高溫鉆井液多因素腐蝕研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

單文軍，岳偉民，李艷寧，蔣官澄，孫金聲

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083）

深部地質(zhì)能源（干熱巖、頁巖油）和礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)是維持國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的保證。鉆井施工是探明資源分布、儲量以及開發(fā)的必要手段，而鉆具腐蝕是鉆井施工中普遍存在的問題。隨著地質(zhì)鉆井向高溫、深井方向發(fā)展，鉆具腐蝕帶來的問題日趨嚴(yán)重，它不僅僅影響鉆具使用壽命，增加鉆探成本，而且常常引起鉆具的疲勞、斷裂等，從而導(dǎo)致復(fù)雜井內(nèi)事故。據(jù)資料報(bào)道，國外每鉆進(jìn)0.348 m 鉆具的損耗約為1 美元，其中（大多）歸因于腐蝕引起。由此可見，開展鉆具腐蝕與防護(hù)的研究對于鉆進(jìn)安全、效率和成本控制具有重要意義。

目前，深井超深井鉆具腐蝕的研究不足之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)評價(jià)方法存在很多不確定性因素，在電化學(xué)腐蝕評價(jià)方法中，只對含電解質(zhì)鉆井液適用，缺少定性、定量評價(jià)方法研究及其作用機(jī)理研究；（2）地質(zhì)鉆探高溫水基鉆井液多組分處理劑之間相互作用較大，對鉆具腐蝕性影響規(guī)律缺乏綜合多因素協(xié)同研究，目前主要是單一因素評價(jià)鉆井液的腐蝕效率研究；（3）高溫高壓環(huán)境下對處理劑腐蝕性影響、腐蝕效率等研究較少。高溫高壓條件下鉆井液處理劑活性增加，加速了鉆具及設(shè)備的腐蝕性，需要綜合考慮不同溫度、不同壓力條件下腐蝕性試驗(yàn)研究；（4）鉆井液緩蝕劑評價(jià)方法需要進(jìn)一步改進(jìn)，對鉆井液緩蝕劑的優(yōu)選及防腐蝕鉆井液研究缺少動(dòng)靜態(tài)因素，實(shí)際模擬鉆井過程中流體靜止或在循環(huán)流動(dòng)時(shí)腐蝕率或緩蝕率進(jìn)行評價(jià)研究。

隨著地質(zhì)鉆探廣度和深度的發(fā)展，高溫鉆井液在地質(zhì)鉆井中的使用日趨增加，特別是深井、超深井以及干熱巖鉆井等領(lǐng)域，鉆進(jìn)中高溫高壓鉆井液對鉆具的腐蝕較常溫常壓下更為復(fù)雜。本文詳細(xì)介紹了地質(zhì)鉆探高溫鉆井液多因素鉆具腐蝕國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了淺析，以期對我國相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展起到一定啟示作用。

1 國內(nèi)外高溫鉆井液腐蝕技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外高溫鉆井液腐蝕研究現(xiàn)狀

國外自20 世紀(jì)30 年代初就關(guān)注鉆具腐蝕問題并開始研制鉆井液緩蝕劑產(chǎn)品。此時(shí)，針對單組分或單因素鉆井液鉆具的腐蝕機(jī)理得到了較為系統(tǒng)的研究，但是，多因素多組分同時(shí)相互作用協(xié)同機(jī)理還沒得到廣泛關(guān)注，且目前鉆具腐蝕研究主要集中在緩蝕劑領(lǐng)域。在鉆具腐蝕評價(jià)方法上主要采用實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)法和金屬失重法，且側(cè)重于腐蝕速率或結(jié)果評價(jià)，對腐蝕微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)致的鉆具材料性能變化評價(jià)未見報(bào)道。

