水下釋放膠塞易鉆金屬材料優選及性能評價

梁曉陽，于明武，王信鵬，王亞民，郭連超，張振峰

1.中石化石油工程技術研究院有限公司（北京 100101）

2.德州大陸架石油工程技術有限公司（山東德州 253034）

3.中海油田服務股份有限公司油田化學研究院（河北 三河 065200）

目前，“一帶一路”地區的油氣勘探開發正在向深水、深層和非常規等領域發展，其中海洋油氣年產量已超過5 000×104t[1-2]。隨著我國經濟的迅猛發展，對能源的需求不斷攀升，從而形成了巨大的能源壓力，使得深海油氣資源的開采受到越來越多的重視[3-4]。在國內常規油氣資源區塊的儲量不斷減少的情況下，原來難以開采的深海油氣資源正逐步成為中國油氣田開發增儲上產的主戰場，成為緩解油氣產量不足的重要途徑[5-6]。我國深水固井使用水下釋放膠塞完全依賴進口[7]，國內學者尚未展開相關研究工作，故開發一種適用于我國深海半潛式或浮式鉆井平臺的固井膠塞迫在眉睫。由于海洋鉆井平臺濕度大、高氯性的特殊環境及高昂的日費情況[8-9]，易鉆性和耐腐蝕性對海上鉆完井工具影響舉足輕重[[10]。本文主要研究了金屬材料的耐腐蝕性、可鉆性，優選出適用于水下釋放膠塞的易鉆金屬材料，為廣大學者在該技術領域深入研究、繼續突破提供借鑒。

1 研究背景

水下釋放膠塞頂塞、底塞及上、下鉆桿膠塞在固井作業完成后，需要將其鉆除以繼續鉆進，因此要求頂塞、底塞及上、下鉆桿膠塞留在井底的零部件需要具有良好的可鉆性，這樣可以提高海上作業效率，大大節約鉆井成本。此外，由于水下釋放膠塞的存放環境是海邊庫房或鉆井平臺，海洋大氣環境中的硫化物對鋁合金的腐蝕影響顯著，不僅對試樣表面的點蝕產生很大影響，而且硫酸根離子會隨著腐蝕介質深入晶界，加速沿晶腐蝕[11]。因此還需要求水下釋放膠塞的金屬零部件在海水及海洋環境中具備良好的耐腐蝕性能。

國外威德福等公司通過多年研究[12]，優選6026鋁合金為水下釋放膠塞金屬材料，該材料兼具較好可鉆性和耐腐蝕性能，滿足水下釋放膠塞系統工況使用要求，但該標準為歐洲標準，國內生產廠商較少，且成本較高。為獲得適用于國產水下釋放膠塞系統的易鉆金屬材料，特進行相關研究。

2 材料初選

基于國內常用鋁合金體系，筆者初選了井下石油工具常用的2A12鋁合金及與6026屬于同一系列的X鋁合金作為研究對象，同時購買進口的6026鋁合金作為參照對象。經過調研，X 鋁合金是一種廣泛運用于船舶等方面的金屬，不但具有很高的強度和韌性，有很好的耐大氣腐蝕性能和不錯的耐海水腐蝕性能。其熱處理狀態及力學性能見表1[13]。

表1 X鋁合金熱處理狀態及力學性能

為對鋁合金的可鉆性和耐腐蝕性能進一步研究，筆者調研了6026 鋁合金、X 鋁合金及國內常用的2A12鋁合金性能，并對三者進行了大量的實驗研究，以優選滿足水下釋放膠塞系統實際使用需求的金屬材料[14]，相關數據見表2。

表2 水下釋放膠塞常用鋁合金化學成分

3 可鉆性室內評價

為了對X 鋁合金的可鉆性有更直觀的了解，為水下釋放膠塞鉆除提供依據，同時與常規鋁材的可鉆性進行比較，采用微鉆法[15]對X鋁合金、6026鋁合金及2A12 鋁合金進行了可鉆性能實驗，鉆頭參數：直徑32 mmPDC鉆頭，如圖1所示。

圖1 PDC鉆頭

裝好試樣，測深和測時儀表調零，啟動實驗裝置，如圖2 所示。當鉆深1 mm 的時候開始計時，再鉆深3 mm，記錄鉆進時間，并停鉆，每個實驗重復進行3次，測試試樣如圖3所示。根據實驗結果，通過公式（1）計算可鉆等級。

圖2 PDC鉆頭鉆除

圖3 PDC鉆頭鉆除效果對比

式中：Kd為可鉆性級值；t為鉆進時間平均值，s。

X、6026 和2A12 鋁合金的鉆除結果對比如圖3所示，實驗數據見表3。

表3 X、6026和2A12鋁合金可鉆性實驗數據

通過表3 的PDC 鉆頭鉆除數據可以看出，選用的X 鋁合金的可鉆性能為五級，高于2A12 和6026鋁合金，具有較好的可鉆性。

4 耐腐蝕性能評價

1）鹽霧腐蝕測試。為充分模擬水下釋放膠塞系統在海洋存儲環境中的耐腐蝕性能，依據GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》要求，對X、6026和2A12鋁合金進行了腐蝕檢測。

