Giải pháp gia cố và phủ bên trong cho ống khoan

Ống khoan là một trong những thành phần khoan trên bờ và ngoài khơi được sử dụng nhiều nhất và đắt tiền nhất của chuỗi khoan. Mỗi giếng đều phải chịu ứng suất cơ học cực độ, mài mòn, chất lỏng ăn mòn và mô-men xoắn cao. Theo thời gian, điều này dẫn đến xói mòn mối nối dụng cụ, mài mòn vỏ, rỗ bên trong và hỏng ống sớm. Hai giải pháp đã được chứng minh được áp dụng rộng rãi trong ngành dầu khí để chống lại những thách thức này: Làm cứng Và Lớp phủ bên trong. Chúng có thể kéo dài tuổi thọ của dây khoan và nâng cao hiệu suất trong môi trường khai thác dầu khí khắc nghiệt.

Đai cứng trên mối nối dụng cụ

Hardbanding là lớp hàn chống mài mòn được áp dụng cho các kết nối ống khoan và vòng đệm để bảo vệ mối nối và vỏ dụng cụ. Nó thường được đặt dưới dạng nhiều dải hàn rộng 1″ trên các đầu hộp (và đôi khi là chốt) của mối nối khoan—lớp phủ cứng “hy sinh” bản thân để chống mài mòn, kéo dài tuổi thọ của ống. Một mục tiêu chính là sự thân thiện với vỏ bọc – nhiều loại đai cứng hiện đại (ví dụ như hợp kim của Arnco) được thiết kế để đủ mịn và mềm để giảm thiểu sự mài mòn trên vỏ. Việc áp dụng lại cũng rất cần thiết: các sản phẩm hàng đầu được thiết kế để có thể hàn các đai bị mòn mà không cần tháo ra. Ảnh bên dưới cho thấy đai cứng điển hình trên các mối nối dụng cụ ống khoan.

Hình: Mối nối dụng cụ ống khoan được hàn cứng (các dải hàn xung quanh kết nối). Hàn cứng hiện đại tạo thành một lớp cứng, có độ cứng cao (thường >60 HRC) bảo vệ cả mối nối dụng cụ và vỏ.

Vật liệu làm cứng

Hợp kim hardbanding có thành phần khác nhau. Hỗn hợp cổ điển (ma trận thép mềm + cacbua vonfram) cho khả năng chống mài mòn dụng cụ tuyệt vời nhưng độ mài mòn vỏ cao. Hợp kim "thân thiện với vỏ" mới hơn sử dụng niken, crom, titan, niobi, v.v., để đạt được ~50–60 HRC với ít bong tróc và không có vết nứt. Ví dụ, Arnco 350XT là hợp kim lõi kim loại có độ cứng >60 HRC, rất thân thiện với vỏ và không bị nứt. Arnco ban đầu 100XT (và 150XT mới hơn) là loại dây rất thân thiện với vỏ, không bị nứt được thiết kế để giảm thiểu tối đa sự hao mòn vỏ. Dynalloy Siêu băng tần (không hiển thị) và Castolin OTW-12Ti (61,5 HRC) có độ bền cực cao và khả năng tái sử dụng.

Thương hiệu Hardbanding

Thương hiệu quốc tế

Các thương hiệu quốc tế như NOV (Ống soi) cũng cung cấp dây lõi cứng có thuốc thông lượng. Ví dụ, TCS-Titan là hợp kim cacbua crom-titan có độ cứng ≥56 Rc, hoàn toàn không nứt và thân thiện với vỏ máy. TCS‑8000 là hợp kim crom-niken-vanadi cao cấp (>56 Rc) cực kỳ thân thiện với vỏ và có thể phủ lại nhiều lần. TK-* của NOV. NOV và Arnco đều cung cấp dây không từ tính (ví dụ: Arnco NonMagXT đáp ứng API 7-1 và vẫn giữ được độ cứng cao) cho vòng đệm trên vòng đệm khoan không từ tính.

