Дослідження корозійної стійкості труби для нафтової свердловини з титанового сплаву
Суть корозійної стійкості титанового сплаву полягає в тому, що титан є термодинамічно нестабільним елементом зі стандартним електродним потенціалом лише -1.63 В (стандартний водневий електрод HSE). Таким чином, титан і титанові сплави дуже легко утворюють безперервну, щільну і дуже тонку поверхневу оксидну плівку на повітрі або навіть у воді, яка складається з внутрішнього шару Ti2O3 і зовнішнього шару TiO2, і вона продовжує потовщуватися, коли протікає окисно-відновна реакція. Оксидна плівка, що покриває поверхню титанового сплаву, перешкоджає реакційному переносу заряду та зменшує або перешкоджає розчиненню титанового сплаву в корозійному середовищі, що призводить до пасивації.
Однак титановий сплав має більш високий позитивний потенціал, ніж інші сплави. При з’єднанні з різними сплавами титановий сплав захищений як катод, що прискорює корозію з’єднаного металу та може призвести до пошкодження конструкції. Тому вітчизняні та закордонні вчені також провели певні дослідження корозійної стійкості титанового сплаву в бурильних трубах і нафтових обсадних трубах.
1. Бурильна труба з титанового сплаву
Peng та ін. оцінив показники втоми бурильних труб із титанового сплаву. Результати показали, що на повітрі зі збільшенням марки сталі термін служби бурильної труби буде збільшений, тоді як у буровому розчині характеристики бурильної труби з титанового сплаву є найкращими. На рисунку 3а показані криві втоми різних зразків бурильних труб під розчином H2S кімнатної температури. Наявність H2S бурового розчину значно зменшить втомний ресурс кожного зразка бурильної труби, що вказує на те, що бурильна труба має високу чутливість до H2S бурового розчину. У середовищі бурового розчину H2S довговічність бурильної труби з титанового сплаву значно вища, ніж у сталевих бурильних труб, таких як G105, S135 і V150. На рисунку 3b зображено криві SN різних бурильних труб у H2S розчині при 100 градусах. Порівняно з повітрям кімнатної температури стійкість до втоми зразків G105, S135, V150 і Ti значно знижена. Коефіцієнт зв’язку розчину H2S і температури має більший вплив на довговічність бурильних труб від втоми, ніж один фактор. За цієї умови з’єднання довговічність титанової бурильної труби все ще має більшу перевагу, ніж інші бурильні труби.
Рис.3 Криві втоми зразків G105, S135, V150 і Ti бурильних труб за різних робочих умов
Чен та ін. використовували нову технологію мікродугового окислення поверхні для додавання різних концентрацій вольфрамату натрію до окислювального розчину для виконання мікродугового окислення на поверхні бурильної труби з титанового сплаву TC4. Дослідження показали, що легування вольфрамом може ефективно підвищити твердість і стійкість до корозії бурильної труби з титанового сплаву TC4. А коли концентрація вольфрамату натрію становить 3 г/л, повна продуктивність шару мікродугового окислення на бурильній трубі з титанового сплаву є найкращою.
Підсумовуючи, можна сказати, що довговічність бурильної труби з титанового сплаву від корозії в умовах високої температури та вмісту сірки краща, ніж у сталевих бурильних труб, а поверхнева обробка титанового сплаву TC4 може ефективно підвищити твердість і стійкість до корозії бурильної труби. Проте ще мало досліджень щодо покращення корозійної стійкості бурильних труб із титанового сплаву шляхом обробки поверхні, що також дає напрямок для майбутніх досліджень.
2. Масляний корпус із титанового сплаву
Wang та ін. вивчав матеріал титанового сплаву TC4, який можна використовувати як масляний корпус. Вони виявили, що в кислому корозійному середовищі на поверхні сплаву TC4 виникає локальна електрохімічна корозія, головним чином точкова корозія. У рідині для заканчування, що містить CO2, ступінь корозії сплаву TC4 більш серйозний, але стійкість до корозії краща у пластовій воді, що містить CO2. У двох зазначених вище корозійних середовищах, що містять CO2-, сплав TC4 має чудову стійкість до корозійного розтріскування під напругою. Порівняно з наземним середовищем, сплав TC4 більш чутливий до корозійного розтріскування під напругою в глибоководному середовищі.
У той же час Wang et al. також досліджував механізм корозійної стійкості титанового сплаву TC4 за різних умов навантаження напругою та виявив, що на поверхні зразка, навантаженого пружною напругою, з’явилися ямки, але ступінь питтингу був відносно легким, а поверхневий шар плівки демонстрував напівпровідник n-типу властивостями і мав катіонселективну проникність. Коли поверхневі ямки зразка, що піддавався пластичній напрузі, були глибшими та ширшими, а напівпровідниковий тип шару поверхневої плівки трансформувався в p-тип, аніони, такі як Cl- і CO 32-, легше адсорбувалися та руйнувалися захисну плівку та контактує з підкладкою через захисну плівку, що призводить до зниження корозійної стійкості титанового сплаву TC4.
В даний час умови роботи нетрадиційних родовищ нафти і газу є суворими. Висока температура зменшить межу текучості та модуль пружності труб та обсадних труб, а високий тиск збільшить тиск у трубах та обсадних трубах. Під дією H2S, CO2 і Cl- окремо або разом корозія труб і обсадних труб стає все більш серйозною. Труби та обсадні труби з титанового сплаву можуть ефективно вирішити проблему свердловинної корозії, але поточні дослідження корозійної стійкості труб та обсадних труб із титанового сплаву ще не завершені та потребують подальших досліджень.
3. Труби для нафтових свердловин із титанового сплаву
Шютц та ін. порівняли корозійну стійкість колон труб зі сплаву UNS R55400 з іншими колонами труб з нафтопромислового титанового сплаву. Дані лабораторних корозійних випробувань розробки трубопроводу UNS R55400 показали, що титановий сплав має покращену стійкість до SSC і місцевої точкової та щілинної корозії у висококислотних і некислотних водних середовищах, багатих хлоридами, пов’язаних з нафтопромисловою промисловістю.
Таблиця 2 показує приблизні межі екологічної експлуатації різних типів титанових сплавів у різних нафтопромислових середовищах. Можна побачити, що титанові сплави UNS R55400 і UNS R56404 мають найкращі характеристики в кислих і некислотних середовищах, багатих хлоридами, а найвищу міцність має бета-титановий сплав UNS R58640.
Вей та ін. досліджували вплив температури відпалу на еволюцію мікроструктури та корозійну поведінку титанового сплаву Ti-Mo у соляній кислоті. Вони виявили, що коли температура відпалу перевищує 850 градусів, пасиваційні плівки MoO3 і TiO2, утворені на поверхні титанового сплаву, прискорюють розчинення, швидкість корозії збільшується, і утворюються мікрогальванічні елементи з фазою та фазою. Крім того, пасиваційна плівка демонструє властивості напівпровідника n-типу, які не залежать від температури відпалу.
Завдяки наведеним вище результатам дослідження було виявлено, що температура відпалу, висока кислотність і водне середовище, багате некислотними хлоридами, впливатимуть на корозійну стійкість титанових сплавів. Цей висновок має керівне значення для оптимізації матеріалів із титанових сплавів у майбутньому.