鹽霧試驗箱濕化器溫度：（46±1）℃；

濕度：＞95%；

鹽霧試驗箱試驗槽溫度：（35±1）℃；

80 cm2鹽霧沉降率：（1～2）mL/h；

噴嘴壓強：（70～100）kPa；

噴霧方式：連續氣流式。

實驗前測量各試樣的質量，然后進行鹽霧腐蝕測試，如圖4所示，腐蝕48 h后，2A12鋁合金腐蝕明顯，X、6026 鋁合金變化較小。為更加準確地測試3種材料耐腐蝕性能，將X、6026鋁合金繼續進行鹽霧腐蝕，腐蝕96 h后，測量所有試樣的質量，實驗結果見表4。

圖4 鹽霧腐蝕后的3種鋁合金狀態

表4 鹽霧實驗結果

結合鋁合金腐蝕狀態和表4 結果分析，常規用的2A12 鋁的腐蝕速率介于0.075～0.089 g/（m2·h）之間，腐蝕比較嚴重；而X 和6026 鋁合金均為增重腐蝕，腐蝕速率＜0.01 g/（m2·h），具備優良的耐腐蝕性能，同時X 鋁合金鹽霧腐蝕后狀態優于6026鋁合金。

2）均勻腐蝕全浸測試。為了驗證金屬的耐腐蝕性能，根據行業標準JB/T 7901—1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，對X、6026和2A12鋁合金進行了均勻腐蝕全浸實驗，如圖5所示，測量其在海水環境中的耐腐蝕能力[16]。

圖5 X、6026與2A12鋁試樣

實驗溶液：質量分數為3.5%的NaCl溶液；試驗總時間：288 h；清洗液：試樣表面腐蝕產物采用50 mL磷酸和20 g三氧化鉻加蒸餾水配制成1 000 mL溶液加熱至80 ℃浸泡5 min，然后在密度為1.42 g/mL的濃硝酸中放置1 min 后去除[17]。實驗前測量各試樣的重量，然后浸泡在NaCl溶液中，如圖6所示。浸泡288 h后觀察，用清洗液將試樣表面擦洗干凈，再次測量所有試樣的重量，結果見表5，然后根據公式（2）計算各試樣的腐蝕速率。

圖6 試樣浸泡在3.5%NaCl溶液中的結果

表5 X金屬和2A12鋁合金試樣試驗前后質量

式中：R為腐蝕速率，mm/a；M為實驗前的試樣質量，g；M1為實驗后的試樣質量，g；S為試樣的總面積，cm2；T為實驗時間，h；D為材料的密度，kg/m3。

按照公式（2）計算X金屬的腐蝕速率：

2A12鋁的腐蝕速率：

6026金屬的腐蝕速率：

參考《腐蝕數據與選材手冊》[18]，金屬材料的腐蝕速率與耐腐蝕情況見表6。

表6 金屬材料的腐蝕速率與耐腐蝕情況對照表

由表6可看出，常規用的2A12鋁的腐蝕速率介于0.05～0.5 mm/a，雖然也可用，但是相對腐蝕比較嚴重；而X 和6026 鋁合金的腐蝕速率＜0.05 mm/a，具備優良的耐腐蝕性能，滿足設計要求。

3）剝落腐蝕測試。根據均勻腐蝕全浸實驗結果，2A12耐蝕性差。為進一步驗證X和6026鋁合金的耐強酸腐蝕性能，根據相關的國家標準，X金屬的生產廠家（西南鋁業有限責任公司中心實驗室）對兩種金屬進行了剝落腐蝕實驗，并提供了實驗報告（圖7），測量其在強酸環境中的耐腐蝕能力[19]。實驗溶液：234 g NaCl+50 g KNO3+6.3 mL HNO3，pH 值為0.4；施實驗總時間：48 h。

圖7 X和6026金屬剝落腐蝕實驗報告單

實驗結果表明，X為EA級，即表面明顯的起層，并穿入金屬；6026 為EB 級，即表面嚴重分層，穿入到金屬深處。X的耐腐蝕性能優于6026鋁合金，同時按照GB/T 22639—2022 規定的合格判定，以不出現EB—ED 級為合格，因此X 金屬耐強酸腐蝕的檢驗結果符合水下釋放膠塞的設計要求。

通過本文研究，獲得了井下石油工具常用的2A12 鋁合金、國外油服公司常用的6026 鋁合金、和6026 屬于同一系列的X 鋁合金耐腐蝕性能，見表7。

表7 金屬材料耐腐蝕性能匯總表

5 結論

水下釋放膠塞技術在國外已經成熟，但在國內該項技術尚屬空白，筆者從材料優選方面對水下釋放膠塞系統應用耐腐蝕、易鉆金屬材料進行了研究，得出如下結論:

1）海上鉆井平臺日費昂貴，基體材料可鉆性要求極高，研究發現X鋁合金的可鉆性能為五級，高于2A12和6026鋁合金，具有較好的可鉆性。

2）海洋環境對金屬腐蝕嚴重，通過鹽霧腐蝕測試，得出X和6026鋁合金腐蝕速率＜0.01 g/（m2·h），具備優良的耐腐蝕性能，同時X 鋁合金鹽霧腐蝕后狀態優于6026鋁合金；通過均勻腐蝕全浸測試，得出X和6026鋁合金的腐蝕速率＜0.05 mm/a，具備優良的耐腐蝕性能；通過剝落腐蝕測試，得出X為EA級，6026為EB級，X的耐腐蝕性能優于6026鋁合金。

通過易鉆性測試與腐蝕性測試，優選X金屬為水下釋放膠塞基體材料，可滿足水下釋放膠塞耐腐蝕、易鉆等性能要求，同時，該金屬可用在海洋鉆完井相關工具上，為海洋油氣勘探開發提供基礎支撐。