气井的腐蚀与安全

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1、第十二章气井的腐蚀与安全提示本章的气井指天然气井，同时也泛指含伴生气的油井。油气井的腐蚀普遍存在，在某些地区腐蚀已影响到油气田的开发效益，严重的腐蚀还会造成有毒气体泄漏、井喷或地下井喷，造成重大公众安全和环境问题。作为天然气工业未来的工程师，学习和掌握天然气井的腐蚀现象、腐蚀机理和防腐蚀技术，如何在设计阶段和开发生产阶段去有效预防和控制腐蚀就显得十分重要和必要。本章重点介绍腐蚀机理、材料选用和防护设计。由于硫化氢腐蚀可能造成严重后果，本章将重点讨论含硫化气井的腐蚀和防腐。金属的腐蚀是自然现象，油气井的腐蚀与产出流体和注入流体中的腐蚀介质

2、、腐蚀环境及所使用金属材料的性质和结构等因素有关。各因素间存在交互作用，使井与井之间、同一口井的不同部位、同一口井的不同开采时间的腐蚀严重程度会有差异或差异较大。酸性气井的井喷或泄漏会导致有毒气体的逸散，这有可能造成不同程度的公众安全问题及环境伤害。因此本章将简要讨论气井的安全与防护。第一节气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类一、气井的腐蚀介质1.油气井产出物的腐蚀性组分硫化氢、元素硫及有机硫等含硫组分；二氧化碳；溶解氧气；含氯离子浓度较高的地层水或注水开采过程中回采的注入水；硫酸盐及硫酸盐还原菌、碳酸盐类。在同一口井中，上述腐蚀性组分常常会

3、同时存在。2.油气井注入物的腐蚀注入水：含溶解氧、细菌；增产措施：酸化作业时的残酸液、为提高采收率时注入的聚合物、注入的二氧化碳等；干气回注、回注气体中的二氧化碳；稠油热采注入的高温水蒸汽。3.非产层中的腐蚀介质非产层地层同样也会含有上述腐蚀性组分，固井质量差，或井下作业欠妥造成的产层间、产层与非产层间流体的窜流。二、气井的腐蚀环境油气井的腐蚀环境包括不同部位的压力、温度、流态及流场。这些因素又引起系统相态变化，变化过程伴有气体溶解、逸出、气泡破裂等，在流道壁面产生剪切及气蚀、机械力与电化学腐蚀协同作用，从而加剧了腐蚀。流道直径变化、流

4、向改变都会引起压力、温度、流态及流场变化，加剧腐蚀。在油气井开采过程中，腐蚀性组分含量常常是变化的。特别是随开采期的延长，地层水含量往往呈增加趋势，有时也会出现硫化氢含量随开采期延长而增加的现象。不同材料相接触或连接会产生电位差，有的地层或井段会与套管形成电位差，电位差是油气井的腐蚀环境的重要组成部分。油管、套管、采油树等所处的应力状态和应力水平也是重要的腐蚀环境。三、腐蚀分类和腐蚀机理金属和它所处的环境介质之间发生化学或电化学作用而引起金属的变质或损坏称为金属的腐蚀。油气井生产过程中的腐蚀机理可以归纳为以下类型：1、化学腐蚀2、电化学

5、腐蚀3、环境断裂和应力腐蚀4、流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀。1.化学腐蚀金属的化学腐蚀是指金腐表面与非电解质直接发生的纯化学反应，电子的传递是在金属与氧化剂之间快速完成的，没有产生腐蚀电流。化学腐蚀的一个例子是金属表面腐蚀保护膜，所谓不锈钢的本质是可生产致密、附着牢固的保护膜屏蔽层。但是大部分碳钢和低合金钢化学腐蚀保护膜疏松和附着力低，不能起到保护作用。自然界和工程技术中很少会有纯粹的化学腐蚀，腐蚀几乎都是电化学性质的。2.电化学腐蚀1）电化学腐蚀机理钢材与水、二氧化碳、硫化氢等介质接触时，金属在空气中已生成的保护性氧化膜会溶解在电解质溶液中

6、。钢材是良导电体，当白金属露出后，金属作为电的良导体与溶液作为离子的良导体组成了一个回路。带正电荷的铁离子趋向于溶解在电解质溶液中，生成铁盐。电子趋向于聚集在金属端，形成一定的电位差，使电子流向溶液。这是一个氧化反应过程，称为阳极反应，金属端称为阳极区。另一方面，进入溶液中的电子与氢离子结合，生成氢分子，这是一个还原反应过程，称为阴极反应，溶液端称为阴极区。在有氧环境中，生成氢氧根。铁原子以铁离子形式进入溶液，并以Fe2O3•（H2O）x、FeSx、Fe2CO3等形式存在。腐蚀产物可能在金属表面沉积，形成保护膜。保护膜的稳定性决定了腐蚀

7、是继续还是受抑制。图12－1表示上述电化学腐蚀的过程。图12－1电化学腐蚀示意图电化学腐蚀可以表现为均匀腐蚀和局部腐蚀两种形式。电化学腐蚀发生在整个金属表面，就称为均匀腐蚀。目前的腐蚀预测软件也主要是针对均匀电化学腐蚀开发的，均匀腐蚀较容易预测和预防，例如增加壁厚，留有腐蚀裕量。外加电场的阴极防护也主要是针对均匀腐蚀的。可以看出，均匀腐蚀不属于严重的腐蚀工况。因此以下将重点讨论局部腐蚀。电化学腐蚀发生在局部的点或区域，称为局部腐蚀。有两类边界接触条件会引起或加速局部电化学腐蚀：（1）电位能级差较大的两种金属间有电解质溶液，或直接接触并浸

8、没在电解质溶液中，会产生电位差腐蚀，或称电偶腐蚀。（2）金属内部缺陷或缝隙暴露在电解质溶液中会引起局部电化学腐蚀。上述边界条件衍生的电化学腐蚀会引起局部腐蚀穿孔或断裂，是造成油套管、抽油杆及设备腐蚀失效的主