火花电蚀油(油气开采领域中，镍基高温合金是怎样的？)

Posted 2023-06-01

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火花电蚀油(油气开采领域中，镍基高温合金是怎样的？)

随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源需求在不断增长，石油、天然气在能源消费构成中仍将占主导地位。钻采石油、天然气时，除需要钻探机械设备外，还需要专用管材，即钻杆、套管、油管等，统称为油井管。

油井管是石油、天然气勘探开采过程中的重要耗材，在石油工业中占有重要位置。镍基高温合金的使用具有很高的可靠性，对于高温、高压、高产的油气开采领域中的恶劣腐蚀环境，油井管应优先选用镍基高温合金。

油气田

油井管

一、油气开采领域的特点

1.概况

在石油工业用钢的总量中，油井管占40％以上，其中，一般腐蚀环境下主要用不锈钢，严重腐蚀环境下使用镍基高温合金。油井管包括油管、套管、钻杆、钻铤及其附件，油井管消耗量可按每年钻井进尺推算，根据我国具体情况，大体上每钻进1m需消耗油井管62kg，其中套管48kg、油管10kg、钻杆3kg、钻挺0.5kg。近年来，我国陆上石油每年钻井进尺1.5×107ｍ左右，需消耗大约85.7×104t油井管。这当中套管需求量最大，约占73%；油管次之，约占25%；钻杆占1.5%；钻挺占0.5%。

2.油井工作原理

套管在钻探开以后插入油井，与混凝土一起敷设以防止地层压力造成的挤毁。油管置于套管之中，用于采集油气，如图所示。由于油管内腐蚀性液体的流动，故须根据腐蚀情况选用各种抗腐蚀产品。

油气井工作原理图

3.油气开采用镍基合金的工作环境

开采石油和天然气，特别是深井开采，需要使用镍基高温合金，因为深井下的工作环境很恶劣，深井的工作环境主要为：

（1）腐蚀环境

井下处于低PH值的酸性环境，有水溶液腐蚀，还有泥沙的磨蚀；且氯化物浓度高，每升水溶液中最高可达300g，其中典型的氯化物为NaCl；

（2）高压环境

有H2S气体存在，最大气体分压可达到10.5MPa，同时也有S元素存在；有CO2存在，最大气体分压可达到14MPa；

（3）高温环境

井下温度的大范围为0-218℃之间，经常波动值为4-149℃范围内。

因此，井下工作环境属于腐蚀、高压和高温的环境，而且还有磨蚀发生，在温度高于室温时，腐蚀会更加严重。

二油气开采用镍基高温合金

1.钢种及成分

油气开采用镍基高温合金的化学成分如图所示。这些合金的特点是都含有40%以上的Ni元素，以保证合金具有良好的抵抗应力腐蚀裂纹的能力；同时含有20%以上的Cr元素，确保了合金具有良好的抗腐蚀性能；加入了不同含量的Cr、Mo和W元素，从而保证了良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。

油气开采用镍基高温合金的主要类型有Incoloy 718、Incoloy 945、Incoloy 028、Incoloy825、Incoloy925以及Inconel G3、InconelC050，在最苛刻的环境中，使用Inconel C276和Inconel725。另外，合金G3和028作为油井管材料在世界范围内得到了广泛应用。其中Incoloy 718 和Incoloy 945为沉淀强化高温合金。Incoloy 718为γ’和γ’’相沉淀强化高温合金，其数量约为16%，γ’’ /γ’约为2.5-4，γ’’是其重要的强化相。Incoloy 945高温合金综合了Incoloy 718和Incoloy 725合金成分而发展起来的一种新型合金，最低屈服强度达到875MPa，也是γ’和γ’’相镍基强化高温合金，无δ相，具有超过Incoloy 718的良好耐腐蚀性能和机械加工性能，而其成本低于Incoloy 718高温合金。

油气开采用镍基高温合金的牌号和成分

2.选用条件

Incoloy 825、Incoloy G3和Incoloy C-276属于冷变形强化镍基高温合金，而Incoloy718、Incoloy725和Incoloy925属于热处理强化高温合金，且两组高温合金的耐蚀性都逐渐增加。用于中等酸性环境下的合金有Incoloy 825、Incoloy925和Incoloy718，其耐蚀性依次减弱；用于强酸性环境下的合金有Incoloy C-276、Incoloy725和Incoloy G-3，其抗腐蚀性依次减弱。美国Special Metals公司给出了根据油气井的工作环境来选择镍基高温合金的参考图，如图所示。

