气井防腐

气井防腐二○一○年十一月目录•前言•第一节气井腐蚀因素分析•第二节气井腐蚀评价参数及方法•第三节气井防腐方法•第四节气井的腐蚀监控技术前言•腐蚀是金属材料与其所处的自然环境交互作用产生的物理化学现象。•气井的防腐设计，是指在进行气井结构设计时，在保证气井安全稳定生产，满足气井的强度安全设计的基础上，充分考虑到气井油套管材料所处的腐蚀环境以及防腐蚀的技术要求,并进行合理的油套管选材、防腐蚀处理和改进井筒管串结构的设计。•由于气井中油套管管柱所处的的腐蚀环境、腐蚀介质及负载的影响因素众多，且各因素间往往存在着相互关联和交互作用，因此在气井设计工作中做好防腐设计,对于气田的安全开发具有重要的理论与实际意义。第一节气井腐蚀因素分析1．气井中的腐蚀环境1）气井中的腐蚀介质•（1）水介质：气井中的电化学腐蚀过程的进行是以水的存在为必要条件的•（2）气井水中的矿化度:造成油套管和采气装备腐蚀的介质还包括气井水的矿化度，及溶解在上述水中的无机盐离子、溶解氧及酸性气体等。•（3）气井环境条件：气井不同部位的压力、温度、流态及流场以及相应引起的天然气系统相态变化•（4）气井开采过程中，腐蚀性组分含量的变化；包括随气田开采期的延长，地层水含量的增加，以及H2S与CO2等酸性气体含量随气田开采期延长而增加[1]等；2）湿天然气环境•（1）湿H2S环境：湿H2S环境可以定义为：H2S溶解于水中形成的溶液和含H2S水蒸气的总称•（2）湿CO2环境：湿CO2环境为CO2溶解于水中形成的溶液和含CO2水蒸气的总称。•（3）湿H2S与CO2环境：H2S与CO2溶解于水中形成的溶液和含H2S与CO2水蒸气的总称。3）H2S与CO2在气井中的相态H2S与CO2在不同的温度压力条件下，会处于不同的物相状态。CO2临界点温度、压力为：31.6℃、7.39MPa；H2S的临界点温度、压力为：100.45℃、9.00MPa。图6-1H2S与CO2的状态随温度压力4）气井中的溶液与薄液腐蚀天然气中携带水中H2S与CO2酸性气体的溶解量，也是受酸性气体自身所处的环境条件（包括温度、压力等）及自身相态的不同而变化。图6-2H2S与CO2在水中溶解度随温度条件变化图[5,6]图6-330、60、90、120、150°C硫化氢在水中溶解度随压力变化曲线图6-490、120、150和180°C时硫化氢与水混合物露点随压力变化曲线•采气工程中井下的高温高压含的湿天然气中的水蒸气，在天然气开采过程中，随着从井底向井口提升过程温度压力的降低，当达到其压力露点时就会以凝析水的形式，在油套管管壁上析出，并通过吸附和润湿作用在油套管壁上形成溶有硫化氢等酸性气体的不连续的薄液膜。•含的湿天然气薄液层下的金属腐蚀过程，主要受氢去极化控制,其腐蚀过程与溶液相比有很大差异。•但是，目前国内外对于采气工程中酸性湿环境对于金属材料的腐蚀规律及防护技术的研究，几乎全部是在溶液的条件下进行的但由于在薄液条件下的湿酸性环境中，油套管和井口装置的腐蚀研究受测试条件的限制，应该说这是目前天然气工业中的腐蚀与防护工作的一大缺憾。5）气井中的元素硫腐蚀高含硫化氢天然气藏常常伴有元素硫存在。元素硫可能在近井地带析出和堵塞，造成储层损害，使产量降低。温度高于88～93℃时，硫化氢与元素硫反应，生成聚硫化氢。随着温度、压力的降低，聚硫发生分解，生成元素硫。反应式为：H2Sx→H2S+S（x－1）这个反应是一个动态的化学平衡反应，高压使反应向左进行，低压向右进行。在井眼上部、流道截面变化，特别是节流阀后方，不流动区域，压力降低及流场变化会使反应向右进行，即硫析出和沉积。，元素硫在金属表面沉积，在接触处元素硫可能加速阳极反应过程。主要的腐蚀机理可能是金属表面保护性硫化物钝化膜的稳定性降低，增加了腐蚀速度。2．气井中的腐蚀类型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。在采气工程中化学腐蚀的一个例子是酸化过程中油套管钢的金属表面与酸化中酸液的接触产生的化学腐蚀。