樊莊區(qū)塊15號煤層硫化氫腐蝕機理及防腐措施研究

蔡 華 蘇 雷 楊 陽 覃蒙扶 崔建斌 杜慧讓

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

樊莊區(qū)塊15號煤層硫化氫腐蝕機理及防腐措施研究

蔡 華 蘇 雷 楊 陽 覃蒙扶 崔建斌 杜慧讓

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

硫化氫腐蝕已嚴(yán)重影響樊莊區(qū)塊15號煤層生產(chǎn)井的正常排采，本文對硫化氫的腐蝕機理及影響因素進(jìn)行分析研究，通過對比國內(nèi)、外氣田常見的防腐蝕方式的優(yōu)缺點，創(chuàng)新性的按照各種影響因素的重要度進(jìn)行標(biāo)度值的標(biāo)定，最終優(yōu)選出最適宜的防腐蝕方式，并完善了煤層氣井防腐蝕井筒工藝?，F(xiàn)場實施后，有效的緩解了煤層氣井腐蝕問題，延長檢泵周期。

煤層氣井 硫化氫腐蝕 防腐措施

在華北油田煤層氣公司樊莊區(qū)塊開采15號煤層的生產(chǎn)井中，由于硫化氫存在，導(dǎo)致抽油桿和油管被嚴(yán)重腐蝕，統(tǒng)計此類生產(chǎn)井42口，因腐蝕導(dǎo)致年檢泵作業(yè)高達(dá)48井次。腐蝕的問題嚴(yán)重影響了煤層氣井的穩(wěn)定排采，大大增加作業(yè)成本，同時也報廢了大量的管材，違背了煤層氣“平穩(wěn)，連續(xù)，低成本”的排采理念。

1 煤層氣井硫化氫腐蝕機理及影響因素淺析

1.1 腐蝕機理闡述

干燥的硫化氫對油管和抽油桿等鋼材無任何腐蝕，一旦溶于水后，就會使溶液呈酸性，與鋼材發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。腐蝕機理的電化學(xué)反應(yīng)如下：

H2S=H++HS-

HS-=H++S2-

Fe-2e-=Fe2+

Fe2++S2-=FeS↓

2H++2e-=H2

電離出的硫離子，會優(yōu)于其他離子被鋼材吸附，而且在原電池產(chǎn)生的電場作用下，硫離子會不斷的向陽極區(qū)遷移。造成鐵離子和硫離子生成黑色FeS，這種物質(zhì)與鋼鐵表面的粘結(jié)性差，具有易脫落、易氧化的特性，且電位較正，會作為陰極與鋼鐵基體構(gòu)成活性較強的微電池；同時，鐵原子的金屬鍵強度被大大削弱，從而攜帶出更多的鐵離子，加快電化學(xué)腐蝕，加速金屬的腐蝕。

1.2 影響因素

1.2.1 硫化氫含量影響

圖1為生產(chǎn)井產(chǎn)出水中硫化氫含量與平均腐蝕率的實測值對比圖，從圖中可明顯看出：硫化氫含量的增加，平均腐蝕率明顯增大，隨著硫化氫含量與平均腐蝕率呈正比關(guān)系。并且在正常情況下，隨著離子濃度越高，溶液的導(dǎo)電性會越強，電化學(xué)反應(yīng)的速度也會加快，進(jìn)而加劇腐蝕。

圖1 硫化氫含量對平均腐蝕率的影響

1.2.2 溫度和壓力的影響

由于溫度和壓力的變化會對化學(xué)反應(yīng)的速率產(chǎn)生影響，因此油管和抽油桿的腐蝕也會受到影響。有研究表明，溫度升高可電離出更多的氫離子，加快腐蝕；而壓力增大，硫化氫溶于水中的量會增多、溶解速度會加快，從而酸性更強，鋼材的腐蝕會更嚴(yán)重。

2 防腐措施研究

2.1 優(yōu)選防腐蝕方式

目前，國內(nèi)外油氣田常見的防腐蝕工藝，主要分為三類：普通碳鋼加包裹層、使用抗腐蝕合金材質(zhì)及緩蝕劑防腐。

在樊莊區(qū)塊的開采15號煤層的生產(chǎn)井中，腐蝕問題已經(jīng)愈演愈烈，不僅報廢了大量的抽油桿及油管，而且嚴(yán)重影響了煤層氣井的穩(wěn)定排采。對三種常見防腐工藝進(jìn)行對比，優(yōu)選出最適宜煤層氣井的防腐工藝。

(1)普通碳鋼加包裹層

優(yōu)點：防腐效果較好；加工工藝相對簡單；對動液面高低無任何要求；日常不需要維護(hù)管理，若不能繼續(xù)使用可進(jìn)行檢泵更換；生產(chǎn)初期不增加任何防腐費用，使用壽命至少4年。

缺點：一旦包裹層被破壞，此種防腐措施會立即失效。

(2)使用抗腐蝕合金材質(zhì)

優(yōu)點：防腐蝕效果最佳；對動液面高低無任何要求；日常不需要維護(hù)管理；使用壽命最長；在有效期內(nèi)，無需其他配套措施。

缺點：價格昂貴，初期投入價格很高，不適合國內(nèi)中低產(chǎn)氣田；且加工工藝復(fù)雜。

(3)緩蝕劑防腐

優(yōu)點：初期投資少，成本低。

缺點：防腐方式適應(yīng)性差，針對不同井況所需緩蝕劑類型也盡不相同；對沉沒度有一定要求，動液面在井口不利于緩蝕劑加入，動液面在泵吸入口防腐蝕效果不明顯；日常管理復(fù)雜，需要精細(xì)化管理，對加藥周期、一次加藥量、每次加藥時間都有明確的要求；累計投資成本高。

