絨囊鉆井液腐蝕性主要影響因素研究

張文哲，鄭力會，李 偉，楊全枝，張紅哲，符喜德，穆景福

絨囊鉆井液腐蝕性主要影響因素研究

張文哲1，鄭力會2，李 偉1，楊全枝1，張紅哲3，符喜德1，穆景福1

（1. 陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075； 2. 中國石油大學（北京） 石油工程學院，北京 102249；3. 陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021）

在鉆井工程中，鉆井液對鉆具腐蝕是普遍存在的問題，并隨著鉆井向優(yōu)快鉆井、深井方向發(fā)展而日趨嚴重。絨囊鉆井液是繼泡沫鉆井液發(fā)展起來的一種新型鉆井液。其具有低密度、流變性好和對儲層污染小等多方面優(yōu)點。室內(nèi)通過掛片法實驗，對影響絨囊鉆井液腐蝕性溫度、礦化度等主要因素進行了規(guī)律性研究。實驗結(jié)果表明，絨囊鉆井液隨著溫度的增加，腐蝕性能先增強后減弱，在80～100 ℃達到最大；低礦化度下的淡水絨囊鉆井液腐蝕速率較高礦化度的小；絨嚢 鉆井液腐蝕速率隨KCl（甲酸鉀）加量先增加逐漸平緩后降低；各種絨囊鉆井液體系的腐蝕速率均低于0.1 kg/(m2?a)，評價等級好，可滿足現(xiàn)場鉆井需要。

絨囊鉆井液；腐蝕；影響因素；掛片法；溫度；礦化度

在鉆井過程中，鉆井液如同鉆井血液，不僅需要適應地層要求，還得滿足鉆井工藝各方面需求。鉆井液先后經(jīng)歷自然泥漿、細分散泥漿、粗分散泥漿和不分散泥漿等四個階段，使用了無固相、低固相、鹽水、聚合物、正電膠等鉆井液體系，并且向著微泡鉆井液體系、特別是絨嚢鉆井液體系新技術(shù)發(fā)展。鉆井液中往往還有多種添加處理劑，成分復雜，在井下高溫高壓作用下通常具有較強的腐蝕性。鉆井液對鉆具腐蝕是普遍存在的問題，并隨著鉆井向深井、優(yōu)快鉆井方向發(fā)展而日趨嚴重。

鉆具腐蝕具有多種類型，具體可分為兩大類，即均勻腐蝕和局部腐蝕。后者還可細分為應力腐蝕、縫隙腐蝕、坑點腐蝕、晶間腐蝕等。鉆具在實際腐蝕中往往較為復雜，可能同時存在好幾種腐蝕形態(tài)。在常規(guī)鉆井中，鉆井液中的氧、硫化氫、二氧化碳等氣體和鹽類等腐蝕介質(zhì)對鉆桿有較大的腐蝕作用。在腐蝕作用下，鋼材受交變應力及腐蝕的聯(lián)合作用，生成裂紋并迅速發(fā)展，嚴重可引起鉆具的刺漏和斷裂，鉆具壽命大大縮短。因此，研究鉆井液，尤其是新型的絨嚢鉆井液體系對鉆具腐蝕影響因素和防護措施，對于發(fā)展鉆井新工藝、降低鉆井總成本以及安全鉆井具有十分重要的意義。

1 鉆井液腐蝕性影響因素

1.1 溫度

鉆井液溫度升高，體系中氧的擴散過程加快，電極反應也隨著加強，但在敞口體系中，溫度升高使得體系中含氧量降低，氧到達金屬表面的含量減少，會減弱腐蝕過程中的陰極反應，因此腐蝕速率先升高后降低。在一些高溫井中，溫度是影響井下設備腐蝕的主要因素。溫度使得金屬材料的腐蝕速率呈現(xiàn)出大體相似的先增加后降低的變化規(guī)律，并在一定溫度下取得最大值。

1.2礦化度

鉆井液體系中的鹽類含量決定其礦化度。鉆井液中含鹽濃度升高，溶液中電解質(zhì)電導率也就增強，腐蝕速率加快。國內(nèi)外文獻表明[1]，當氯化鉀濃度高于 3%時，腐蝕速率較大。因此，控制含氯鹽水鉆井液體系中較低的氯化鉀含量可以有效減弱腐蝕影響。

