石油鉆機(jī)固控系統(tǒng)抗腐蝕裝置的設(shè)計與應(yīng)用

龔治濱，芮 暉，代炳曉，王 皓

（1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北滄州 062450；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000；3.中國石油集團(tuán)渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北滄州 062552）

0 引言

鉆井作業(yè)時，在鉆頭不斷鉆進(jìn)的過程中，巖屑會被鉆井液帶回地面，此時的鉆井液中含有的大顆粒巖石，無法直接重復(fù)利用。為了節(jié)約成本，可以將鉆井液中的固體按照其顆粒的直徑，一步一步地全部去除掉，然后對處理后的鉆井液成分再次配比，最終達(dá)到可以重復(fù)利用的目的。固控系統(tǒng)就是實現(xiàn)此過程的裝備。在實際生產(chǎn)中，固控系統(tǒng)很容易被鉆井液腐蝕。

1 問題

伊拉克哈法亞油田采用的是氯化鉀體系鉆井液。鉀鹽鉆井液為水基鉆井液，通過調(diào)解鉀鹽含量可以對各種泥頁巖起到水化膨脹及坍塌的作用，優(yōu)點是適用范圍廣泛，有防坍、抗鹽、抗污染的特性。但該體系的鉆井液由于其成分的復(fù)雜性和多樣性，也更加容易產(chǎn)生對固控系統(tǒng)的腐蝕。

目前哈法亞油田鉆井工作量持續(xù)飽滿，原有的鉆機(jī)固控循環(huán)系統(tǒng)由于常年使用氯化鉀體系鉆井液，均出現(xiàn)設(shè)備本體銹蝕、罐面強(qiáng)度下降、內(nèi)部管線銹蝕導(dǎo)致工藝流程不完善的情況。國內(nèi)固控循環(huán)罐在早期制造過程中，在防腐涂裝工藝方面進(jìn)行了大量的嘗試，但仍然未改變4～5 年后腐蝕造成的維修難的現(xiàn)狀。固控循環(huán)系統(tǒng)的抗腐蝕研制，對降低鉆井作業(yè)成本、提高鉆機(jī)日費收入有著重要的意義。

2 解決方案

為了解決氯化鉀體系鉆井液腐蝕的問題，首先考慮的是使用緩蝕劑。緩蝕劑是指以適當(dāng)?shù)臐舛群托问酱嬖谟诃h(huán)境（介質(zhì)）中時，可以防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。緩蝕劑分為單組分緩蝕劑和復(fù)配緩蝕劑。因緩蝕劑主要為化學(xué)成分，化學(xué)成分的使用和存放都有嚴(yán)格的要求和規(guī)定，為避免不正確使用存放對人體造成傷害，主要考慮以物理的方式來減緩腐蝕。

另一種減緩腐蝕的方式是陰極保護(hù)裝置。相比緩蝕劑，陰極保護(hù)裝置更方便安裝、維護(hù)，且不含有化學(xué)試劑，對人體更為安全。除了減緩腐蝕速度，還考慮了如何使用機(jī)械的方式來延長被腐蝕固控罐的使用壽命，包括更加便于不停止工作的情況下進(jìn)行更換維修。雙層罐面設(shè)計便可以做到這點，能很方便地更換維修被腐蝕的罐面，可以大大延緩設(shè)備的腐蝕速度。

2.1 固控系統(tǒng)雙層罐面設(shè)計

固控系統(tǒng)將原單層罐面進(jìn)行重新設(shè)計，分為上層罐面和下層罐面兩個相對獨立的罐面。下層罐面主要用于連接罐體，主要由鉆井液槽及2～3 根方管進(jìn)行支撐。上層罐面主要用于承載各種固控設(shè)備及人員、走道，放置人孔。當(dāng)固控系統(tǒng)被腐蝕時，首先會腐蝕下層罐面，當(dāng)下層罐面的結(jié)構(gòu)被腐蝕到無法使用時（鉆井液槽被腐蝕出孔洞，支撐方管被腐蝕的無法再承重），可以在上層罐面修補(bǔ)鉆井液槽孔洞，或更換被腐蝕下層罐面的支撐方管。而當(dāng)上層罐面也被腐蝕到無法正常使用時，可以將上層罐面整體從固控罐上取下更換被腐蝕的部分；上下兩層罐面的交替修復(fù)或替換，可以延長整套固控罐的使用壽命。

雙層罐面的連接采用以4 個對稱銷軸定位，然后用12 個螺栓進(jìn)行連接，螺栓連接不但可以保證連接質(zhì)量，而且在需要拆除上層罐面時，可以方便地通過拆卸螺栓來完成。銷軸定位則是方便上層罐面的安裝。安裝上層時只要對準(zhǔn)定位銷軸，即可準(zhǔn)確地對準(zhǔn)所有的螺栓孔，只要擰上螺栓即可。上下層高度為250 mm。此高度將上下層拉開距離，避免被同時腐蝕，同時也兼顧了運輸需要，避免超高。雙層罐面設(shè)計見圖1。

圖1 雙層罐面設(shè)計

2.2 固控系統(tǒng)清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計

當(dāng)一口井完鉆后，準(zhǔn)備遷移到下一口井繼續(xù)施工時，有一個必不可少的步驟是將固控罐中的鉆井液清理出去，如果使用井隊的鉆井泵或加重泵進(jìn)行抽吸，固控罐底部有300 mm 左右的鉆井液及沉砂無法被吸出，此時可以使用鉆井液槍來清洗，但最后還會保留一部分無法清洗掉，此時只能人工下到罐內(nèi)進(jìn)行清洗。固控罐內(nèi)屬于密閉空間，安全性不高，必須有人值守，而且罐內(nèi)通風(fēng)不暢，清理剩余的鉆井液及沉砂勞動強(qiáng)度高。對此，設(shè)計了清掏窩及外排清砂提閥。

