二氧化碳吞吐腐蝕機(jī)理及防治措施

黨曉麗 張啟龍 周思同

摘 要：油田淺層區(qū)塊已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，綜合含水達(dá)到80%以上，高含水井的比例逐年增加，CO2吞吐和氮?dú)馀菽滤夹g(shù)作為高含水開(kāi)發(fā)階段重要的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)，在油田得到了大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)二氧化碳吞吐腐蝕認(rèn)識(shí)及防治尤為重要。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;吞吐;腐蝕機(jī)理;防治措施

一、二氧化碳吞吐腐蝕機(jī)理

1、CO2腐蝕機(jī)理研究

干燥的二氧化碳?xì)怏w本身是沒(méi)有腐蝕性的，CO2腐蝕是由于CO2溶于水生成碳酸而引起電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致管材發(fā)生腐蝕。

陰極反應(yīng)：

2H++2e=H2

pH<4 H+的擴(kuò)散是控制步驟

4

陽(yáng)極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e

反應(yīng)產(chǎn)物：Fe+ H2CO3= Fe CO3+ H2

2、CO2腐蝕影響因素分析

影響鋼的CO2腐蝕特性的因素很多，主要因素是管材材質(zhì)、CO2分壓、溫度、介質(zhì)組成、pH、流速、鋼鐵表面膜和載荷等， 其中CO2分壓、溫度、流速起著主要作用，可導(dǎo)致鋼的多種腐蝕破壞、高的腐蝕速度、嚴(yán)重的局部腐蝕、穿孔，甚至發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等。

①、腐蝕率與CO2分壓關(guān)系

對(duì)CO2分壓進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，隨著CO2分壓增加，腐蝕速率增大，這是因?yàn)榉謮涸酱螅苡谒芤旱腃O2比例越高，水溶液的pH越低，從而腐蝕加劇。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，二氧化碳分壓對(duì)腐蝕速度影響較大，隨著分壓的增加，二氧化碳的腐蝕速度隨之增大。

②、腐蝕率與溫度關(guān)系

在一定的溫度范圍內(nèi)，碳鋼在二氧化碳水溶液中的腐蝕速度隨溫度的升高而增大，當(dāng)碳鋼表面形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜時(shí)，碳鋼的溶解度隨溫度的升高而降低，前者加劇腐蝕，后者則有利于保護(hù)膜的形成以減緩腐蝕。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，腐蝕率隨溫度的升高而升高，在60-110℃時(shí)腐蝕率達(dá)到最高，之后逐步下降。

③、腐蝕率與流速的關(guān)系

流體對(duì)管道內(nèi)壁沖刷，除了使管道承受一定的沖刷力、促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的物質(zhì)交換外，還將抑制致密保護(hù)膜的形成，影響緩蝕劑作用的發(fā)揮，必然會(huì)對(duì)腐蝕速率有一定的影響。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，腐蝕率隨流速的增加而增大。

2、腐蝕監(jiān)測(cè)

井筒腐蝕監(jiān)測(cè)手段—井徑成像

多臂成像井徑儀采用陣列型觸點(diǎn)與套管內(nèi)壁直接接觸，有效獲取套管內(nèi)壁成像等資料，實(shí)現(xiàn)套管腐蝕、變形或金屬損失等測(cè)量，通過(guò)等距等方位排列觸點(diǎn)，還可降低偏心效應(yīng)的影響。

3、防治措施

①井筒防腐蝕應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合周邊油田的防腐治理情況，參考相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在腐蝕監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，主要是采用了添加緩蝕劑和電化學(xué)防護(hù)兩種防腐技術(shù)。

緩蝕劑防腐技術(shù)

由井口向油套環(huán)空注入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑通過(guò)其分子上極性基團(tuán)的吸附作用，吸附在套管壁和油管外表面。