1.3 流速

一般而言，對于碳鋼等鉆材，腐蝕速度隨流速的增加而增大，尤其在設備和管線的彎頭和凹凸部位，因氣流受擾動而腐蝕速率成倍增加。因此，實際鉆井中，鉆井液流速不宜過大。但在使用緩蝕劑時，緩蝕劑效果會因流速增加而增強，這是由于流速增加，緩蝕劑的作用速度增大，更易于成保護膜防止進一步腐蝕。因此，某種程度的增大流速是有益的。

1.4 pH值

鉆井液的pH值對鉆具腐蝕影響很大。研究發(fā)現(xiàn)[2]，鉆具受鉆井液的腐蝕速度隨pH值的升高而降低。這是因為，在較低pH值時，體系呈酸性，腐蝕過程中同時存在氧的去極化和氫的極化反應，鉆具的腐蝕速度隨之加快；當體系較高pH值時，氫的極化反應消失，只存在氧的去極化反應，高堿性溶液的鈍化作用也會降低鉆井液腐蝕速度。因此，適當將鉆井液的pH值提高可有效的保護鉆具、降低鉆井液腐蝕。

1.5 金屬材料

金屬的腐蝕速率由腐蝕電流決定，腐蝕速率隨腐蝕電流增大而增大，故金屬的腐蝕速率為Zn＞Fe＞Cr＞Cu＞Ni。Cr、Cu和Ni的腐蝕速率分別為Fe的1/3、1/3和1/5。，Ni比Cu具有更低的腐蝕速率，可能是由于Ni在遭受腐蝕時會形成抗腐蝕的鈍化膜[3]。實際應用中，以上幾種金屬對提高鋼的防腐蝕都有較大影響。

2 絨囊鉆井液及其腐蝕性

微泡（Aphrons）這個概念是美國人Sebba提出的，一般認為微泡由流體核（氣體或液體核，一般為空氣）和保護性外殼組成[4]。近年來，Lihui-Lab公司通過將自行處理過的特殊結(jié)構(gòu)的微泡放在高倍顯微鏡下軟色觀測，得出了微泡最新的顯微照片并起名為“絨囊”。它提出的結(jié)構(gòu)理論說絨囊具有“一核一囊”結(jié)構(gòu)，核仍然是由氣體或液體組成，為球形或橢球形，存在“單胞胎”或“多胞胎”。新的微泡鉆井液——絨囊鉆井液由此誕生。圖1為一般絨囊與微泡的圖示：

絨囊鉆井液是在微泡鉆井液的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉆井液，其具備微泡鉆井液的性能，主要有性能穩(wěn)定、密度可調(diào)、可循環(huán)性良好、流變性能和潤滑性能優(yōu)異等優(yōu)點，在低剪切速率下表現(xiàn)黏度很大，高剪切速率下表現(xiàn)黏度很小，油氣井作業(yè)時表現(xiàn)為流動性好，靜止時黏度增大，很好滿足了油氣井工作液的基本性能要求[5]。

與空氣鉆井相比，泡沫鉆井具有低空氣排量和低環(huán)空返速特點，可減少鉆具沖蝕，又可用泡沫將空氣包裹起來，減少空氣與鉆具接觸的機會，同時，通過高pH值和緩蝕劑的協(xié)同作用，減輕鉆具腐蝕。

所以，研究絨囊鉆井液腐蝕性需要通從絨囊獨特的結(jié)構(gòu)著手，重點考慮與一般鉆井液相比，最可能影響絨囊鉆井液腐蝕性能的因素。正如前面所述，絨囊所特有的穩(wěn)定微泡結(jié)構(gòu)，可以將水、空氣與巖屑包裹起來，盡可能減少金屬更氣體介質(zhì)的接觸，因此氧氣等溶解在鉆井液中的腐蝕性氣體對鉆井液腐蝕影響應該不大。由于泡沫穩(wěn)定受溫度影響比較大，而且絨囊鉆井液各種主要處理劑在高溫下性能尚不確定，故溫度是我們研究絨囊鉆井液腐蝕性的一個重要因素。

