油氣井CO2腐蝕主控因素及解決措施

馬迪(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

0 引言

近些年，在對(duì)油氣進(jìn)行開采的過程當(dāng)中工作人員發(fā)現(xiàn)將CO2應(yīng)用到其中具有一定的優(yōu)勢(shì)。而這主要是由于在將CO2融入到地下油氣儲(chǔ)層中后不僅可以進(jìn)一步提升油氣開采的效率，而且還可以把它當(dāng)作空氣鉆井，進(jìn)而在根本上提升油氣層的產(chǎn)量[1]。但是，頻繁的使用CO2也會(huì)引發(fā)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低了整體的經(jīng)濟(jì)效益。因此，要進(jìn)一步提高對(duì)CO2利用的重視程度，并對(duì)CO2發(fā)生腐蝕情況的主控因素進(jìn)行細(xì)致的分析，并通過科學(xué)有效的方式方法予以解決。只有這樣才能確保后期工作有序進(jìn)行。

1 CO2腐蝕的主要類型及原理

CO2腐蝕(如圖1所示)的主要類型包含了均勻腐蝕以及局部腐蝕。其中，均勻腐蝕主要是指當(dāng)金屬性制品在接觸到腐蝕性物質(zhì)時(shí)，其接觸面會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象。而這種腐蝕會(huì)在一定程度上降低管道內(nèi)部的厚度，并逐步地腐蝕金屬。因此，是否出現(xiàn)均勻腐蝕可以通過觀察金屬表面來加以確認(rèn)。對(duì)于局部腐蝕，可以分為點(diǎn)蝕、臺(tái)狀腐蝕以及環(huán)狀腐蝕。點(diǎn)蝕的腐蝕狀況較為嚴(yán)重，但是其腐蝕的范圍較小，因此在對(duì)點(diǎn)蝕進(jìn)行判斷時(shí)不能將腐蝕范圍作為判斷依據(jù)[2]。臺(tái)狀腐蝕基本上是在點(diǎn)蝕之后發(fā)生的，在一般情況下，臺(tái)狀腐蝕會(huì)在含有較多CO2水介質(zhì)中出現(xiàn)。對(duì)于臺(tái)狀腐蝕，它具有底部完整、兩邊垂直的特點(diǎn)。環(huán)狀腐蝕出現(xiàn)在油氣井的內(nèi)部，而造成環(huán)狀腐蝕出現(xiàn)的主要原因是金屬的加工與焊接[3]。

圖1 CO2腐蝕圖

在對(duì)CO2腐蝕原理探究的過程中，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者都作出了極大貢獻(xiàn)。由于他們?cè)陂_展實(shí)驗(yàn)的過程中，得出的結(jié)論各不相同，以至于不能很好地對(duì)CO2腐蝕原理進(jìn)行統(tǒng)一的定論。因?yàn)檠芯空卟荒芎侠淼胤治龀鯟O2腐蝕的產(chǎn)物，所以他們不能對(duì)反應(yīng)過程中的產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步說明。到目前為止，并沒有一個(gè)科學(xué)的CO2腐蝕原理，只能通過實(shí)際情況進(jìn)行具體的觀察與分析。

2 油氣井CO2腐蝕主控因素

2.1 CO2分壓

相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)：當(dāng)CO2的分壓在0.02 MPa時(shí)，可以認(rèn)為沒有出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象；如果分壓大于0.02 MPa且小于0.2 MPa，可以認(rèn)為出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，但是該腐蝕的影響程度并不是很大；如果分壓大于0.2 MPa，那么可以說明出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕。此外，還有部分研究者認(rèn)為，是否發(fā)生腐蝕現(xiàn)象可以根據(jù)金屬的保護(hù)膜來進(jìn)行判斷。當(dāng)金屬保護(hù)膜沒有發(fā)生破壞，說明分壓上升，同時(shí)腐蝕的速度較快。當(dāng)存在保護(hù)膜時(shí)，CO2分壓越高說明腐蝕的速度越慢，同時(shí)還會(huì)加快保護(hù)膜的生成。

2.2 溫度

有研究者認(rèn)為，當(dāng)溫度高達(dá)70 ℃時(shí)，CO2的腐蝕速度會(huì)到達(dá)峰值，然后在溫度不斷上升的情況下，腐蝕的速度會(huì)成下降的趨勢(shì)逐漸減小[4]。此外，還有部分研究者認(rèn)為，當(dāng)溫度到達(dá)60 ℃時(shí)，腐蝕的速度會(huì)隨溫度的上升而加快，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，腐蝕速度達(dá)到最高，隨之會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕的情況。當(dāng)溫度上升到150 ℃，金屬表面的保護(hù)膜會(huì)成緊致的情況，從而保護(hù)能力會(huì)得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3 流動(dòng)速度

