鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕性規(guī)律研究

段夢(mèng)宇 榮繼光 潘 一 等

摘 要：從化學(xué)的角度分析了目前造成井下鉆具腐蝕的主要原因，歸納得出了鉆井液對(duì)井下鉆具的電化學(xué)腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕等腐蝕方式，闡述了上述方式的腐蝕機(jī)理與腐蝕速率的影響因素，對(duì)比了鉆具腐蝕影響因素的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了鉆井液體系變化對(duì)鉆具腐蝕速率的影響規(guī)律。給出了鉆具腐蝕的保護(hù)措施。其中電化學(xué)腐蝕對(duì)鉆具的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純的化學(xué)腐蝕，在進(jìn)行防腐措施時(shí)應(yīng)予特別重視。

關(guān) 鍵 詞：腐蝕；鉆井液；規(guī)律；鉆具；防腐

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0573-03

Abstract： Main reasons to cause the corrosion of drilling tools were analyzed， and several corrosion ways were summarized， such as electrochemical corrosion， oxygen corrosion and hydrogen sulfide corrosion. Principles and influencing factors of the corrosion were explained， and effect rule of the drilling fluid system on corrosion speed was obtained by contrasting the test data. Some protective methods of drilling tools were put forward. Its pointed out that damage of electrochemical corrosion is greater than that of chemical corrosion.

Key words： Corrosion； Drilling fluid； Drilling tools； Pattern； Anti-corrosion

鉆具腐蝕是鉆井工程中普遍存在的問題，在工程實(shí)踐中，由于鉆具腐蝕最終造成大量的鉆具報(bào)廢，甚至危及到了井下安全，導(dǎo)致井的報(bào)廢。這是因?yàn)樵阢@井過(guò)程中加入的各種鉆井液體系及鉆井液中添加的處理劑在井下條件下對(duì)于鉆具金屬往往具有強(qiáng)烈的腐蝕性[1]。鉆具的主要成分是含碳鋼，其腐蝕種類有很多，以下從鉆井液對(duì)鉆具的電化學(xué)腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕等方式及腐蝕速度的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。

1 鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕方式

目前鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕主要表現(xiàn)在電化學(xué)腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕等方面。

鉆具腐蝕的最主要形式是電化學(xué)腐蝕，過(guò)程中發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。其實(shí)質(zhì)是鉆具金屬在井下被氧化失電子轉(zhuǎn)化為金屬氧化物而失去原有的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致了鉆具的報(bào)廢[2]。

鉆井液中的溶解氧是鉆具氧腐蝕的主要原因。其中，氧的去極化腐蝕比氫的去極化腐蝕更加常見，這是因?yàn)檠踉拥倪€原反應(yīng)比氫原子更加容易進(jìn)行，與氧原子還原反應(yīng)相比，氫原子發(fā)生還原反應(yīng)所要求的電位條件更苛刻。多數(shù)金屬鉆具在中堿性溶液中以及少數(shù)電性金屬在含有氧的弱酸性溶液中的腐蝕都是以氧的還原反應(yīng)作為陰極過(guò)程而進(jìn)行的。

鉆井液中硫化氫主要來(lái)源于地層及鉆井液處理劑。鉆井液中的硫化氫在井下高溫條件與鉆井液的復(fù)合作用下，既是鉆具腐蝕的氧化劑，也是使鉆具發(fā)生氫脆現(xiàn)象的主要原因[3]。

2 鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕規(guī)律研究

2.1 電化學(xué)腐蝕對(duì)鉆具的腐蝕作用

金屬的電極電勢(shì)在腐蝕及其控制中起決定性作用。不同金屬在電解質(zhì)溶液中，電極電勢(shì)低的金屬易被腐蝕，電極電勢(shì)較高的比較難腐蝕，具體參數(shù)見表1。

鉆桿的材料為鐵和碳化鐵的（Fe-FeC3）的合金鋼，碳化鐵以微粒形式分散在鐵基質(zhì)中。鐵和碳化鐵同時(shí)浸泡在鉆井液中時(shí)，鉆桿中發(fā)生的腐蝕反應(yīng)為：FeFe2++2e-。Fe2+暴露在鉆井液中轉(zhuǎn)化成氫氧化鐵，在鉆桿表面就會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)個(gè)腐蝕凹坑，降低其在工作條件下的機(jī)械強(qiáng)度，甚至造成事故。

2.2 氧腐蝕對(duì)鉆具的腐蝕作用

氧腐蝕原理為溶解在溶液里的氧在陰極去極化作用而引起的金屬腐蝕，也就是氧的去極化腐蝕（吸氧腐蝕）。造成鉆具腐蝕的主要原因是鉆井液中的溶解氧。其作用機(jī)理有兩方面：鉆井液中的溶解氧直接腐蝕鉆具；加快硫化氫、二氧化碳等對(duì)鉆具金屬的腐蝕速率[4]。因此鉆井液中的溶解氧對(duì)鉆具腐蝕的速率有著至關(guān)重要的作用。下面對(duì)氧腐蝕影響因素進(jìn)行分析。

2.2.1 溶解氧濃度

鉆井液中的氧氣來(lái)源于大氣、水和處理劑，而其中的氧氣是影響鉆具腐蝕的重要因素。隨著氧濃度的增加，鉆具腐蝕速度明顯加快。使用從油田取來(lái)的鹽水鉆井液進(jìn)行了DIN36Cr Ni Mo4 材質(zhì)的氧腐蝕對(duì)比試驗(yàn)[5]。實(shí)驗(yàn)表明，相同外界條件下，在鉆井液浸泡時(shí)不通氧的鉆具試件基本無(wú)腐蝕；通入飽和氧的鉆具試件有明顯腐蝕。