對于氧含量引起的鉆具腐蝕，James E.Donham 研究了鉆桿腐蝕的化學(xué)控制問題，使用有機(jī)胺類化合物、除氧劑亞硫酸鹽、磷酸鹽、磷酸脂類等來防止鉆井液對鉆桿的腐蝕，效果較好。Bellos 等合成的多羥基烷氧基磷酸鹽，該緩蝕劑適用于含氧量較高的鉆井液體系。當(dāng)緩蝕劑用量在2 500～3 000 mg/L，pH 值在6.0～8.5，該磷酸鹽可以控制均勻腐蝕，而且對點(diǎn)蝕也有較好的作用。侯彬1]發(fā)現(xiàn)由烷基嗎啉、飽和二元羧酸、醇胺和一些表面活性劑復(fù)配起來，可用做除氧的介質(zhì)緩蝕劑。

高溫深井方面，Y.Tomoe[2]研究了直鏈型烷胺醇類緩蝕劑在深井中對鉆桿的緩蝕作用，結(jié)果表明該類緩蝕劑在沒有二氧化碳的情況下，有較好的緩蝕效果，但是在鉆井液中含有二氧化碳時(shí)會(huì)加速鉆井液對鉆桿的腐蝕。Wu[3]發(fā)現(xiàn)將酚類化合物和能產(chǎn)生氫氧根的化合物聯(lián)合使用，可將溶液的pH 提高到9，在水基鉆井液和泡沫鉆井液，特別是在高溫情況下使用效果更好。

Ahmad Dadgar[4]將硫氰酸鈉、異抗壞血酸鈉和巰基乙酸氨復(fù)配的緩蝕劑用于高密度無固相鉆井液，效果顯著。在由ZnBr2和NaBr 配制的密度為2.0 g/cm3的高密度鉆井液中，187 ℃下，硫氰酸鈉、異抗壞血酸鈉和巰基乙酸氨用量分別為0.4%、0.8%和0.6%時(shí)，緩蝕率達(dá)到95.18%。

Walker 等[5]提出含磷的烷氧基多元醇具有較好緩蝕效果，雖然此類化合物有很好的緩蝕性能，但是這些含磷緩蝕劑容易吸附在固體顆粒表面，改變鉆井液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。如果在原有配方中加入鈍化劑（亞硝酸鹽或鉬酸鹽），可在不影響鉆井液性能的同時(shí)提高含磷緩蝕劑的緩蝕效率。當(dāng)緩蝕劑用量達(dá)到450 mg/L時(shí)，其緩蝕效率達(dá)到85%。

1.2 國內(nèi)高溫鉆井液腐蝕研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于鉆井液緩蝕劑材料的研究較多，而針對鉆井液對鉆具腐蝕評價(jià)方法以及腐蝕規(guī)律與機(jī)理的相對較少，且大部分都集中在單因素腐蝕機(jī)理研究（如一價(jià)、二價(jià)離子及有機(jī)鹽腐蝕機(jī)理研究），但多因素協(xié)同腐蝕機(jī)理研究很少（尚未見到多種一價(jià)、二價(jià)離子及多種電解質(zhì)協(xié)同腐蝕作用機(jī)理研究）。

沈長壽等[6]研制出一種以有機(jī)脂類化合物為主鉆具抗氧緩蝕劑KO-1，適用于鹽水、淡水、聚合物鉆井液等。在60 ℃下，利用轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)法研究了該緩蝕劑在鹽水鉆井液中緩蝕性能，該緩蝕劑在用量為7 500 mg/L時(shí)，緩蝕效率超過86%。沈長壽[7]研制的抗氧緩蝕劑CT2-13 可用于高溫深井作業(yè)，在加量為1.5～4 g/L、高溫120 ℃條件下，腐蝕速率＜0.62 mm/a，緩蝕率＞80%。

