹽、木質素磺酸鹽、改進木質素磺酸鹽等一系列的磺酸鹽的耐腐蝕性能進行了研究，論證了磺酸鹽作為緩蝕劑，對抗各類腐蝕性介質的有效性。

3 復合磺酸鈣基潤滑脂的特性

復合磺酸鈣基潤滑脂基于上世紀50年代以來磺酸基潤滑脂，經過數次產品迭代和改進，解決了滴點、稠化能力、泵送性能、易失性問題，國內近年來生產能力逐漸提升，在各個領域有了越來越多的應用。相比傳統的潤滑脂，其具有以下優點：

剪切安定性。依據GB/T 269的測試標準，經過10萬次剪切后，工作錐入度相比改變相較傳統的鈣基、鋰基潤滑脂非常小。

耐高溫性能。常規的鋰基潤滑脂、聚脲潤滑脂在高溫下會發生不可逆的化學結構改變。機械運轉中潤滑部位不可避免的出現高溫工況，耐高溫性能是一重要考量點。復合鈣基潤滑脂的滴點通常在250攝氏度，高溫可逆。

抗水性能。抗水性能通常以在潤滑脂中加入20%的水的形式進行試驗。復合磺酸鈣基潤滑脂在加入20%的水后，防腐蝕性能、錐入度、極壓性能維持原狀[4]。在加入50%的水后的極端情形下，復合磺酸鈣基潤滑脂性能依舊。

防腐蝕性。磺酸鹽是常見防腐蝕添加劑成分，出現在各類防腐噴涂產品中。復合磺酸鈣基潤滑脂作為天然的防腐蝕成分，其對金屬部件的保護是持續的。

4 復合磺酸鈣基潤滑脂的防腐蝕應用場景

磺酸鹽對腐蝕有天然抗性，同時該潤滑脂能有效粘附與金屬介質，避免金屬部件與腐蝕性成分接觸，其優秀的防腐蝕性能將得到極大發揮。在油田領域，潤滑脂的應用包含油田普通設備與鉆頭兩大類場景[8]。

4.1 油田普通設備

鉆井設備。可對井架、天車、游動滑車、絞車、轉盤、泥漿泵等設備的滑輪、軸承、油嘴、密封圈、彈簧、鉤軸進行潤滑。

試油壓裂設備。主要是壓裂機組、試井車、連續油管車臺等裝置中的輪轂、離合器、滾筒、鏈條拉桿連接銷中的軸承進行潤滑。

維護作業設備。修井機、通井機、背井駕車、洗井車、壓風車中的鏈條、軸承、絲桿、滾輪部位的潤滑。

運輸吊拖設備、地面道橋設備、機械加工及動力設備。這一類配套裝置中的軸承、齒輪、輪轂、絲桿、鋼纜等部位的潤滑。

國內上述設備中采用最多的潤滑脂是GB/T 7324通用鋰基潤滑脂、GB/T 5671汽車通用鋰基潤滑脂。更換為復合磺酸鈣基潤滑脂后，將有效避免金屬構件的過早腐蝕，其突出的抗水特性能切實提高部件的使用壽命。

4.2 油田鉆頭

油田鉆頭的壽命關鍵在于鉆頭軸承，而鉆頭軸承的壽命與其所采用的潤滑脂的品質息息相關。井下特殊設備的潤滑，是保證深井、超深井下設備安全的重要保證。國內對于鉆頭潤滑脂的研究極少，，而美國2011年發布的專利中，已經采用5%-70%的高性能復合磺酸鈣為稠化劑，取代了皂類。該潤滑脂能更好地滿足深井之下鉆頭高溫高壓的嚴峻環境。復合磺酸鈣基潤滑脂是未來的發展趨勢。

5 小結

本文針對油田高腐蝕性環境，從新型的復合磺酸鈣基潤滑脂天然的抗腐蝕特性出發，考慮其突出的抗水性，更耐高溫高壓極端惡劣環境的優勢，提出在油田中對復合磺酸鈣基潤滑脂進行廣泛研究和應用的思路。該潤滑脂優勢明顯，與油田環境兩者契合度高，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 朱廷彬. 潤滑脂技術大全[M]. 北京：中國石化出版社，2004

[2] 蔣明俊，郭小川. 高堿性磺酸鹽復合鈣基潤滑脂的研究進展[J]. 潤滑油，2013，28（2）：17-20

[3] 姚偉達，孔學云，劉禹銘，李寶龍，齊海濤. 油氣田開發中H2S對鋼材腐蝕因素分析與預防[J]. 科學管理，2016，3：255-257

[4] 朱廷彬，李其昌. 我國潤滑脂工業現狀及發展重點分析[J]. 中國石油和化工經濟分析， 2011，（09）：52-56.

[5] 冮冶，楊樹林，李晗曄等.耐熱耐腐蝕氨基磺酸鹽鍍鎳工藝的改進[J].電鍍與涂飾，2012，31（1）：17-19

周航，性別女，民族漢族，出生年月，1988.02籍貫（例如：山東高唐縣），工作單位勝利油田技術檢測中心，研究方向潤滑劑檢測，學歷本科，職稱中級工程師，單位所在地山東省東營市西二路480號，郵編257000。

項目來源，單位科研項目，項目名稱油田注采動設備長周期運行關鍵技術研究