鉆井中的腐蝕機理告訴我們，鉆井過程中主要以電化學腐蝕為主，一般鹽類鉆井液的腐蝕性受陰陽離子濃度，也就是礦化度的影響比較大。特別的，Cl-是激發(fā)金屬發(fā)生孔蝕的激發(fā)劑，而我們所常用的絨囊鉆井液以鹽類體系為主。所以，我們考慮將絨囊鉆井液不同體系（礦化度）作為我們研究的另一個考慮因素。

3 絨囊鉆井液腐蝕性實驗

3.1 實驗簡介

絨囊鉆井液腐蝕性實驗采用室內(nèi)掛片法（又稱失重法）測定腐蝕速率，利用單位時間內(nèi)、單位面積上的試樣質(zhì)量損失來計算平均腐蝕速率，參考石油天然氣行業(yè)標準《鉆井液腐蝕性能檢測方法》（SY/5390-91）。

3.2 實驗溶液論是淡水還是海水體系，含甲酸鉀的絨囊鉆井液腐蝕性較含氯化鉀的弱，說明含氯離子體系腐蝕性較強?？偟膩砜?，平均腐蝕速率均低于0.1 kg/(m2?a)，評價級別好。

實驗中確定的絨嚢鉆井液體系基本配方為：水+0.2%碳酸鈉+0.1%氫氧化鈉+0.25%定位劑+1.5%成層劑+0.4%FBM-4成核劑+2%氯化鉀（甲酸鉀）+0.5%除氧劑。鑒于絨囊鉆井液環(huán)境溫度和體系（礦化度）是研究腐蝕性的主要影響因素，我們選取25℃（常溫）、60、80、100和120 ℃這五個溫度點作為測量點?？紤]鹽離子礦化度對腐蝕的影響，選取絨囊鉆井液目前常用的淡水體系和海水體系。在每個體系中，再分別加入氯化鉀和甲酸鉀作對比。因此，根據(jù)現(xiàn)場所用絨嚢鉆井液體系配方，實驗用鉆井液體系共4個：淡水氯化鉀體系、海水氯化鉀體系、淡水甲酸鉀體系和海水甲酸鉀體系。

3.3 實驗材料

本實驗通過現(xiàn)場N80套管做成的若干掛片（尺寸30.10 mm×19.60 mm×6.80 mm）模擬井下工具，實驗測量周期48 h，利用高溫高壓釜加熱。

3.4 數(shù)據(jù)處理

腐蝕速率由下式計算:

式中:R—金屬平均腐蝕速率，kg/ (m2?a)；

m—實驗前腐蝕掛片質(zhì)量，mg；

m’ —實驗后腐蝕掛片質(zhì)量，mg；

A—腐蝕掛片總表面積，cm2；

t—測量周期，h。

3.5 實驗結(jié)果與討論

3.5.1 鉆井液腐蝕性受體系、溫度影響探究

我們通過實驗測定絨囊鉆井液四個體系在五個溫度點下平行試樣（3個一組）的腐蝕速率。我們將上述數(shù)據(jù)繪入同一圖中（圖2）。

從圖2中可以看出，高礦化度下的絨囊鉆井液腐蝕性強。在海水體系中，無論是加氯化鉀還是甲酸鉀，絨囊鉆井液腐蝕速率均比淡水的高40%～50%。絨囊鉆井液腐蝕性隨溫度升高先增后降。對于淡水體系，80 ℃前，腐蝕速率隨溫度的升高而升高；80℃后，腐蝕速率隨溫度的升高而降低。對于海水體系，同樣存在隨溫度升高腐蝕速率先增后降的規(guī)律，不過溫度分界點為100 ℃?？赡苁请S著溫度升高，導致體系中含氧量降低，進而影響到腐蝕進程。不

3.5.2 鉆井液腐蝕性受KCl（甲酸鉀）加量影響探究

既然氯化鉀體系腐蝕性較強，其中的氯離子含量是否影響到體系的腐蝕速率值得我們進一步關(guān)注。室內(nèi)我們通過改變絨囊鉆井液體系基礎(chǔ)配方中的KCl（甲酸鉀）含量來測量和計算不同溫度下各體系的腐蝕性大小。實驗結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，在同一溫度下，絨嚢鉆井液腐蝕速率隨KCl加量先增加逐漸平緩后降低。KCl加量在2%～4%范圍內(nèi)，腐蝕速率達到最大，且隨著體系溫度的增加，腐蝕速率最大時對應KCl加量也在增加（25 ℃時2%，100 ℃時4%）。究其原因，可能是KCl加量多少影響鉆井液體系中溶解氧多少。隨著鹽加量增加，體系中含氧量降低，導致腐蝕速率變化逐漸穩(wěn)定最終有降低趨勢；溫度升高，KCl的溶解度增加，腐蝕速率最大時的加量也增加。

