По данным ряда полевых исследований, в том числе на промыслах в Эквадоре и Калифорнии, 20–40 % отказов ЭЦН ежегодно связаны с коррозией, вызванной CO₂, H₂S, хлорид-ионной средой и микробиологическими процессами[1, 2]. Химическая агрессия среды усиливается при наличии сульфатвосстанавливающих бактерий и высоких температур, что приводит к ускоренной деградации металла в зоне корпуса кабельной муфты. Типовые материалы, такие как углеродистая сталь, демонстрируют недостаточную стойкость при эксплуатации в подобных условиях[3,4], а применение дорогостоящих никелевых сплавов не всегда экономически оправдано[5].
В связи с этим возрастающий интерес представляют технологии защитных покрытий, способных обеспечить комплексную защиту от коррозионного и эрозионного воздействия. Среди них особое внимание уделяется цинковым покрытиям, реализующим одновременно барьерный и катодный (жертвенный) механизмы защиты. Метод дугового газотермического напыления цинка зарекомендовал себя в ряде отраслей благодаря высокой производительности, технологичности и приемлемой стоимости.
Цель настоящей работы — исследовать применимость дугового цинкового напыления для антикоррозионной защиты корпуса кабельной муфты ЭЦН при эксплуатации в условиях нефтяных скважин. В рамках статьи рассматриваются:

• факторы, определяющие интенсивность коррозии в зоне установки корпуса кабельной муфты;
• механизмы и кинетика разрушения металла под действием CO₂, H₂S и хлоридов;
• структура, свойства и защитное поведение цинковых покрытий, полученных методом дугового напыления;
• технические требования к подготовке поверхности и нанесению покрытия в соответствии с международными стандартами.

Дуговое цинковое напыление

как метод антикоррозионной защиты

корпуса кабельной муфты ЭЦН

в условиях нефтяных скважин

В условиях эксплуатации в нефтяных скважинах корпус кабельной муфты электроцентробежного насоса (ЭЦН) подвергается воздействию агрессивных сред, включающих углекислый газ (CO₂), сероводород (H₂S), высокоминерализованные растворы и повышенные температуры. Одним из эффективных и экономически оправданных способов защиты таких компонентов от коррозии является нанесение цинковых покрытий методом дугового газотермического напыления. В результате образуется покрытие, характеризующееся пористостью порядка 3–10 %, содержанием оксидов до 10 % и типичной ламеллярной структурой с межслойными оксидными прослойками[10].
Поведение покрытий, полученных методом дугового напыления, исследовалось как в лабораторных условиях, так и в полевых испытаниях. В рамках автоклавных тестов имитировались условия эксплуатации в скважинах: температуры 80–150 °C, давления CO₂/H₂S до 10 бар и концентрация хлоридов до 200 г/л. Дуговое покрытие демонстрировало стабильную защиту стали при средней скорости коррозии ~0.8 мг/см²·сут в растворах с 100 г/л Cl⁻ при 120 °C. Электрохимические исследования, включая поляризационные кривые, указывали на наличие пассивного поведения вплоть до потенциала -0.7 В (SCE), что свидетельствует о формировании защитной пленки на поверхности. Импедансная спектроскопия показала сопротивление переносу заряда выше 1 кОм·см², что подтверждает эффективность барьерной функции покрытия, несмотря на наличие микропор.
Механизмы защиты дугового цинкового покрытия сочетают в себе катодную (жертвенную) и барьерную функции. Благодаря более отрицательному потенциалу, цинк корродирует предпочтительно, защищая тем самым стальную подложку. Ламеллярная структура покрытия ограничивает диффузию агрессивных ионов, а продукты коррозии цинка (гидроксиды, карбонаты, сульфиды) способны заполнять поры и трещины, реализуя эффект самозалечивания[11].
Для обеспечения надёжной защиты особое внимание уделяется качеству нанесения покрытия и подготовке поверхности. Согласно требованиям стандартов ISO 2063-2, минимальная толщина покрытия должна составлять не менее 150 мкм, адгезия — превышать 5 МПа, а пористость — не превышать 10 %[12]. Подготовка поверхности осуществляется дробеструйной очисткой до степени Sa 2½ с формированием шероховатого профиля глубиной 50–75 мкм. После напыления может быть применён герметизирующий состав, особенно в условиях температур до 150 °C.
Практика показывает, что для условий, включающих CO₂, H₂S и высокие концентрации хлоридов, цинковые покрытия, нанесённые методом дугового напыления, способны обеспечить устойчивую защиту металлических элементов ЭЦН на срок не менее 2–3 лет. Квалификация системы должна включать автоклавные испытания в модельных средах с регистрацией массы потерь, сцепления и визуального состояния покрытия. Таким образом, дуговое напыление цинка представляет собой доступную и эффективную технологию продления срока службы корпусов кабельной муфты ЭЦН в агрессивных пластовых условиях.

