煤層氣排采過(guò)程油管腐蝕機(jī)理淺談

趙金 張遂安 涂乙

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)煤層氣研究中心，北京 102249)

煤層氣排采過(guò)程油管腐蝕機(jī)理淺談

趙金 張遂安 涂乙

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)煤層氣研究中心，北京 102249)

本文主要對(duì)煤層氣前期排水階段，中期氣水同產(chǎn)階段，后期的單相產(chǎn)氣階段，油管的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際開(kāi)采過(guò)程對(duì)SX107井組的油管腐蝕進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:在煤層氣的開(kāi)采初期的排水過(guò)程中，油管的腐蝕主要是由吸氧腐蝕，析氫腐蝕，以及地層水所含的各種離子引起的;中期的排水產(chǎn)氣階段，油管的腐蝕主要是由產(chǎn)出的各種酸性氣體以及地層水共同作用所造成的;后期的單相產(chǎn)氣階段，油管的腐蝕主要是由酸性氣體所造成的;SX107井組的油管腐蝕主要是吸氧腐蝕造成的，腐蝕產(chǎn)物主要是紅褐色Fe2O3。

煤層氣 油管腐蝕 析氫腐蝕 吸氧腐蝕

Abstract:The paper mainly deals with corrosion mechanism of oil pipe in the early stage of dewatering，in the middle stage of co-production of water and gas，and in the later stage of single phase gas production．The paper analyzes and investigates the oil pipe corrosion of SX107 pilot well in practical extraction process．The results of the research indicate that corrosion of oil pipe is mainly due to absorption of oxygen，segregation of hydrogen and caused by all kinds of ions borne by ground water in the dewatering process in initial CBM extraction stage;that oil pipe corrosion is mainly due to common effect of various sour gases produced and the ground water in the middle stage of dewatering and production process;that oil pipe corrosion is mainly due to sour gases in the later stage of single phase gas production．Corrosion of oil pipe for SX107 pilot well is mainly resulted from adsorption of oxygen．The product of corrosion is mainly reddish brown Fe2O3．

Keywords:CBM;tubing corrosion;hydrogen evolution corrosion;oxygen corrosion

煤層氣的開(kāi)采過(guò)程中，隨著煤層水和氣體的產(chǎn)出，油管會(huì)產(chǎn)生腐蝕。油管腐蝕對(duì)煤層氣井后期的作業(yè)以及排采會(huì)帶來(lái)諸多不便，甚至導(dǎo)致油管直接報(bào)廢，給煤層氣生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前常規(guī)油氣井油管腐蝕的報(bào)道已有不少，關(guān)于煤層氣井的油管腐蝕研究還不多。由于煤層氣井獨(dú)特的開(kāi)采方式，所以各個(gè)開(kāi)采階段油管的腐蝕機(jī)理也不盡相同。本文分析了煤層氣的排水階段，氣水同產(chǎn)階段，單相氣體階段油管腐蝕的機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)SX107井組油管的腐蝕進(jìn)行分析。

1 煤層氣井油管腐蝕機(jī)理

由于排采階段，地層的產(chǎn)出物不同，油管的腐蝕原因也不同。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的情況。煤層氣井的油管腐蝕大致會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段:排水階段的腐蝕，氣水同產(chǎn)階段的腐蝕，單相產(chǎn)氣井段的腐蝕。

1.1 排水階段的油管腐蝕

在煤層氣排采的初期，油管中主要是地層水以及壓裂過(guò)程中殘余在地層或者井中的溶液對(duì)油管產(chǎn)生腐蝕。由于地層水中含有氫離子、溶解氧、氯離子等無(wú)機(jī)鹽離子。在這些物質(zhì)的作用下，油管的腐蝕主要是通過(guò)形成原電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕。在有氧的情況下，油管的腐蝕主要表現(xiàn)為吸氧腐蝕，具體的反應(yīng)如下:

如果油管中的液體呈酸性或者油管表面吸附水膜酸性較強(qiáng)時(shí)，這時(shí)油管還會(huì)發(fā)生析氫腐蝕，具體的反應(yīng)如下:

吸氧腐蝕和析氫腐蝕生成的Fe(OH)2被氧所氧化，氧化產(chǎn)物Fe(OH)3脫水生成紅褐色鐵銹Fe2O3，隨著溶液所含各種離子濃度、溶解氧的大小、PH、溫度以及壓力的不同，形成的腐蝕產(chǎn)物也不同。一般來(lái)說(shuō)，油管腐蝕的產(chǎn)物主要有Fe2O3、FeO、Fe3O4。然而在實(shí)際排采過(guò)程中，由于前期的鉆井、壓裂、洗井等施工過(guò)程，地層中的溶液往往會(huì)殘留有大量的氯離子和少量的煤屑，以及一些垢的產(chǎn)生。這些物質(zhì)的存在會(huì)加速油管的腐蝕，其中氯離子的腐蝕最為嚴(yán)重。