唐善法等[8，9]利用極化電阻法和動(dòng)態(tài)腐蝕模擬法測定了五種緩蝕劑在鈉鹽和復(fù)合鹽水中的緩蝕性、抗氧性和耐溫性，篩選出緩蝕劑TPC 和TPA，將兩種組分按照2:1 復(fù)配，再配入適量的除氧劑即形成復(fù)合緩蝕劑DFP，在兩口井現(xiàn)場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)緩蝕率在80%以上，與飽和復(fù)合鹽水鉆井液配伍性良好。

方慧等[10]討論了無固相鹽水體系及飽和鹽水加重鉆井液體系對鉆桿的腐蝕問題。介紹了一種以咪唑啉生物為主的復(fù)合型緩蝕劑PF-I，PF-I 緩蝕劑成膜能力強(qiáng)，能有效地抑制鹽水及加重鹽水鉆井液對鉆具的腐蝕。

曹殿珍等[11]合成了烯炔醇基、氨基的季銨類化合物，研制了IMC-1 緩蝕劑。在85 ℃下，緩蝕劑濃度為60～70 mg/L 時(shí)，緩蝕率達(dá)到80%。

趙福祥等[12]合成了咪唑啉衍生物，和除氧劑、有機(jī)硫化物和有機(jī)磷類緩蝕劑等復(fù)配，制成DPI-03 型鉆井液緩蝕劑。在室內(nèi)動(dòng)態(tài)滾輪試驗(yàn)結(jié)果表明溫度為100 ℃和120 ℃，CO2壓力為1 MPa 時(shí)，緩蝕效率可以達(dá)到90%和80%以上。該緩蝕劑對鉆井液的性能無不良影響。吳修斌等[13]研制出了聚合物鉆井液用復(fù)合緩蝕劑ZH-1，該緩蝕劑以成膜型緩蝕劑Nm-1 與除氧劑亞硫酸鈉等復(fù)配。旋轉(zhuǎn)掛片失重法結(jié)果表明在Nm-1 0.06%+Na2SO30.1%+SAS 0.5%復(fù)合配方中，緩蝕率達(dá)到80%以上，現(xiàn)場試驗(yàn)中采用腐蝕試驗(yàn)環(huán)法發(fā)現(xiàn)ZH-1 對鉆桿的緩蝕效率高達(dá)60%以上。

鄒家素等[14]利用失重法，電化學(xué)法和掃描電鏡法研究了自制復(fù)合緩蝕劑（壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯、聚磷酸鹽、羥基乙叉二膦酸（HEDP）、硫酸鋅（ZnSO4）、葡萄糖酸鈣（CaGL）對G105 鋼在高溫海水中的緩蝕性能及緩蝕效果。結(jié)果表明：當(dāng)緩蝕劑濃度為150 mg/L，70 ℃時(shí)的緩蝕率達(dá)98.0%，90 ℃為95.2%。

宋學(xué)鋒等[15]利用動(dòng)態(tài)掛片裝置、調(diào)溫調(diào)濕箱和電化學(xué)儀器等，通過改變磺化鉆井液溫度、流速、Cl-含量、腐蝕時(shí)間、磺化鉆井液pH 值和濕度等條件，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高磺化鉆井液溫度、流速、增加Cl-含量都能增加磺化鉆井液的腐蝕速率，延長腐蝕時(shí)間，提高pH 值能降低腐蝕速率，提高濕度會(huì)增加試片的腐蝕速率。

在評價(jià)方法方面：在國內(nèi)除了采用常規(guī)的電化學(xué)法和金屬失重法，還采用了極化電阻法、靜態(tài)失重法、試片旋轉(zhuǎn)法、試液循環(huán)流動(dòng)法等。