Коррозия корпуса кабельной муфты ЭЦН

в нефтяных скважинах:

факторы, механизмы и методы противодействия

Корпус кабельной муфты ЭЦН представляет собой один из наиболее уязвимых компонентов насосно-компрессорной системы, поскольку располагается в непосредственной близости от моторно-насосного интерфейса и подвергается воздействию наиболее агрессивной части пластовой и закачиваемой среды. Условия эксплуатации включают температуры в диапазоне от 100 до 200 °C, давления до 300 бар, высокие концентрации растворённых газов — до 20 mol% CO₂ и до 20 mol% H₂S, а также экстремальные уровни минерализации пластовых вод (до 200 g/L хлоридов)[6,7]. При этом pH среды может опускаться до значений порядка 2,7–5,5 в условиях смешанных кислотных газов, что резко увеличивает агрессивность водной фазы.
Основными механизмами коррозии корпуса кабельной муфты являются равномерная (общая) CO₂-коррозия, локализованная (питтинговая и щелевая) коррозия под действием хлорид-ионов, а также сульфидно-стрессовая коррозия (SSC) и водородное охрупчивание, обусловленные присутствием H₂S. Карбонатная коррозия происходит по механизму анодного растворения железа и катодного восстановления протонов. В лабораторных условиях при температуре 90 °C, давлении CO₂ 3 МПа и содержании хлоридов 100 g/L, скорость общей коррозии углеродистой стали может достигать 1–5 мм/год[6, 8]. При нарушении или отсутствия защитной плёнки FeCO₃ (например, из-за высокой скорости потока, наличия песка или снижения pH), поверхность металла остаётся незащищённой и подвергается интенсивному разрушению.
Локализованные формы коррозии, включая питтинг и щелевую коррозию, активизируются при температурах свыше 80 °C и содержании Cl⁻ более 20 g/L. Геометрия корпуса кабельной муфты, как правило, способствует образованию микрополостей и застойных зон, в которых нарушается кислородное равновесие, происходит локальное подкисление, что ускоряет разрушение.
Особую опасность представляют процессы водородного охрупчивания и SSC, возникающие при адсорбции атомарного водорода, выделяемого в присутствии H₂S. Наибольшую склонность к SSC проявляют высокопрочные мартенситные и упрочнённые стали (17-4PH, 13Cr). Согласно требованиям стандарта NACE MR0175/ISO 15156, для эксплуатации в кислых средах требуется как ограничение по твёрдости, так и контроль за содержанием никеля в сплаве[6,9].
Отдельный вклад вносит микробиологически индуцированная коррозия (MIC), обусловленная жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий (SRB). Деятельность SRB приводит к образованию слоёв FeS и снижению локального pH, что разрушает пассивные плёнки и способствует развитию подналивной кислотной коррозии. В рециркуляционных петлях, содержащих SRB, скорость коррозии углеродистой стали достигала 0,4 мм/год даже при температуре всего 65 °C, в то время как CO₂-коррозия в аналогичных условиях не превышала 0,05 мм/год.
Анализ экспериментальных и полевых данных показывает, что потери металла на корпуса кабельной муфты ЭЦН в кислых скважинах могут составлять до 2,3 мм за 90 суток, что при типичной толщине стенки 6–8 мм делает возможным сквозное разрушение за менее чем 1 год. Помимо химического воздействия, дополнительным фактором ускоренного разрушения является эрозионная составляющая — наличие песка и твердых частиц нарушает пассивирующие плёнки и способствует синергетическому износу.
Для мониторинга коррозии в скважинах применяются разнообразные методы: весовые купоны, электрические зонды (ER/LPR), а также новые технологии — оптоволоконные сенсоры DCS и датчики распределённой температуры (DTS), позволяющие оперативно обнаруживать очаги локального разрушения. Несмотря на ограниченность в разрешении по времени или пространству, комбинация этих методов обеспечивает надёжную оценку условий агрессии среды.
Среди эффективных способов защиты корпуса кабельной муфты ЭЦН выделяются применение коррозионностойких сталей (13Cr, Super Duplex), никелевых сплавов (Inconel 625, 718), а также нанесение покрытий. Так, напылённые Inconel-покрытия на углеродистой стали показали потери менее 5 мкм после 1000 часов автоклавных испытаний в 15 % HCl и 150 g/L Cl⁻ при 90 °C [3]. Инновационные эпоксидно-графеновые композитные покрытия снижали плотность коррозионного тока на два порядка и сохраняли целостность при 30-дневном воздействии CO₂–Cl⁻ раствора при 80 °C.
Таким образом, защита корпуса кабельной муфты ЭЦН от коррозии требует комплексного подхода, сочетающего выбор устойчивого материала, применение плёнообразующих ингибиторов (20–50 ppm), периодическую биоцидную обработку (например, глутаральдегид или THPS), а также внедрение систем мониторинга. При грамотном подборе мер срок службы корпуса кабельной муфты может быть увеличен с менее чем одного года до 5–7 лет, что соответствует типичному межремонтному циклу насосного оборудования.