實驗室類似做了甲酸鉀鉆井液體系隨甲酸鉀增量變化的腐蝕性實驗。實驗結(jié)果中腐蝕速率相比KCl體系較低外，變化規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論及認識

（1） 實驗結(jié)果表明，高礦化度下的絨囊鉆井液腐蝕性較強。在海水體系中，無論是加氯化鉀還是甲酸鉀，絨囊鉆井液腐蝕速率均比淡水的高40%～50%。各種絨囊鉆井液體系的腐蝕速率均低于0.1 kg/(m2?a)，評價等級好。

（2） 絨囊鉆井液腐蝕性隨溫度升高先增加后降低。對于淡水體系，80 ℃前，腐蝕速率隨溫度的升高而升高；80 ℃后，腐蝕速率隨溫度的升高而降低。對于海水體系，同樣存在隨溫度升高腐蝕速率先增后降的規(guī)律，不過溫度分界點位于100℃。

（3） 嚢

絨 鉆井液腐蝕速率隨KCl（甲酸鉀）加量先增加逐漸平緩后降低。KCl加量在2%～4%范圍內(nèi)，腐蝕速率達到最大，且隨著體系溫度的增加，腐蝕速率最大時對應KCl加量也在增加。

（4） 不論是淡水體系還是海水體系，含甲酸鉀的絨囊鉆井液體系腐蝕性比含氯化鉀的低40%左右。

［1］ M.Mcdonald, Ward, et al. Use of silicate-based drilling fluids to mitigate metal corrosion: SPE, 100599[P]. 2007.

［2］ L Fedrizzi F Deflorian SRossi，et al.Study of the corrosion behaviour of phosphatized and painted industrial water heaters[J].Progress in Organic Coatings， 2001，42:65-74.

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［4］ 汪貴娟，丁玉興，陳樂亮,等.具有特殊結(jié)構(gòu)的微泡沫鉆井液技術(shù)綜述[J].鉆井液與完井液，2004，21(3):53-55.

［5］ 鄭力會，曹園，韓子軒.含絨囊結(jié)構(gòu)的新型低密度鉆井液[J].石油學報，2010,31（3）：490-493.

Study of Influence Factors on Corrosion of Fuzzy-ball Drilling Fluid

ZHANG Wen-zhe1，ZHENG Li-hui2，LI Wei1，YANG Quan-zhi1，ZHANG Hong-zhe3，F(xiàn)U Xi-de1,MU Jing-fu1
（1. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum Co.Ltd., Shaanxi Xi’an 710075, China; 2. China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 3. Shaanxi University of Science & Technology, Shaanxi Xi’an 710021, China）

In drilling engineering, corrosion of drilling fluids to the drill pipe is a common problem, and the problem becomes more serious with the development of optimized and fast drilling as well as deep drilling. Fuzzy-ball drilling fluid is a new kind of fluid, which has advantages of lower density, better rheology and low pollution to reservoir. In this paper, through the experiment of weight loss, the influence of major factors on fuzzy-ball drilling fluid corrosion was studied, such as temperature, salinity, and so on. The experiment results show that, with increasing of the temperature, the corrosion performance increases firstly and then decreases, and the max corrosion occurs at 80～100℃; The corrosion rate of low salinity is less than that of high salinity; The corrosion of fuzzy-ball drilling fluid increases firstly then deceases with increasing of KCl or potassium formate amount; The corrosion rate of every kind of fuzzy-ball drilling fluid is lower than 0.1 kg/(m2?a), which obtains good evaluation level, and can meet the needs of the field drilling.

Fuzzy-ball drilling fluid; Corrosion; Influence factor; Method of weight loss; Temperature; Salinity

TE 2

： A

： 1671-0460（2015）05-1106-03

2015-04-10

張文哲（1987-），男，陜西寶雞人，工程師，碩士學位，2013年畢業(yè)于中國石油大學油氣井工程專業(yè)，從事鉆井液相關(guān)技術(shù)研究工作。E-mail：eagle.1983@163.com。