Thương hiệu địa phương

Ngoài ra còn có các nhà cung cấp nhỏ hơn hoặc mang tính khu vực. Giải pháp đóng đai cứng (Postle Industries) sản xuất Duraband NC, dây thép cứng gốc niken (57–60 Rc) không nứt 100%, đạt tiêu chuẩn NS-1 và có thể xây dựng lại. Tuffband NC hợp kim (~55 Rc) cũng không nứt và được NS-1 chấp thuận. Chúng phổ biến trên toàn thế giới vì dễ tái sử dụng. (Ngược lại, ma trận cacbua vonfram thông thường hiện rất hiếm đối với đường ống do hư hỏng vỏ.) Các nhà sản xuất Trung Quốc cũng đã tham gia thị trường; ví dụ, Hilong (Trung Quốc) cung cấp BoTn thương hiệu dây đeo cứng, mặc dù thông số kỹ thuật chi tiết hiếm khi được công bố.

Bảng dưới đây so sánh các vật liệu làm cứng chính cho mối nối ống khoan/cổ khoan. Bảng này bao gồm độ cứng, khả năng chống mài mòn vỏ, khả năng tái sử dụng, xếp hạng dịch vụ kém, thông số kỹ thuật có liên quan và các trường hợp sử dụng thông thường:

Sản phẩm (Thương hiệu)	Độ cứng (HRC)	Vỏ bọc bị mòn	Nộp lại	Dịch vụ chua	Tiêu chuẩn/Chứng chỉ	Sử dụng điển hình
Arnco 350XT	>60HRC	Thấp (dựa trên Ni)	Đúng	Tốt (chống H₂S)	–	Mối nối dụng cụ chịu mài mòn cao; trên bờ/ngoài khơi
Arnco 300XT	~60 HRC (ước tính)	Thấp (tốt)	Đúng	Hội chợ	–	Siêu bền (tuổi thọ tốt nhất)
Arnco 150XT	~55–58 HRC (ước tính)	Rất thấp	Đúng	Cao (H₂S)	–	Thân thiện với vỏ bọc; giếng có tải trọng bên cao
Arnco 100XT	~55–60 HRC (ước tính)	Rất thấp	Đúng	Hội chợ	–	Hợp kim thân thiện với vỏ cũ
Arnco Không MagXT	– (austenit)	Vừa phải	Đúng	–	API 7‑1 (không phải mag)	Các khớp nối dụng cụ bằng thép không gỉ (vòng khoan không từ tính)
NOV TCS-Titan	>56 Rc	Thấp	Đúng	Tốt	–	Các mối nối ống chịu ứng suất cao, thân thiện với vỏ bọc
TCS‑8000 THÁNG MƯỜI MỚI	>56 Rc	Thấp nhất	Đúng	Công bằng (dựa trên Ni)	–	Bảo vệ vỏ cực tốt (ống & vòng đệm)
TCS-XL THÁNG MƯỜI MỚI	– (Niobi)	Thấp	Đúng	Tốt	–	Độ mài mòn cao, thường được áp dụng trên TCS-Ti
Hardbanding Sol. Duraband NC	57–60 C	Thấp	Đúng	Tốt (H₂S)	Chứng nhận NS‑1	Mối nối ống (trên toàn thế giới)
Hardbanding Sol. Tuffband NC	~55 Rc	Thấp	Đúng	Tốt	Chứng nhận NS‑1	Các mối nối ống; cũng được sử dụng làm ma trận WC
Castolin OTW‑12Ti	~61,5 HRC	Thấp	Đúng	Tốt	–	Khả năng chống mài mòn cực cao, thân thiện với vỏ máy
Castolin OTW‑10SS	~55–60 HRC (ước tính)	Vừa phải	Đúng	Rất cao	–	Dịch vụ chua (hợp kim cứng không gỉ)
Hợp kim hàn (NL)	~~60 HRC (ước tính)	Vừa phải	Đúng	Hội chợ	–	Dây hàn lõi thuốc cơ bản
Hilong BoTn (Trung Quốc)	Không rõ	Không rõ	Đúng	?	–	Dây thép cứng Trung Quốc (loại vonfram/Fe)

 Bảng: Vật liệu gia cố cứng cho mối nối ống khoan/cổ dụng cụ. “Độ mòn vỏ” là định tính (càng thấp càng tốt). “Áp dụng lại” = khả năng hàn trên lớp cũ. “Độ chua” biểu thị sơ bộ khả năng chống H₂S. Chứng nhận NS‑1/7‑1 được hiển thị nếu có. Các ứng dụng giả định sử dụng chung trên bờ/ngoài khơi (HPHT hoặc độ chua cực độ thường yêu cầu các phiên bản hợp kim chuyên dụng).

