抗腐蝕油井水泥漿體系研究與應用

孫麗

摘要：目前CO2和H2S對管材的腐蝕問題已引起油田關注。通過研制一種機械耐用、耐化學腐蝕的水泥配方，通過改善彈性來承受井內壓力變化引起的應力，從而有助于防止水泥環的損壞。從腐蝕機理出發，優化了水泥漿的設計、固井工藝以減輕水泥腐蝕。筆者針對井下管材的腐蝕情況，開展水泥環腐蝕機理和抗腐蝕水泥漿體系的研究，通過對水泥石抗壓強度、滲透率和腐蝕深度的測試，優選出能達到治“本”效果的一套抗腐蝕性水泥漿體系。

關鍵詞：酸性腐蝕性；低高密度水泥漿；固井封竄

針對CO2、H2S等酸性腐蝕性氣體對油氣井水泥環和套管腐蝕的問題，研制出了一種抗腐蝕劑FH-1。對水泥漿成型后的水泥石塊進行CO2、H2S抗壓強度、滲透率和腐蝕深度的測試，并分析其微觀結構，同時對該抗腐蝕劑的腐蝕機理進行了探討。試驗結果表明，抗腐蝕劑FH-1抗CO2、H2S等氣體的腐蝕能力強。優選出的低、高密度水泥漿配方具有良好的抗腐蝕性、防氣竄性、穩定漿體等性能，可滿足不同溫度、壓力條件下的固井及封竄作業需要。

1 抗腐蝕性水泥漿體系材料

1）微硅 微硅的主要成分為非晶態SiO2。在水泥石的孔隙中充填微硅顆粒，使水泥石變得密實，滲透率下降，強度提高，因此能夠阻止外部腐蝕介質侵入，達到防腐蝕的目的。2）硅粉 硅粉的主要成分為92.37%SiO2、0.27%AL2O3、0.8%Fe2O3、1.4%CaO、0.41%MgO、0.26%P2O5 （配方中的百分數為質量分數），密度為2.6g/cm3。硅粉加入，可以使水泥石中Ca（OH）2含量降低，另外，也改變了水泥體系的鈣硅比和水化產物的組分，使水泥石結構均勻、致密，孔隙孔徑變小，孔隙度降低，強度增加，滲透率降低，從而提高了水泥石的抗腐蝕能力。3）抗腐蝕劑FH-1 抗腐蝕劑FH-1是通過聚合反應生成水溶性高分子聚合物（分子量在2×104以下）。抗腐蝕劑FH-1為白色固體粉末，耐弱酸、弱堿，抗H2S腐蝕能力強。

2 室內試驗

1）試驗材料 嘉華G級水泥、重晶石、鈦鐵礦、微硅、粉煤灰、硅粉、降失水劑和BFN、分散劑SXY、消泡劑SD52和抗腐蝕劑FH-1。2）試驗配方 優選了10種水泥漿配方，見表1，該配方成型條件為常壓，溫度為60、90、120℃。3）研究方法 CO2和H2S環境下的腐蝕試驗。先讓水泥養護24H，然后水泥石再在CO2和H2S環境下腐蝕，即先成型后腐蝕。腐蝕環境中CO2質量濃度為50000Mg/L，H2S質量濃度為6000Mg/L，環境溫度為60～120℃，壓力為8～20MPa。試驗考察的內容包括：滲透率、抗壓強度的變化、腐蝕侵入深度、腐蝕后水泥石的微觀形態等。

3 試驗結果與分析

3.1 水泥漿體系基本性能及抗腐蝕性能測試

水泥漿體系綜合性能測試數據見表。其共同特點：滲透率較低（<0.87mD），流變性能良好，水泥石抗壓強度大（>18.2MPa），API失水量小（<10mL）。水泥石脫模進行腐蝕評價試驗6D后，添加了抗腐蝕劑FH-1及防腐蝕外摻材料的水泥石形態差別是非常明顯的。

3.2 水泥石微觀形態及分析

水泥石配方1和配方4樣品在CO2、H2S環境下腐蝕42D后，進行了電子顯微鏡測試。配方1的電子顯微鏡照片（未加入FH-1，密度為1.9g/cm3）。可以看出，沒有添加抗H2S防腐蝕劑（FH-1）的水泥石經過42D的腐蝕后，腐蝕情況比較嚴重。腐蝕性氣體（CO2、H2S）從水泥石的左側開始對水泥石進行腐蝕，邊沿的水泥石受腐蝕情況非常嚴重，質地變得疏松，水泥石受到腐蝕的深度約為1.64MM。水泥石左右兩邊的質地差別非常明顯，右部質地緊密，受腐蝕小，左側腐蝕嚴重。用100倍和500倍放大觀察腐蝕部分，水泥石和腐蝕性氣體CO2、H2S發生反應，產生了顆粒狀的疏松物質，使水泥石結構發生變化，導致強度有明顯損失。配方4的電子顯微鏡照片（加入FH-1，密度為2.21g/cm3）。可以看出，添加了抗H2S防腐蝕劑（FH-1）的水泥石經過42D的腐蝕后，腐蝕情況不明顯。腐蝕性氣體CO2、H2S從水泥石的左側開始對水泥石進行腐蝕，邊沿的水泥石受腐蝕情況比較嚴重，質地變得疏松，水泥石受到腐蝕的深度約為0.54mm。對界面放大50倍后可以清楚地看到，和腐蝕性氣體反應后，水泥石質地變得疏松，產生了顆粒物質。在侵入深度約為0.72MM 的地方，有明顯的膜狀物質，當腐蝕性氣體和水泥石反應到該界面時，產生的膜狀物能阻止進一步腐蝕，提高水泥石自身的抗腐蝕能力。對生成的膜放大500倍后，可以看到生成的膜能夠包覆在腐蝕后所生成的新界面上，保護水泥石不受腐蝕性氣體的進一步腐蝕。

4 結論

1）室內試驗研究表明，抗腐蝕劑FH-1和防腐蝕材料微硅和硅粉可提高水泥石密實度，使水泥滲透率下降，強度提高，阻止外部腐蝕介質侵入。2）該抗腐蝕水泥漿體系不但能夠抗CO2、H2S等氣體的腐蝕，還具有良好的防氣竄、降自由水、漿體穩定等綜合性能，不同溫度、壓力條件下的固井及封竄作業的需要。

參考文獻：

[1]曾添.油氣井抗腐蝕性水泥漿體系的研究[J]；長江大學學報（自科版）；2017年15期