油套管腐蝕影響因素與防腐蝕技術研究

董志剛，張雪珍，丁 欣

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280）

0 引言

在國民經濟快速發展的背景下，各行業油氣資源的需求量在不斷提升，使得油氣開發工作逐漸成為推動社會經濟發展的關鍵所在。油套管通常被稱為鋼管，主要用于對油氣井井壁等部位的支撐，從而保證油井能夠更加正常、穩定的運轉。然而，在實際使用過程中，受各種因素的影響，油套管很容易產生腐蝕問題，成為油氣開采工作中亟待解決的問題之一。

1 油套管腐蝕的主要影響因素

導致油套管腐蝕的主要原因有服役環境以及管材自身的冶金性質，其中的服役環境具體有介質、壓力以及溫度等多個方面；而管材的冶金性質則體現在化學成分、材料結構以及熱處理工藝等。一般情況下，一旦油套管中的碳鋼以及低合金鋼部件與油井中產生的腐蝕介質接觸，就會導致油套管產生腐蝕現象。一種為開裂腐蝕，這種腐蝕還具有著強烈的環境敏感性，其大多是由H2S 引發，包括階梯狀開裂、軟區開裂以及應力開裂等；第二種為縫隙腐蝕，點蝕、全面腐蝕以及縫隙腐蝕等，都屬于縫隙腐蝕的范疇。如果將腐蝕介質作為主要的衡量標準，可以將油套管腐蝕劃分為溶解氣體腐蝕、細菌腐蝕以及溶解鹽類腐蝕等三種主要類型。

1.1 溶解氣體腐蝕

油氣田產生的各種溶解性氣體會產生嚴重的碳鋼腐蝕，再加上周邊環境溫度、壓力以及氧氣濃度等方面的影響，油套管很容易因溶解氣體而產生腐蝕。通常情況下，如果油田中的水溶解溶液低于相應的工程標準，就會引發碳鋼腐蝕現象，并且其中若同時存在H2S 以及CO2這兩種氣體，碳鋼中腐蝕問題的發生概率將大幅度提升。在油氣開發工程中，碳鋼的腐蝕速度與氧氣的濃度以及氧氣擴散的主要形式有著十分緊密的聯系，并且這種氧擴散勢壘還與油套管所用碳鋼的表面有關，如果其表面較為光滑，氧擴散的勢壘就會降低，但碳鋼的腐蝕速率會不斷提升。而隨著腐蝕問題逐漸嚴重，油套管碳鋼表面的產物膜，會最大程度地將整體勢壘擴散，使得腐蝕速率降低，直到達到穩定的腐蝕速率。在油氣開發工程中，經常出現的伴生氣體就是CO2，由于其在水中能夠直接溶解的特性，使CO2發生化學反應后生成碳酸，進一步降低溶液的pH 值。

1.2 細菌腐蝕

油套管腐蝕中最為常見的是細菌腐蝕，主要有硫酸鹽還原菌、粘液菌以及鐵細菌等三種細菌。在一個較為全面的環境中，環空內部的液體會處于一種靜止狀態，在其中注入相應的水源，溫度就會隨著水容量的不斷提升而提升，這就為各種細菌的繁殖以及滋生提供出了優異條件。在各類細菌腐蝕問題中，最為嚴重的是硫酸鹽還原菌，占據整體油套管細菌腐蝕現象的50%以上。硫酸鹽還原菌的腐蝕過程，就是將硫酸根轉變為二價硫，在與油套管中的鐵產生化學反應后，轉變為黑色的FeS，對油套管產生十分嚴重的影響。

硫酸鹽還原菌屬于一種能夠高效吸收各種有機物質、并將其轉變為營養物質的細菌，這種細菌的生長速度會受到周邊溫度的影響，一般溫度提升10 ℃左右，硫酸鹽還原菌的生長速度就會提升兩倍左右；但如果超過標準溫度，細菌就會死亡。同時，硫酸鹽還原菌所引發的的油套管腐蝕問題，其菌體所帶的聚集物還會進入地層，引發嚴重的地層堵塞問題，會不斷提升注水壓力，大大降低整體水量，甚至還會影響到原油開采產量。

1.3 溶解鹽類腐蝕

在油套管的腐蝕問題中，溶解鹽類腐蝕屬于一種較難解決的腐蝕現象。油田中產生的溶解鹽，會對油管套的碳鋼產生嚴重的腐蝕。特別是在遇到重型鹽溶液或堿性鹽溶液時，碳鋼就會出現顯著的氧去極化腐蝕現象，在相應的化學反應后，生成出具有著保護作用的鈍化膜。從腐蝕影響程度的角度分析，溶解鹽類腐蝕比硫酸鹽還原菌整體腐蝕速率及腐蝕嚴重性低。而在酸性鹽酸溶液中，部分離子會進一步提升溶液的礦化程度，在強化離子強度的同時，加重油套管局部位置的腐蝕問題。在導致油套管出現腐蝕的陰離子中，最為嚴重的就是Cl，這種離子的整體半徑極小，很容易穿透油套管碳鋼表面的產物膜，直接與油套管表面中的離子結合為FeCl2，使碳鋼出現腐蝕。通過不斷研究發現，Cl 盡管會對油套管產生腐蝕，但卻能降低CO2自身的溶解程度，能夠在一定的時間范圍內降低腐蝕速度。由此可看出，油套管的腐蝕速率，會隨著Cl 陰離子的濃度提升而呈現出不同的態勢[1]。