Ống khoan trọng lượng nặng làm cứng trung tâm

Ống khoan trọng lượng nặng (HWDP) có sự đảo lộn trung tâm (miếng đệm chống mài mòn) bảo vệ dây khỏi lực uốn cong và lực dọc. Giống như vòng đệm, các ổ trục trung tâm này có thể được gia cố cứng để tăng tuổi thọ chống mài mòn. Nhiều HWDP được cung cấp cùng với hợp kim chống mài mòn đã được áp dụng cho ổ trục. Ví dụ, một nhà sản xuất lưu ý rằng “Lớp gia cố cứng chống mài mòn của HWDP là tiêu chuẩn trên các mối nối dụng cụ và ổ trục trung tâm… [với] Arnco 100XT” được áp dụng. Các hợp kim gia cố cứng thân thiện với vỏ tương tự được sử dụng trên vòng đệm (Arnco 100XT/150XT, Duraband NC, v.v.) thường được áp dụng cho ổ trục HWDP khi cần. Công nghệ gia cố xoắn ốc (gia cố cứng xoắn ốc liên tục) cũng khả dụng cho các thân ống khoan có phạm vi mở rộng, nhưng trên HWDP, phương pháp đa băng thông thường là phổ biến nhất.

Hình: Hardbanding trên sự đảo ngược trung tâm của ống khoan nặng

Lớp phủ bên trong

Ngoài lớp phủ cứng bên ngoài, nhiều chuỗi ống khoan được xử lý bằng lớp phủ bên trong để chống ăn mòn, đóng cặn và xói mòn từ chất lỏng khoan. Sau khi sản xuất ống, một lớp polyme rắn hoặc epoxy (thường là epoxy novolac, PTFE/fluoropolymer hoặc ceramic-polymer) được phun lên ID lỗ khoan. Lớp lót mỏng này ngăn ngừa rỉ sét và rỗ, giảm ma sát và cải thiện hiệu quả lưu lượng.

Lớp phủ đặc biệt phổ biến trong môi trường ăn mòn cao (H₂S/CO₂ hoặc bùn mặn) và dịch vụ phun/áp suất cao. Ví dụ, NOV Ống-Kote™ lớp phủ nhựa bên trong (ví dụ, TK-34XT, TK-15XT) được sử dụng rộng rãi; THÁNG 11 lưu ý rằng lớp phủ TK bên trong của chúng “ngăn ngừa ăn mòn, rỗ và mỏi liên quan… (có thể) dẫn đến rửa trôi và xoắn”. Drill Pipe International cung cấp hệ thống epoxy có tên là JSU-3 (epoxy Novolac màu xanh lá cây) có thể chịu được nhiệt độ lên tới ~350°F khi tuần hoàn và được thi công dày 8–20 mils (để chống ăn mòn, giảm cặn và cải thiện hệ thống thủy lực).

Hình: Các ống khoan xếp chồng với lớp phủ bảo vệ bên trong màu vàng (sơn epoxy Tube‑Kote) trên ID. Lớp lót bên trong ngăn ngừa sự ăn mòn và tích tụ cặn bên trong ống.