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。图6-5电化学腐蚀的过程示意图2）电化学腐蚀电化学腐蚀可以表现为均匀腐蚀和局部腐蚀两种形式。•（1）均匀腐蚀（UniformCorrosion）：均匀腐蚀又称全面腐蚀，是指在整个金属材料表面上以比较均匀的方式发生的腐蚀现象。•（2）局部腐蚀（LocalCorrosion）：又称为非均匀腐蚀，是发生在金属材料的某些局部的点或区域的电化学腐蚀。3）气井腐蚀中的局部腐蚀种类•（1）点蚀（Pitting）：点蚀又称点腐蚀、小孔腐蚀或孔蚀，其特征是表面几乎无腐蚀的情况下形成许多小孔，孔的深度往往大于孔的直径，严重时发生穿孔。•（2）电偶腐蚀（Galvaniccorrosion）：也叫异种金属的接触腐蚀（BimetallicContactcorrosion），是指两种具有不同电位能级的材料在与周围环境介质构成回路的同时，也构成了电偶对。•（3）缝隙腐蚀（Crevicecorrosion）：金属产生缝隙腐蚀必须具备两个条件：第一要有危害性的阴离子，如氯离子等；第二要有缝隙，且其缝宽必须使侵蚀液能进入缝内，同时能使液体在缝内停滞。•（4）环境断裂（environmentassistedfracture）：在油管、套管和地面装置中由于腐蚀环境可能会出现一种突发性的破坏现象，称为环境断裂。•（5）应力腐蚀（stresscorrosion）：金属材料在应力和化学介质的协同作用下，导致滞后开裂或断裂的现象称为“应力腐蚀断裂”。•（6）腐蚀疲劳（corrosionfatigue）：当金属在腐蚀环境中遭受循环应力时，在给定应力下引起损坏所需要的循环次数减少，这种通过腐蚀而使得疲劳加速的现象称为腐蚀疲劳。•（7）流动诱导腐蚀（Flowinginductioncorrosion）：流动诱导腐蚀是流体流过壁面时，在近壁处形成湍流边界层，在边界层内涡流的形成和演变造成对壁面的冲击和剪切。•（8）冲刷腐蚀（erosion-corrosion）：冲刷腐蚀可以包含在流动腐蚀类型中。但是在更严格的概念意义上，冲刷腐蚀主要指流动的机械力破坏金属的保护膜。•（9）空泡腐蚀（vacuole-corrosion），又称为气蚀，是在流体流动过程中，流场发生突变，产生较大的扰动，在局部低压区域形成气泡或者气穴，气泡或者气穴在高压区域迅速破灭而造成的一种局部腐蚀。•（11）杂散电流腐蚀（straycurrentcorrosion）：另外输送管或油气井套管外部可能存在杂散电流腐蚀，它可以是大地电流，也可以是阴极保护的杂散直流电流，这种电流所造成的腐蚀在某些条件下可能会非常严重。4）气井的酸性腐蚀在气田开发油套管和采气装备的腐蚀中，危害性最大的是由H2S与CO2等酸性气体引起的腐蚀，通常被称为气田的酸性腐蚀。•①H2S腐蚀（sourcorrosion）•②CO2腐蚀（sweetcorrosion）•③H2S与CO2腐蚀H2S对油套管以及采气装备中的钢铁材料的氢损伤（包括：氢鼓泡-HB、氢致开裂-HIC、氢应力腐蚀-HSC、应力导向氢致开裂-SOHIC、硫化物应力开裂-SSC含硫环境的微生物诱导腐蚀-MIC等）。二、气井中的硫化氢腐蚀含H2S的天然气被称为酸性天然气，在含H2S的天然气环境中气井油套管和采气装备的腐蚀被称为酸性腐蚀。1、H2S腐蚀的类型1）H2S导致的均匀腐蚀（1）H2S导致的全面腐蚀：在采气过程中H2S对油套管及井口装置的均匀腐蚀是指：在湿环境条件下，H2S对金属材料表面进行的全面的电化学腐蚀。（2)H2S全面腐蚀的产物膜:对油套管钢在含H2S环境中均匀腐蚀表面形成的腐蚀产物膜，其通式可用FexSy表示，这种腐蚀产物膜的化学构成，与钢的种类、化学成分和组织结构、腐蚀介质溶液中的其它成分及溶液的pH值、温度、压力等都有密切的关系。图6-6NT80SS钢饱和H2S溶液中腐蚀表面的SEM图图6-6为为NT-80SS油套管钢钢在10Mpa、60℃条件下在罗家寨地层水环境中的饱和H2S溶液中腐蚀72小时的钢材表面的扫描电镜照片。