保護(hù)原理：

一是通過(guò)改變金屬表面的電荷狀態(tài)和界面性質(zhì)，使金屬表面的能量狀態(tài)趨于穩(wěn)定化，減慢腐蝕速度（能量障礙）。

二是緩蝕劑上的非極性基團(tuán)，在金屬表面形成一層疏水性保護(hù)膜，阻礙著與腐蝕反應(yīng)有關(guān)的電荷或物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，減低腐蝕速度（移動(dòng)障礙）。

緩蝕劑防腐技術(shù)特點(diǎn)：

緩蝕劑防腐是目前廣泛采用的二氧化碳腐蝕的防治措施。可以有效抑制二氧化碳對(duì)鋼鐵材質(zhì)的腐蝕，而且操作簡(jiǎn)單、成本低廉，防護(hù)效果較好。

緩蝕劑的防護(hù)效果具有選擇性，要根據(jù)腐蝕體系選擇相適應(yīng)的緩蝕劑。

為了保證緩蝕劑使用效率，應(yīng)對(duì)油井的防護(hù)效果進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，根據(jù)油井液量的變化，及時(shí)調(diào)整緩蝕劑用量。

緩蝕劑防腐技術(shù)效果

開(kāi)展緩蝕劑篩選評(píng)價(jià)和加藥濃度的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)出緩蝕劑濃度達(dá)到200ppm時(shí)，緩蝕率可達(dá)到80%，并且隨著濃度增加，緩蝕率趨于平穩(wěn)。

陰極保護(hù)技術(shù)

保護(hù)原理

原電池原理，利用兩種電極金屬性不同，產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)犧牲鋁等活性金屬陽(yáng)極，保護(hù)井下管柱

②、桿管腐蝕應(yīng)對(duì)措施

現(xiàn)場(chǎng)主要是在井下生產(chǎn)管柱上加裝防腐阻垢管和抽油桿防腐器，對(duì)油管內(nèi)壁和抽油桿進(jìn)行防腐。防腐管柱主要成分為鋁、鋅等較為活潑的金屬材料，它們的電極電位遠(yuǎn)低于油套管的鋼鐵金屬，起到陰極保護(hù)作用。

同時(shí)鋁、鋅等金屬在水溶液中可形成大面積的氫氧化物，具有很強(qiáng)的吸附作用，在管壁上形成一層均勻的薄膜，進(jìn)一步阻止CO2對(duì)管壁腐蝕

③、泵腐蝕應(yīng)對(duì)措施——采用固定閥可拔式抽油泵

該泵采用雙泵筒、雙柱塞、雙閥爾結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、調(diào)整關(guān)鍵零部件材料、優(yōu)化零部件加工處理工藝，具有結(jié)構(gòu)合理，安全環(huán)保節(jié)能，防砂、防腐蝕、防氣鎖、除蠟效果好，抽吸油效率高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

該泵泵筒內(nèi)表面采用鍍鉻工藝，柱塞采用噴焊鎳基合金工藝，泵內(nèi)其它組件均采取了防腐蝕處理，整機(jī)工作部分具有良好的防腐蝕功能。

該泵由于結(jié)構(gòu)特殊，可實(shí)現(xiàn)正洗井也可以反洗井。在注氣和二氧化碳吞吐中，該泵可同時(shí)實(shí)現(xiàn)正注和快速帶壓組抽功能，這是其它桿式抽油泵難以實(shí)現(xiàn)的。

利用液力反饋的抽吸原理，提高了抽油泵整機(jī)抽吸功能?？梢詫?shí)現(xiàn)不提管柱，更換柱塞總成及固定閥總成。

該泵提管作業(yè)時(shí)，僅需把柱塞提至泵上即可完成泄油，避免造成地面井場(chǎng)污染，屬于清潔環(huán)保產(chǎn)品。

因該泵不需使用泄油器，僅把上柱塞提出泵上1.8米，即可泵上、泵下管柱連通，可解決作業(yè)區(qū)使用內(nèi)襯油管的油井因油管內(nèi)變徑，常規(guī)泄油器無(wú)法使用的難題。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和批量使用，該泵對(duì)出砂、防卡效果突出，正常情況下，泵效比常規(guī)泵提高30%以上，下井使用時(shí)間比常規(guī)泵提高50%以上。