在油管的腐蝕中，氯離子不僅能優(yōu)于氧和氫氧根離子被鋼鐵吸附，而且在原電池產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，氯離子會(huì)不斷向陽(yáng)極區(qū)遷移。這樣Fe2+和Cl－生成可溶于水的FeCl2，然后向陽(yáng)極區(qū)外擴(kuò)散，與溶液陰極區(qū)的OH－生成Fe(OH)2，遇孔隙液中的水和氧很快又轉(zhuǎn)化成其他形式的銹。FeCl2生成Fe(OH)2后，同時(shí)放出Cl－，新的Cl－又向陽(yáng)極區(qū)遷移，帶出更多的Fe2+，從而加快油管的腐蝕。因此氯離子對(duì)油管的腐蝕也不容忽視，而且氯離子對(duì)油管的腐蝕幾乎存于煤層氣開(kāi)采的整個(gè)過(guò)程。

1.2 氣水同產(chǎn)階段油管的腐蝕

當(dāng)排采過(guò)程進(jìn)入氣水同產(chǎn)階段時(shí)，煤層產(chǎn)出的氣體不僅含有甲烷，有時(shí)還會(huì)伴隨O2、CO2、H2S等氣體同時(shí)產(chǎn)出。特別是CO2、H2S等酸性氣體的存在使得油管的腐蝕機(jī)理發(fā)生變化。

H2S容易水后使得溶液呈酸性。在酸性條件下，這會(huì)加快油管的析氫腐蝕。不僅如此，而且H2S本身能和Fe發(fā)生反應(yīng)，在溶液中兩者又會(huì)形成原電池，加快油管的電化學(xué)腐蝕。H2S腐蝕油管的機(jī)理如下:

首先H2S在水中電離出氫離子和硫離子，然后氫離子與鐵在溶液中形成原電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最后硫離子與亞鐵離子結(jié)合生成黑色FeS。通常FeS是一種有缺陷的結(jié)構(gòu)，它與鋼鐵表面的粘結(jié)差，易脫落，易氧化，電位較正，于是作為陰極與鋼鐵基體構(gòu)成一個(gè)活性的微電池，對(duì)基體繼續(xù)進(jìn)行腐蝕。隨著溶液酸性的強(qiáng)弱，H2S濃度的大小，以及溶液溶解氧量的多少，所生成的腐蝕產(chǎn)物也不同。一般H2S引起的油管腐蝕產(chǎn)物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS。

CO2的腐蝕原理與H2S基本一致，CO2溶于水后呈弱酸性，不同的是CO2對(duì)油管的腐蝕程度沒(méi)有H2S強(qiáng)。這是因?yàn)镠2S的酸性比碳酸強(qiáng)而且穩(wěn)定的緣故。CO2對(duì)油管的腐蝕的機(jī)理如下:

CO2溶于水形成后的碳酸電離出H+和碳酸根離子。由于H+離子的存在，這會(huì)加快油管的析氫腐蝕。同時(shí)碳酸根離子與亞鐵離子結(jié)合生成Fe-CO3。CO2腐蝕的最典型的特征是使油管呈現(xiàn)局部的點(diǎn)蝕、輪癬狀腐蝕和臺(tái)面狀坑蝕。其中臺(tái)面狀坑蝕是最嚴(yán)重的，腐蝕的穿孔率很高。

1.3 單相產(chǎn)氣階段油管的腐蝕

煤層氣的排采進(jìn)入后期時(shí)，排水過(guò)程已經(jīng)停止了，只有氣體產(chǎn)出了。此時(shí)油管中水也逐漸減少，油管的腐蝕主要受氣體分成的影響。在沒(méi)有水參與的情況下，酸性氣體對(duì)油管的腐蝕也會(huì)大大減弱。此時(shí)的油管在氧的作用下，主要發(fā)生吸氧腐蝕。當(dāng)產(chǎn)出的氣體較濕或者含有少量的水蒸氣時(shí)，這時(shí)油管還會(huì)發(fā)生析氫腐蝕。早期形成的腐蝕產(chǎn)物有可能在氧的作用下進(jìn)一步被氧化，如黑色的FeO被氧化成紅褐色的Fe2O3。

2 油管腐蝕的影響因素

2.1 離子濃度的影響

溶液中離子濃度的高低一方面影響溶液的導(dǎo)電性，另一方面對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率也會(huì)產(chǎn)生影響。正常情況下，離子濃度越高，溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的離子在溶液中的遷移速度以及化學(xué)反應(yīng)的速度也越快，從而加快油管的電化學(xué)腐蝕。