根据油气井的工作环境来选择镍基高温合金的参考图

镍基高温合金主要用于油气开采领域中的油井管中。目前，由于含硫化氢、二氧化碳和氯离子、硫元素等强酸性腐蚀环境的油井开发增多，使得镍基高温合金的需求量逐年增多。目前世界上的油气田含有较多的H2S气体，在开采油气田时，油井管材料会在应力和H2S气体的作用下发生脆断，造成油套管或整口井的报废。为了保证材料在该环境中达到所设计的寿命。油井管镍基高温合金的选择如下：对于H2S和CO2共存且浓度都很高时，只有Cr、Ni含量较高镍基高温合金才能满足要求，这是因为镍基高温合金在酸性环境中表面容易形成致密的钝化膜，钝化膜主要是Cr元素形成的，具有更高的抗腐蚀性能。目前，在高的H2S和CO2共存的腐蚀环境中选用的材质基本上都是镍基高温合金。

油气开采用镍基高温合金的使用环境

3.钢种介绍

目前，油气开采用镍基高温合金主要有Incoloy 825合金、Incoloy 028合金、Incoloy G3和Incoloy C-276合金。

（1）Incoloy 825

Incoloy825是1952年Inconel公司开发的钛稳定化处理的全奥氏体Ni-Fe-Cr基高温合金，并添加了铜和钼，提高了合金的耐腐蚀性能。Incoloy825是一种通用的工程合金，具有抗氯离子应力腐蚀开裂的能力，抗点蚀、缝隙腐蚀和许多腐蚀性溶液的能力。高的铬含量保证合金对各种氧化性介质，如硝酸和硝酸盐以及氧化性盐的抗腐蚀性。钦的添加，并通过适当的热处理，可以稳定合金防止晶间腐蚀的的敏感性。

825合金的显微组织

（2）Incoloy 028

028合金是上世纪60年代瑞典山特维克公司研制生产的耐蚀合金，主要应用在酸性油气田的开采和开发中。其成分特点是超低碳、高铬含量以及适量的铜和钼。合金在多种强腐蚀性环境中耐蚀性非常好。比如湿法磷酸中，在海水以及近海油气生产环境中等都具有优良的耐一般腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀的性能。近年来，国内外将028合金在油气井环境中作为油井管材料使用。028的显微组织如图所示，由于其晶粒度均匀，使用其使用效果良好。

（3）Incoloy G3

上世纪70年代Haynes公司利用氨氧脱碳冶炼技术，发明了G3合金，不需要加入Nb和Ta就可以将碳含量控制在非常低的水平。G3合金的碳含量相对最少，可以有效减弱碳化物的析出，同时较高的Mo含量显著提高了局部腐蚀抗力，在许多需要强抗局部腐蚀合金的应用中已经取代了825合金。G3合金主要应用于酸性油气开采和磷酸生产蒸汽发生器中。目前国外除了Haynes公司，主要有美国特殊钢公司、日本住友金属公司、和德国Ｖ＆Ｍ公司研制和生产G3合金。国内由于高酸性油气田的开采，对G3耐蚀合金的需求量很大。

高温合金的显微组织

（4）Inconel C276

Inconel C276合金是性能比较优异的Ni-Cr-Mo型镍基高温合金，产生于上世纪60年代，美国Haynes公司在镍基高温合金Hastelloy C的基础上，通过严格控制碳、硅等有害杂质元素的含量成功研制出耐腐蚀性能和焊接性能等综合性能更加优异的Inconel C276合金。由于Inconel C276合金含有较高的合金含量，因此该合金的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力很强，在中低温盐酸、硫酸与氧化性盐、各种氧化性氯化物及氯化盐溶液中均其有很好的耐蚀性能，是仅有的几种耐次氯酸盐、湿氯及二氧化氯溶液腐蚀的材料之一。

另外，Inconel C276合金在不同浓度的硫酸溶液中具有较高的耐腐蚀性，而且还是耐热浓硫酸溶液腐蚀的少数几种合金之一。因此，Inconel C276合金被称为是万能型的镍基高温耐蚀合金。

三、其他应用

上述高温合金如Incoloy 028、Incoloy825、Inconel G3和Inconel725等主要应用于油井管。同时，油气开采用高温合金的其他钢种还在油气井其他部件中有着一定的应用：

Incoloy718镍基高温合金在油气开采钻具上可用作注射阀、传统运转阀、气体举升阀、双制化学注射阀、安全阀等多种阀门，流体分流器采用Incoloy718C铸造高温合金制成。

Incoloy925高温合金可用于制作XLD阀、XLI气体举升阀、XL0-B阻尼阀、水压设备螺母等。Incoloy 825高温合金可用作永久打眼绳索、绳索管道、水压控制管线、水压设备套圈等。Incoloy 625可用作水压设备管线等。Incoloy600可用来制作安全隔板。

钻具注射阀

安全阀