2）H2S导致的局部腐蚀（LocalCorrosion）局部腐蚀（LocalCorrosion）又称为非均匀腐蚀，是金属材料最常见的最主要的腐蚀损坏形式之一。(1)H2S导致的点蚀（PittingCorrosion）:图6-7NT80SS钢饱和H2S溶液中点蚀SEM图在含有H2S气田采气工程中，油套管和采气工程装备用钢中在富含Cl-的湿环境中，常常发生在腐蚀产物膜覆盖下的闭口点蚀现象。（2）H2S导致的氢损伤（HydrogenDamage）:氢损伤指得是这样的一些过程，由于金属中氢的存在，并经常是和构件中的残余应力或者外加应力相互作用，导致的金属材料的承载能力降低的物理现象。①H2S导致的氢鼓泡（HydrogenBlister-HB）：氢鼓泡是含H2S气田采气过程中，油套管和采气装备出现的氢损伤中的一种。图6-8钢的氢鼓泡示意图图6-9工业纯铁充氢后表面出现的氢鼓泡的扫描电镜照片②H2S导致的氢致开裂（HydrogenInducedCracking-HIC）：氢致开裂是含硫气田油套管和采气装备氢损伤的另外一种形式。是由于钢材吸收腐蚀过程产生的氢后,导致钢材内部发生的氢诱发开裂的损伤形式。氢致开裂也可以看成是在钢材内部发生氢鼓泡的区域，氢的压力继续增高时，单个的鼓泡趋向于相互连接，形成有阶梯状特征的氢致裂纹。对于产生氢致开裂的环境因素主要包括环境介质中的H2S含量（H2S的分压）对于氢渗透的影响;环境的酸度对氢渗透的影响规律为:pH值下降，氢的渗透率增加，使HIC的敏感性增加;另外环境介质中含有的CI-，在pH值为3.5-4.5的范围时，CI-的存在使腐蚀速度加快，相应HIC敏感性随之增大。除了环境因素之外，钢材自身的化学成分、冶金质量、组织结构对于钢材的氢致开裂.有着直接的影响。3）H2S导致的应力腐蚀开裂（SSCC）金属材料在拉应力或材料内部残余应力作用下，在含硫的酸性腐蚀环境中，很容易发生低应力下无任何先兆的突发性断裂。人们把金属材料在硫化物环境中的腐蚀和拉伸应力(远低于屈服应力)的联合作用下所发生的延迟断裂现象通称为硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。(1)硫化物应力开裂（SSC）：硫化物应力开裂是氢应力开裂(HSC)的一种形式，它与在金属表面的因酸性腐蚀所产生的原子氢引起的金属脆性有关。产生这种硫化物应力开裂的原因是由于在湿H2S环境中，在拉应力的作用条件下，拉应力会促进H2S分子在钢表面发生腐蚀电化学反应的阴极反应形成的氢原子渗入钢材内部，溶解于晶格之中导致氢脆造成的，金属材料表面吸收的原子氢能扩散进金属，降低金属的韧性，增加了材料的裂纹敏感性。4)H2S环境中的应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking-SCC）：应力腐蚀开裂(SCC)是金属材料腐蚀介质和拉伸应力的联合作用下的一种低应力腐蚀破裂行为，是所有金属材料的腐蚀损坏中最严重、危害性最大的的一种的腐蚀形态。图6-10应力和环境对应力腐蚀破裂的协同作用在H2S环境下的应力腐蚀系统中，应力和腐蚀的作用是相互促进的，而不是简单的叠加金属材料在材料成分和组织因素的影响：环境中产生应力腐蚀与一般应力腐蚀相同，必须具备的条件包括：对应力腐蚀敏感的合金(材料因素Materialsfactors)、特定的腐蚀介质(环境因素Environmentfactors)和作用在构件上的一定的应力水平(力学因素Mechanicalfactors)。图6-11应力腐蚀的三个基本条件(4)应力腐蚀敏感的合金:对应力腐蚀敏感的合金是指具有一定的化学成分和组织结构的金属材料，在一些介质中对应力腐蚀具有敏感性。•特定的介质是指对某一种敏感合金而言，必须有一种或一些特定介质与它相匹配，才能产生应力腐蚀。•一定的应力水平。如果金属材料支撑的构件所承受的应力没有达到一定的水平，那么即使有敏感的材料和