固控清掏窩位于人孔下方，直徑377 mm，深200 mm。在鉆井完成需要清掏固控罐內(nèi)剩余的鉆井液及沉砂時，如果沒有清掏窩，排漿用的泵無法在罐里平穩(wěn)放置，需要有人或物在罐外固定泵，在人孔下方設(shè)計清掏窩后，可以將泵放置于清陶窩內(nèi)部而無需額外的人或物在罐外固定，減少了人力和物力的消耗。外排清砂提閥位于罐底座末端，結(jié)構(gòu)上采用提拉型排砂管+蝶閥。清砂到最后的時候，剩余的鉆井液及沉砂很難完全清理干凈。本設(shè)計的外排清砂提閥，人在下罐后，將排砂管的塞子提起，即可將鉆井液及沉砂清理到排砂管中，只要再打開蝶閥，即可順利將鉆井液及沉砂清理出固控罐。清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計見圖2。

圖2 清陶窩及外排清砂提閥設(shè)計

2.3 固控系統(tǒng)陰極保護(hù)裝置的設(shè)計

陰極保護(hù)裝置包括外加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保護(hù)。外加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是在回路中串入一個直流電源，借助輔助陽極，將直流電通向被保護(hù)的金屬，進(jìn)而使被保護(hù)金屬變成陰極，實施保護(hù)。但是這種保護(hù)方式需要額外增加絕緣法蘭、絕緣墊片、檢查片等設(shè)施，而且需要外加一個強(qiáng)制的電流。這些設(shè)施不但增加了使用成本，強(qiáng)制電流也增加了燃料的消耗。井場屬于易燃易爆物質(zhì)非常多的區(qū)域，需要避免雜散電流，強(qiáng)制電流存在安全隱患，不宜使用。故這種方式主要用于保護(hù)大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如長輸埋地管道、大型罐群等。

犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)則是用一種電位比所要保護(hù)的金屬還要低的金屬或合金，與被保護(hù)的金屬電極連接在一起，依靠電位比較低的金屬不斷地腐蝕溶解所產(chǎn)生的電流來保護(hù)其他金屬。這種保護(hù)方法不需要外部電源，不需要管理，保護(hù)電流分布均勻、利用率高，只需要更換保護(hù)材料即可，減少了額外的設(shè)施以及燃料的消耗，相比其他保護(hù)方法使用成本更低。

陰極保護(hù)裝置大小為1000 mm 見方，位置位于每個倉的罐體中部，下層罐面以下200 mm。當(dāng)罐內(nèi)鉆井液充滿到30%以上，即可起到保護(hù)作用。此位置可以保護(hù)每個倉95%的容易被鉆井液腐蝕的部位。

陰極保護(hù)裝置采用鋅作為保護(hù)材料，鋅比鐵有較高的電勢。因此當(dāng)二者相連接且都浸在鉆井液中時，鋅的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)固控罐上，鋅的一端稱為陽極，鐵的一端稱為陰極，腐蝕通常發(fā)生在陽極。腐蝕時優(yōu)先腐蝕鋅板。犧牲陽極易于安裝，當(dāng)陽極消耗為初始重量的90%時，可在清洗時更換。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2021 年底生產(chǎn)完成1 套固控循環(huán)系統(tǒng)，在國內(nèi)完成整機(jī)組裝調(diào)試、廠內(nèi)試驗和作業(yè)現(xiàn)場安裝調(diào)試試驗后，交付伊拉克哈法亞油田使用。目前，在哈法亞油田已完成現(xiàn)場試驗，在海外油田現(xiàn)場使用的過程中，清掏窩及外排清砂提閥的設(shè)計降低了清罐難度，減少了清罐時間，提高了清罐安全性，得到了井隊現(xiàn)場人員的一致好評。上下雙層罐面設(shè)計，進(jìn)行了一次作業(yè)中的下層罐面的鉆井液槽漏洞修補(bǔ)工作，可以滿足不停止作業(yè)即可修復(fù)的要求。在搬運中進(jìn)行了一次上下層罐面的分離，并模擬修補(bǔ)上層罐面支撐梁，所需工時遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于正常修補(bǔ)罐面。陰極保護(hù)裝置中的消耗材料鋅板，滿足預(yù)期的試驗壽命。總體來說，該設(shè)計可以基本滿足延緩腐蝕的需求，實現(xiàn)固控循環(huán)系統(tǒng)防腐易修結(jié)構(gòu)，延長固控循環(huán)系統(tǒng)1 倍的使用壽命。

4 結(jié)語

通過對固控系統(tǒng)抗腐蝕的研制，使用上下雙層罐面設(shè)計，清掏窩及外排清砂提閥設(shè)計以及陰極保護(hù)裝置，大大延緩了氯化鉀體系鉆井液對固控系統(tǒng)的腐蝕速度，室內(nèi)試驗腐蝕速度指標(biāo)降低40%，維護(hù)修理安全方便，使用壽命延長1 倍以上。而且清掏鉆井液及沉砂更加方便快捷，省時省力，可以降低鉆井作業(yè)成本，提高鉆機(jī)日費收入。