2.2.2 pH值

由圖1可知，當(dāng)pH值在4～10時(shí)，由于氧的擴(kuò)散作用，鉆具表面形成水合氧化鐵膜，腐蝕速率與pH值沒有呈現(xiàn)出明顯線性關(guān)系。當(dāng)溶液pH值處于酸性小于4時(shí)，由于氫的還原反應(yīng)，腐蝕速率急劇加快。pH值大于10時(shí)，氧在鋼鐵的表面形成致密的鈍化膜而使腐蝕速率降低。

2.2.3 溫度

圖2為溫度對(duì)鋼在3%NaCl溶液中腐蝕的影響，表2為不同溫度下碳鋼在水介質(zhì)中的腐蝕速度。由圖2和表2綜合分析可以得出，在低溫（小于50 ℃）時(shí)，鹽水的腐蝕性明顯高于自來(lái)水；在溫度升高到80 ℃的過(guò)程中，隨著溫度的升高碳鋼在含氧量較高的自來(lái)水中腐蝕速率明顯加快，而在溫度超過(guò)繼續(xù)升高超過(guò)80 ℃之后，由于溶液中溶氧量急劇減少，腐蝕速率會(huì)迅速降低人，如圖2所示變化規(guī)律。

由表3中可以看出，蒸餾水中含有9.64 mg/L的氧氣，但由于沒有電解質(zhì)，溶液導(dǎo)電性能差，即使含有較高濃度的氧，腐蝕速率仍較低。因此鉆井液中氧對(duì)于金屬鉆具的腐蝕除與氧濃度有關(guān)之外，還與鉆井液中的電解質(zhì)濃度有關(guān)。電解質(zhì)濃度越高，在含氧鉆井液中鉆具的氧腐蝕越明顯。

2.3 硫化氫對(duì)鉆具的腐蝕作用

鉆井液中的硫化氫主要以兩種方式對(duì)鉆具產(chǎn)生破壞：腐蝕作用和氫脆作用。當(dāng)硫化氫侵入鉆井液中與水形成弱酸，對(duì)金屬鉆具造成一系列電化學(xué)失重腐蝕，大大降低了鉆柱的強(qiáng)度及疲勞壽命；而腐蝕作用不斷產(chǎn)生的氫氣聚集在金屬表面，以原子氫的形態(tài)滲入鉆具材料內(nèi)部在應(yīng)力集中處結(jié)合成氫氣產(chǎn)生很高的壓力，造成晶體間的鍵斷裂，最終造成鉆具材料延展性減弱而呈脆性破壞的現(xiàn)象為氫脆[6]。下面對(duì)硫化氫腐蝕影響因素進(jìn)行分析。

2.3.1 硫化氫濃度

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明[7]，在中性及堿性溶液中， 以 和 的形式存在，在鉆井液中加入低濃度 時(shí)不會(huì)加快腐蝕速率，但加入高濃度 后會(huì)大幅度影響溶液pH值，加速氫的去極化作用，加速腐蝕。以Q235鋼例，其腐蝕速率與 濃度關(guān)系見表4。

同時(shí)，硫化氫的存在會(huì)使氫維持原子形態(tài)，并且?guī)椭鷼湓颖晃战饘倬Ц裰?，大大加快了氫脆作用，因此硫化氫的濃度越高，氫脆現(xiàn)象越明顯。

2.3.2 pH值

pH值對(duì)鉆井液中硫化氫含量的影響較大，如圖3所示，在pH值為6～10的范圍內(nèi)，硫化氫含量急劇下降，說(shuō)明參加反應(yīng)的硫化氫隨pH值得增加而減少。由此可知此范圍內(nèi)的腐蝕現(xiàn)象和氫脆作用也明顯減輕。

圖3 硫化氫濃度與pH值關(guān)系曲線

Fig.3 The curve of H2S concentration and pH

2.3.3 溫度

Q235鋼在硫化氫水溶液中的腐蝕速率如圖4所示，可以看出在硫化氫水溶液中，溫度越高，腐蝕速率越快，即溫度升高會(huì)加快鉆井液中硫化氫對(duì)鉆具的腐蝕速率。這個(gè)規(guī)律也符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式。

3 建議的鉆具防腐措施

3.1 使用防腐涂層鉆具

在鉆具內(nèi)壁涂以防腐涂層，將腐蝕介質(zhì)與鉆具金屬分離，可有效減緩鉆具的腐蝕[8]。

3.2 控制pH值

通常將鉆井液的pH值控制在8～11之間，維持一個(gè)較弱的堿性環(huán)境是由于它可減輕對(duì)鉆具的腐蝕；可預(yù)防因氫脆而引起的鉆具和套管的損壞[9]。

3.3 添加除氧劑

由于鉆井液中的溶解氧是鉆具氧腐蝕的主要原因，因此在鉆井液中添加除氧劑可以有效降低鉆具氧腐蝕造成的危害，國(guó)內(nèi)外廣泛使的除氧劑為亞硫酸鹽。

3.4 添加除硫劑

在鉆井液體系中添加除硫劑可以有效保持體系的穩(wěn)定性，減緩其對(duì)鉆具的腐蝕。目前主要的除硫劑有鋅基和鐵基兩大類[10]。

4 結(jié) 論

由以上分析可得出如下結(jié)論：

（1）鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕多種多樣，主要可分為電化學(xué)腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕等，其影響因素多種多樣。