2.2 壓力和溫度的影響

由于化學(xué)反應(yīng)的速率還受壓力和溫度的影響，所以油管腐蝕還受溫度和壓力的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)加快碳酸和硫化氫的離解程度，從而電離出更多的氫離子，加快油管的析氫腐蝕。碳酸和硫化氫在溶液中屬于弱酸，即它們?cè)谌芤褐械碾婋x是一個(gè)可逆反應(yīng)且屬于放熱反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡反應(yīng)原理可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，有利于平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，電離出更多的氫離子;當(dāng)壓強(qiáng)升高時(shí)，會(huì)加快酸性氣體在水中的溶解量，溶解的氣體越多，溶液的酸性越強(qiáng)，溶液中的氫離子濃度就越大，油管的腐蝕就越嚴(yán)重。

3 SX107井組油管的腐蝕分析

SX107井組井深700～750m，煤層深度在650～700m。煤層溫度大致為26℃左右。SX107井組在排采初期進(jìn)行壓裂施工時(shí)，使用的壓裂液是添加有大量KCl的活性水。壓裂完后對(duì)井進(jìn)行放噴時(shí)，只有少量的壓裂液返排到地面上。SX107井組采用的油管為J55油管，油管的化學(xué)成分如表1所示。

表1 J55油管化學(xué)成分

表2 SX107井組水質(zhì)分析結(jié)果

安裝抽油機(jī)排采一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)油管開(kāi)始腐蝕，用手觸摸出水端的油管，發(fā)現(xiàn)油管內(nèi)壁含有大量的紅褐色鐵銹且內(nèi)壁凹凸不平，水池周?chē)嘤写罅亢谏图t褐色腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)出的水含有較強(qiáng)的鐵銹氣味且水質(zhì)的顏色呈淡黃色。對(duì)SX107井組的5口井抽出的水進(jìn)行取樣分析，水質(zhì)分析的結(jié)果表2所示。

從上表可以看出，SX107井組5口井的產(chǎn)出水氯離子濃度較高，溶液的PH呈弱堿性。在堿性的環(huán)境中，油管應(yīng)容易發(fā)生吸氧腐蝕。因此5口井的油管腐蝕主要是由吸氧腐蝕和氯離子引起的。產(chǎn)出水的顏色呈淡黃色是因?yàn)樾纬傻母g產(chǎn)物Fe2O3與水接觸后，生成了水合物所造成的。SX105井出現(xiàn)藍(lán)色腐蝕物可能是油管中的部分銅也發(fā)生了腐蝕。從腐蝕產(chǎn)物的顏色來(lái)看，5口井油管腐蝕產(chǎn)物絕大多數(shù)都是Fe2O3。

4 結(jié)論

(1)在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，油管的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。

(2)在煤層氣的開(kāi)采初期的排水過(guò)程中，油管的腐蝕主要是由吸氧腐蝕、析氫腐蝕以及地層水所含的各種離子引起的;中期的排水產(chǎn)氣階段，油管的腐蝕主要是由產(chǎn)出的各種酸性氣體以及地層水共同作用所造成的;后期的單相產(chǎn)氣階段，油管的腐蝕主要是由酸性氣體所造成的。

(3)在初期的排水過(guò)程中，SX107井組油管的腐蝕主要是由吸氧腐蝕和地層水中所含的氯離子共同引起的腐蝕產(chǎn)物主要是Fe2O3。

5 建議

(1)在進(jìn)行壓裂過(guò)程時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制壓裂液中的氯離子含量，以免造成排采過(guò)程中氯離子對(duì)油管的腐蝕。

(2)定期測(cè)定煤層氣井產(chǎn)出的水各種離子的含量，特別是容易對(duì)油管造成嚴(yán)重腐蝕的離子，要嚴(yán)格加以監(jiān)督和管理。

(3)對(duì)于油管腐蝕較為嚴(yán)重的煤層氣井，開(kāi)采時(shí)應(yīng)盡可能使用耐腐蝕性比較好的新型材料油管，如陶瓷內(nèi)襯油管，玻璃鋼油管。

(4)對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的井，可以針對(duì)油管的腐蝕環(huán)境適當(dāng)注入緩蝕劑或者在油管表層渡一層鋅，減緩油管的腐蝕。

(5)由于現(xiàn)有條件有限，未能深入研究溫度、PH、壓力、離子種內(nèi)以及離子濃度等因素對(duì)油管腐蝕速率的影響，下一步對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

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On Mechanism of Corrosion of Oil Pipe in CBM Dewatering and Drainage Process

Zhao Jin，Zhang Sui'an，Tu Yi
(CBM Research Center，China Petroleum University(Beijing)，Beijing 102249)

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高產(chǎn)水/弱含水煤儲(chǔ)層特性排采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)”(2011ZX05034－003);“深煤層儲(chǔ)層物性及地質(zhì)因素研究”(2011ZX05042－002);“山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程”(2011ZX05061);“鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開(kāi)發(fā)示范工程”(2011ZX05062);“山西晉城礦區(qū)一體化煤層氣開(kāi)發(fā)示范工程”(2011ZX05063)。

趙金，男，在讀研究生，主要從事煤層氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)研究。［LM］

(責(zé)任編輯 劉 馨)