流動(dòng)速度越快，會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)腐蝕產(chǎn)物膜的疲勞感，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜逐步覆蓋，加快了腐蝕的速度。相關(guān)研究者在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，得出流動(dòng)腐蝕的腐蝕速度要比靜態(tài)腐蝕的腐蝕速度快5倍左右。與此同時(shí)，還有部分研究者在此基礎(chǔ)之上再次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出腐蝕速度的快慢主要取決于鋼級(jí)和腐蝕產(chǎn)物的流動(dòng)速度，如果腐蝕速度已經(jīng)超過了流動(dòng)速度，那么腐蝕的速度不會(huì)再發(fā)生變化[5]。

2.4 水中的礦物質(zhì)

倘若不考慮保護(hù)性垢層，那么水中礦物質(zhì)含量越多，那么越容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)CO2的腐蝕程度。如果鈣離子和鎂離子在相互結(jié)合后形成了保護(hù)垢層，那么會(huì)進(jìn)一步降低CO2的腐蝕速度。

2.5 氯離子的影響

由于氯離子具備較強(qiáng)的穿透力，因此其可以進(jìn)一步加快鋼材表面的活化程度，進(jìn)而加快了點(diǎn)蝕的出現(xiàn)。由圖2可以看出，隨著氯離子含量不斷上升，腐蝕的速度越來越快，因此要想在根本上降低腐蝕的速率，需要合理地掌控氯離子的含量。

圖2 氯離子濃度與腐蝕速度變化圖

3 油氣井CO2腐蝕的解決策略

3.1 利用緩蝕劑

緩蝕劑類型有很多，其中最具代表性的是咪唑啉類緩蝕劑、噻唑類緩蝕劑和硫脲類緩蝕劑。咪唑啉類緩蝕劑最大的特點(diǎn)就是環(huán)保性，它無毒無味，并且可以固定放到任何位置當(dāng)中，因此其被廣泛應(yīng)用于石油和天然氣當(dāng)中。由N五元環(huán)、含有活性集團(tuán)側(cè)鏈等所組成的咪唑啉類緩蝕劑主要是以單分子形態(tài)吸附在金屬上面，進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)變氫離子氧化還原電位目的，進(jìn)一步確保其功能可以被完全釋放出來。倘若在高溫情況下出現(xiàn)了CO2腐蝕的現(xiàn)象，可以有效地利用噻唑類緩蝕劑來進(jìn)行解決。緩蝕劑可以提高分子之間的吸附能力，使得保護(hù)膜可以在金屬表面快速生成，從而起到保護(hù)的作用。硫脲類緩蝕劑適合于比較極端的場(chǎng)景。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在提高緩蝕劑濃度時(shí)可以科學(xué)地減小金屬受到腐蝕的速度。如果腐蝕劑濃度達(dá)到飽和狀態(tài)，但是依然再次提升其濃度就會(huì)加快腐蝕速度，所以在用硫脲類緩蝕劑時(shí)要嚴(yán)格對(duì)其濃度進(jìn)行控制。

3.2 利用涂層

涂層防護(hù)主要分為環(huán)氧樹脂防腐涂料和聚氨酯防腐涂料。其中，環(huán)氧樹脂防腐涂料是應(yīng)用最廣的涂層防護(hù)，這主要是由于其抗腐蝕性、抗水性能力較強(qiáng)。聚氨酯防腐涂料相較于其他涂料，由于其含有較多的氫鍵，因此使得該涂料具備一定吸附性和抗磨性。將低溫、高溫環(huán)境與聚氨酯防腐涂料進(jìn)行相互之間的融合，可以有效地防止CO2腐蝕，從而進(jìn)一步增加油氣井的使用壽命。

3.3 利用化學(xué)鍍層

化學(xué)鍍層分為鎳磷合金鍍管和雙層鍍管。其中鎳磷合金鍍管抗腐蝕性較強(qiáng)，可以對(duì)一些硫化物腐蝕、CO2腐蝕起到一定程度的防范作用。所以，在油氣井中，基本上會(huì)利用鎳磷合金鍍管。而雙層鍍管主要是將兩種不同的電位差進(jìn)行相互之間的結(jié)合，進(jìn)而起到保護(hù)油氣井的作用。在正常情況下，雙層鍍管分為陰極防護(hù)和陽極防護(hù)，其中陰極防護(hù)應(yīng)用范圍較為廣泛。陽極保護(hù)主要是將油氣井金屬鈍化，進(jìn)一步降低油氣井金屬表面的腐蝕速度。而陰極保護(hù)就是加強(qiáng)電動(dòng)勢(shì)，以及讓電極腐蝕電位箱電動(dòng)勢(shì)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到抑制腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的速率。

4 結(jié)語

綜上所述，就目前來看，CO2對(duì)油氣井腐蝕主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕，而誘發(fā)腐蝕情況主要原因在于整體壓力、溫度以及流動(dòng)速度。為了在根本上避免CO2的腐蝕，需要在油氣井上涂抹防護(hù)層、化學(xué)鍍層等。