通過對不同防腐措施的優(yōu)缺點對比，按照重要度進(jìn)行標(biāo)度值標(biāo)定(見表1)，確定最適宜的防腐蝕方式為普通碳鋼加包裹層。

2.2 完善防腐蝕井筒工藝

有腐蝕直井：采用涂層式防腐抽油桿+普通碳鋼平式油管；

有腐蝕斜井：采用包裹式防腐抽油桿+內(nèi)襯耐磨防腐油管。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

從2014年底開始，到2015年7月，防腐蝕井筒工藝已陸續(xù)在6口直井和2口斜井實施；由于井筒腐蝕的存在，這8口井頻繁進(jìn)行檢泵作業(yè)，其中最短的檢泵作業(yè)時間間隔僅為20天；目前8口井均穩(wěn)定正常排采，且均未再次出現(xiàn)檢泵作業(yè)；截止2015年10月底，正常連續(xù)生產(chǎn)時間最長已超過300天，平均170天。防腐措施效果有待于進(jìn)一步觀察。

表1 防腐蝕方式重要度統(tǒng)計表

備注：0-指標(biāo)無益處，1-指標(biāo)稍微有益處，2-指標(biāo)強烈有益處

[1] 李夢溪，王立龍，胡秋嘉，等.沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣井開發(fā)特點及管理方法[J].中國煤層氣.2013，6(3)：2-8.

[2] 任駿.長慶氣田腐蝕及防護(hù)[J].天然氣工業(yè)，1997，18(5)：63.

[3] 石藝.華北油田應(yīng)用耐磨防腐內(nèi)襯油管技術(shù)顯成效[J].石油鉆采工藝，2012，5，34(3)：72.

[4] 李曉源，文九巴，李全安.油氣田井下油管的防腐技術(shù)[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003，9，15(5)：272-276.

[5] 謝香山.高性能油井管的發(fā)展及其前景[J].上海金屬，2000，22(3)：3.

[6] 劉金堂，葉俊，李國印，等.馬廠油田防腐綜合治理技術(shù)[J].斷塊油氣田，1998，5(3)：61.

[7] 李欣，張毅，張汝忻.我國油井管需求量、生產(chǎn)能力及價格綜合分析[J].鋼管，2000，29(1)：10.

[8] 萬仁傅，羅英俊.采油工程手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[9] 黃仁兵.近年來油氣井緩蝕劑發(fā)展的新技術(shù)[J].石油與天然氣化工，1998，27(4)：257.

[10] 舒作靜，劉志德，谷壇.氣液兩相緩蝕劑在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2001，30(4)：200.

[11] B Kinsella，Y J Tan，S Bailey. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Surface Characterization Techniques to Study Carbon Dioxide Corrosion Product Scales[J]. Corrosion， 1998，54(10)：835.

[12] H Vedage， T A Ramanarayanan， J D Mumford， et al. Electrochemical Growth of Iron Sulfide Films in H2S- Saturated ChlorideMedia[J]. Corrosion， 1993， 49(2)： 114.

[13] 張旺峰，朱金華.抗H2S石油專用管材的成分優(yōu)化[J].機械工程材料，1999，23(1)：33.

[14] 侯立中，吳俊霞.腐蝕引起鉆柱刺漏的機理分析及預(yù)防措施[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(2)：26-28.

[15] 油氣田腐蝕與防護(hù)技術(shù)手冊編委會.油氣田腐蝕與防護(hù)技術(shù)手冊(上)[M].北京：石油工業(yè)出版社， 1999：56.

[16] 張星，李兆敏.馬新忠，等.深井油管硫化氫應(yīng)力腐蝕實驗研究[J].石油勘探與開發(fā)，2004，3l(6)：95.

[17] 戴金星.胡見義，賈承造，等.科學(xué)安全勘探開發(fā)高含硫化氫天然氣田的建議[J].石油勘探與開發(fā)， 2004，31(2)：1.

[18] 戴金星.中國含硫化氫的天然氣分布特征、分類及其成因探討[J].沉積學(xué)報，1985(4)：109-120.

[19] 楊繼盛.采氣工藝基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1992.

[20] 楊川東.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2001.

[21] 白真權(quán)，李鶴林，劉道新，等.模擬油田H2S/CO2環(huán)境中N80鋼的腐蝕及影響因素研究[J].材料保護(hù)，2003，36(4)：32-34.

(責(zé)任編輯 桑逢云)

Study on Corrosion Mechanism of Hydrogen Sulfide and Anticorrosive Measures for No.15 Coal Seam in Fanzhuang Block

CAI Hua，SU Lei，YANG Yang，QIN Mengfu，CUI Jianbin，DU Huirang

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina, Shanxi 048000)

Corrosion of hydrogen sulfide has seriously affected the normal CBM production of No.15 coal seam well in Fanzhuang Block. The paper analyzes the corrosion mechanism and influence factors of hydrogen sulfide, and compares the advantages and disadvantages of common anticorrosive methods in gas fields at home and abroad. It creatively calibrates scale value according to the importance of difference influence factors, finally selects the most suitable anticorrosive measure and improves the anticorrosive shaft for CBM wells. The onsite implementation proves the measures could ease the corrosion of CBM well and extend the duration of pump detection.Keywords:CBM well; corrosion of hydrogen sulfide; anticorrosive measures

蔡華，助理工程師，工程碩士，主要從事煤層氣排采技術(shù)研究與管理工作。