四川石油管理局天然氣研究所203 組采用了旋轉(zhuǎn)試液掛片法和滾柱爐掛片法，考察開式和閉式系統(tǒng)中影響鉆井液對鉆桿鋼片腐蝕速率的有關(guān)因素，優(yōu)選了方法的試驗(yàn)條件，并在選定的條件下考察了方法對緩蝕劑緩蝕效果的鑒別力。西南石油學(xué)院華明琪等[16]利用方差分析法研究泥漿組成時(shí)鉆具腐蝕性的影響，并以一種聚合物鉆井液泥漿為例研究了其中聚合物、碳酸根離子、氯離子和溶解氧對泥漿腐蝕性的影響。江漢石油學(xué)院唐善法以動(dòng)態(tài)模擬腐蝕失重法、電化學(xué)極化電阻法和線性極化曲線法就江漢油田常用復(fù)合鹽鉆井液添加劑對鉆具腐蝕的影響進(jìn)行了研究，研制了緩蝕劑DFP，緩蝕率達(dá)80%以上。

2 需要進(jìn)一步開展的工作

國內(nèi)外研究鉆井液對鉆具腐蝕性多集中在緩蝕劑篩選方面[17-24]，對多因素協(xié)同作用對鉆具腐蝕問題的機(jī)理研究較少。因此，需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究。

2.1 建立鉆井液腐蝕動(dòng)態(tài)評價(jià)方法和體系

在靜態(tài)腐蝕評價(jià)基礎(chǔ)上，應(yīng)通過設(shè)計(jì)構(gòu)建多功能液體腐蝕試驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)靜、動(dòng)態(tài)結(jié)合腐蝕率評價(jià)，完善鉆井液處理劑在模擬鉆井過程中動(dòng)態(tài)腐蝕測試。針對不同因素條件下鉆井液處理劑對鉆具腐蝕情況，應(yīng)采用極化電阻法、靜態(tài)失重法、試片旋轉(zhuǎn)法、試液循環(huán)流動(dòng)法綜合評價(jià)鉆井液的腐蝕性，并對試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。進(jìn)一步通過將鉆具材料腐蝕前后物化特性變化加入鉆井液腐蝕評價(jià)，完善鉆井液腐蝕評價(jià)體系。

2.2 地質(zhì)鉆探高溫鉆井液處理劑多組分腐蝕機(jī)理研究

應(yīng)通過優(yōu)選地質(zhì)鉆探鉆井液處理劑，在單組分處理劑腐蝕性研究基礎(chǔ)上，對兩組分或多組分處理劑的腐蝕性進(jìn)行評價(jià)，研究其協(xié)同腐蝕及相關(guān)作用機(jī)理，獲得無機(jī)、有機(jī)處理劑，含氧量、酸堿度等參數(shù)對鉆具材料腐蝕后抗壓、抗拉強(qiáng)度等性能的影響。

2.3 高溫高壓環(huán)境下鉆井液腐蝕性機(jī)理研究

應(yīng)通過設(shè)計(jì)高溫高壓腐蝕性測試平臺，考察不同溫度、不同壓力條件下鉆井液處理劑腐蝕性變化規(guī)律。進(jìn)一步研究溫壓多因素條件下處理劑腐蝕性變化規(guī)律，對磺酸基鉆井液、聚合物鉆井液等抗高溫鉆井液體系中處理劑腐蝕作用及協(xié)同機(jī)制，為探索緩蝕材料及試驗(yàn)參數(shù)提供理論支持。

3 結(jié)語

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)和資料來看，國內(nèi)外抗高溫鉆井液技術(shù)有了很大的發(fā)展，研究了大量的處理劑和鉆井液配方。目前，耐高溫抗污染鉆井液體系可抗200 ℃高溫，但其抗鹽能力卻不超過5%。因此，從目前抗高溫抗污染鉆井液研究來看，還難以滿足未來的深井和超深井鉆探需要。對我國未來準(zhǔn)備實(shí)施的萬米科學(xué)鉆探，更是面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，在耐高溫200 ℃以上抗污染鉆井液的作用機(jī)理、造漿材料、處理劑、高溫抗飽和鹽水鉆井液體系、耐高溫檢測儀器等方面仍需要開展大量的研究工作。