2 油套管腐蝕的其他影響因素

2.1 流速的影響

油套管在實際生產過程中，其內部的各種介質處于一種流動狀態，使油套管內部管壁受到持續的沖刷。而一旦流動強度過大時，就會影響油套管保護膜的形成，因此，油套管的腐蝕速率會隨著流體流速的提升而加大，并且還會產生極為嚴重的局部腐蝕問題。同時，流速的提升不僅會進一步改變整體傳質速率，還會直接改變腐蝕產物膜的主要形態。從不同流速條件的角度分析，內部介質處于流動狀態的油套管，無論在何種流速下都能形成相應的腐蝕產物膜，大大阻礙腐蝕離子的傳播。但在2 m/s 的流速時，其產生的保護效果最差[2]。

2.2 水潤濕性的影響

油氣開采工程系統中如果存在水，并且水源充分濕潤油套管表面，就會產生CO2腐蝕。在水源與油套管碳鋼接觸過程中，CO2的腐蝕強度會隨著時間的增長而不斷提升，這也使得水自身的質量以及潤濕性，成為影響腐蝕的關鍵因素。在研究過程中發現，油套管碳鋼所產生的CO2腐蝕，其整體速率會隨著含水量以及水潤濕性的提升而逐步提升，并且在這種多相流的條件下，如果含水率能夠保持在50%左右，就能夠從油包水進一步轉變為水包油。簡單來說，就是在含水率高于50%時，就會產生十分顯著的水潤濕作用。

2.3 預應變的影響

在對彎曲狀態、拉伸狀態以及壓縮狀態下的油套管碳鋼產生的光電特性以及電化學性能進行研究的過程中，發現拉伸應力對于鈍化膜的保護性質產生了不良影響，而壓縮應力以及彎曲應力，卻能進一步提升鈍化膜的保護作用。具體表現為拉伸應力的不斷提升，會使鈍化膜中的膜電阻、擴散電阻以及傳遞電阻出現不斷下降的趨勢，并且鈍化膜中各類雜質的密度也會相應提升。而在彎曲應力以及壓縮應力提升的狀態下，鈍化膜內部的傳遞電阻以及擴散電阻會不斷增大，雜質密度也會隨著應力程度的提升而降低[3]。

3 油套管防腐蝕措施

3.1 電化學防腐技術

在油套管防腐技術中，電化學防腐技術根據原理可劃分為陰極保護和陽極保護兩種，其中陰極保護在當前油氣田開采工作中得到了廣泛的應用，并且陰極保護還可以進一步引申為外加電流保護與犧牲陽極保護，這兩者都是以油套管主要材料及服役環境為基礎選用的不同陰極保護方式。根據相關研究可以看出，采取陰極保護是有效降低油套管表面腐蝕以及內壁腐蝕的主要措施。例如，長慶油田早在1987 年就已采取了陰極保護措施，使內部油套管的破損率從2.75%降低至0.8%，起到了十分顯著的油套管保護作用。同時，應用電化學防腐技術，不僅能穩步提升油氣開采的效率及質量，還能夠在最大程度上提升油套管的使用壽命。

3.2 涂鍍層防腐技術

通常情況下，油套管是在一些氣候復雜并且嚴酷的環境中工作，為了降低其腐蝕的發生概率以及嚴重程度，可以采用涂鍍層防腐技術，這項技術是在油套管表面涂抹防腐蝕涂層，從而形成一種鍍層，更好地隔絕外部環境產生的各種腐蝕介質。當前應用較為廣泛的的涂鍍層主要有非金屬涂鍍層、金屬涂鍍層以及化學轉化涂鍍層等三種，涂鍍層經過磷化處理、度化處理以及氧化處理后，能轉變為化學覆蓋層；而無機涂層以及有機涂層則屬于非金屬涂鍍層的一種；電鍍、化學鍍以及熱鍍則是金屬涂鍍層[4]。

3.3 選擇耐腐蝕的油套管

對于油套管抗腐蝕性，最優先考慮的應是選擇具有耐腐蝕性質的油套管材料，不僅需要考慮產品的生產工藝及工作性能，還應明確所用材料的主要成分以及性能。通常情況下，油套管的選材要注重兩個方面的要求：①要對油套管材料展開全方位的評價及試驗，并充分考慮材料的經濟及可操作性，其中的材質應具備較強抗腐蝕能力，使其能夠適應各種各樣的酸性環境；②深入分析油套管主要服役環境，及時評估油套管碳鋼中可能出現的腐蝕問題以及腐蝕程度，準確找尋出不同階段油套管的腐蝕類型。

綜合考慮各方面因素，金屬復合管由于自身特性，是當前應用最為廣泛的油套管材料，其不僅有著十分優異的化學性能以及力學性能，并且擁有較強的環境適應性以及耐腐蝕性，能夠最大程度地降低油套管腐蝕造成的影響。

4 結語

為了推動油氣開采工程的發展，相關人員應進一步明確油套管的主要腐蝕成因及運行機理。由于不同腐蝕環境中，過于單一的防腐技術都有顯著的局限性，因此，需要重點關注油套管的服役環境，結合環境溫度、腐蝕介質以及腐蝕流速等多種客觀影響因素，采取化學防腐以及涂鍍層防腐等技術，為企業創造更高的經濟效益。