Các ví dụ khác về lớp phủ bên trong bao gồm CeRam-Kote PCF, lớp lót gốm-polymer được đánh giá ở nhiệt độ ~200°F (phù hợp với dịch vụ H₂S/CO₂) và lớp lót fluoropolymer (PFA/FEP) cho bề mặt trơn, không dính. Trong một số trường hợp, lớp phủ chống dính như PTFE hoặc mạ kẽm/niken được sử dụng để giảm độ bám dính của bùn. Bảng dưới đây tóm tắt các loại lớp phủ bên trong phổ biến:

Sản phẩm phủ	Kiểu	Các tính năng chính	Xếp hạng nhiệt độ	Sử dụng điển hình
Ống NOV-Kote TK	Epoxy/polyme	Chống ăn mòn và chống mài mòn tuyệt vời; cải thiện lưu lượng	đến ~350 °F (thay đổi)	Ống khoan mục đích chung; dây sản xuất/tiêm
JSU‑3 (DPI)	Epoxy Novolac (ID)	Epoxy chịu lực cao; lên đến ~350 °F với lưu lượng	≤350 °F (lưu thông)	Lớp lót ID ống khoan để giảm ăn mòn và cặn
CeRam-Kote PCF	Gốm-polymer	Epoxy gốm màng mỏng; có khả năng chống hóa chất cao	đến ~200 °F	Ống giếng chua hoặc mài mòn (bảo vệ H₂S/CO₂)
FBE (Epoxy liên kết nóng chảy)	Nhựa epoxy	Lớp phủ đường ống màng dày; rào cản CO₂/H₂S	đến ~350 °F	Đường ống, một số chuỗi hoàn thành
PTFE/PFA (fluoropolymer)	Fluoropolymer	Ma sát rất thấp và không dính; trơ về mặt hóa học	đến ~400 °F	Chất lỏng khoan HPHT cực mạnh, giếng dễ bị đóng cặn
Mạ niken/Ni-Al	Mạ kim loại	Bảo vệ chống ăn mòn, lỗ khoan nhẵn	~500 °F (Ni)	Bùn HDD, môi trường có chất lỏng ăn mòn
Phim khô (Gốm)	Lớp phủ gốm siêu nhỏ	Bề mặt siêu cứng (ví dụ, gốm CeRam-Kote)	Lên đến giới hạn dịch vụ	Mở rộng phạm vi, giếng ngang
Không có	–	Ống khoan không tráng phủ (thép tiêu chuẩn)	–	Dịch vụ ít ăn mòn (ví dụ, nước ngọt)

 Bàn: Ống khoan Lớp phủ bên trong. Lớp phủ polymer/epoxy (ví dụ: NOV Tube-Kote, JSU-3) thường được sử dụng để giảm thiểu ăn mòn/mài mòn nói chung. Lớp phủ fluoropolymer (PTFE/PFA) và lớp lót gốm được sử dụng để chống ăn mòn/mài mòn chuyên dụng. Lớp mạ gốc niken mang lại khả năng chống hóa chất bổ sung nhưng ít phổ biến hơn trên đường ống mới.

Hướng dẫn thực tế

Khi lựa chọn lớp phủ cứng hoặc lớp phủ bên trong, hãy cân nhắc đến điều kiện giếng và yêu cầu về đường ống của bạn. Đối với các giếng nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc giếng chua, hãy chọn hợp kim và lớp lót đạt chứng nhận NACE (ví dụ, lớp phủ cứng cấp ứng suất sunfua hoặc nhựa epoxy được NACE chấp thuận). Đối với các giếng lệch hoặc mài mòn, hãy ưu tiên các hợp kim chống mài mòn cứng nhất. Đảm bảo nhân viên thi công tuân thủ đúng quy trình vận hành (làm nóng trước, xen kẽ, làm nguội chậm) để tránh nứt.

Cuối cùng, hãy làm việc với các nhà cung cấp có uy tín—các thương hiệu hàng đầu thường cung cấp dữ liệu công khai (như kết quả thử độ cứng và độ mòn vỏ) và hỗ trợ kỹ thuật, có thể giúp đạt được kết cấu nhất quán và không có khuyết tật. Tuy nhiên, xét đến các yếu tố chi phí, một số thương hiệu được phát triển và chứng minh tại địa phương cũng là những lựa chọn tốt. Lớp phủ cứng và lớp phủ bên trong phù hợp có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của chuỗi khoan và giảm hư hỏng vỏ, do đó thu được lợi nhuận đầu tư rõ ràng vào các hoạt động khoan thực tế.