淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水對(duì)J55碳鋼的腐蝕試驗(yàn)研究

劉 嘉

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司煤層氣開發(fā)工程研究所，陜西 西安 710054）

煤層氣與大量的煤層水共存，故煤層氣一般采用排水降壓進(jìn)行采氣，排采過(guò)程中始終伴隨著排水，排水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水量較大、水質(zhì)成分復(fù)雜[1-2]。目前國(guó)內(nèi)煤層氣開采時(shí)日較短，井筒腐蝕問(wèn)題并不嚴(yán)重，故對(duì)煤層氣采出水對(duì)油管腐蝕的研究并未受到重視。

本研究針對(duì)淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水對(duì)J55油管鋼的腐蝕行為進(jìn)行研究。首先對(duì)淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水的水質(zhì)進(jìn)行分析，然后通過(guò)電化學(xué)工作站測(cè)試電化學(xué)阻抗譜和極化曲線，最后采用失重法測(cè)定其腐蝕速率。通過(guò)本研究，明確淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水對(duì)J55油管鋼的腐蝕機(jī)理，為后期煤層氣井井筒防腐措施的選取提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：鹽酸（HCl）、六亞甲基四胺（C6H12N4）、乙二胺四乙酸（EDTA）、氯化銀（AgCl）、氫氧化鈉（NaOH）、氨水（NH4·OH）等，均為分析純。

主要儀器：FCF-2反應(yīng)釜；Par-2273 電化學(xué)工作站；Sartorius BSA224S電子天平；Quantu 600FEG掃描電鏡；OXFORD INCA x-act能譜分析儀等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 煤層氣水質(zhì)分析

依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》對(duì)淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水組成進(jìn)行分析。

1.2.2 煤層氣采出水腐蝕電化學(xué)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用三電極測(cè)試體系進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜和動(dòng)電位極化曲線測(cè)試[3-4]， 以J55碳鋼為工作電極，石墨作為輔助電極，飽和KCl溶液的甘汞電極（SCE）為參比電極。J55碳鋼組成見(jiàn)表1。在電解池中加入1 000 mL腐蝕介質(zhì)，壓力為0.1 MPa條件下通入氮?dú)? h除氧，升溫至預(yù)定溫度，快速放入工作電極，密封，繼續(xù)通入氮?dú)庑纬傻獨(dú)獗Ｗo(hù)氛圍。測(cè)試開路電位，待電極穩(wěn)定后進(jìn)行EIS測(cè)試，然后進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試。EIS測(cè)量頻率范圍為10 mHz～100 kHz，流激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV。動(dòng)電位極化曲線測(cè)試由陰極向陽(yáng)極進(jìn)行，掃描速率為0.166 0 mV·s-1，電位掃描范圍為-0.25～0.25 V（相對(duì)開路電位）。實(shí)驗(yàn)溫度選取淮北礦區(qū)某井田的地層溫度（30 ℃），壓力為常壓。

表1 J55碳鋼組成 %

1.2.3 失重法測(cè)試煤層氣采出水的平均腐蝕速率

依據(jù)《JB/T 7901—1999 金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》對(duì)煤層氣采出水的平均腐蝕速率進(jìn)行測(cè)定，腐蝕試片材質(zhì)為J55碳鋼，組成見(jiàn)表1，規(guī)格為50×10×3，Φ6（單位：mm），實(shí)驗(yàn)溫度為淮北礦區(qū)某井田地層溫度30 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為地層壓力7 MPa，腐蝕時(shí)間為7 d。腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)掛片表面腐蝕微觀形貌進(jìn)行觀察，并對(duì)腐蝕產(chǎn)物的元素組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤層氣采出水水質(zhì)分析結(jié)果

淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水為無(wú)色無(wú)味透明液體，水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可得：淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水呈弱堿性，Cl-含量高，且煤層氣中CO2體積分?jǐn)?shù)約為2%，可能造成井筒腐蝕[5-7]。采出水中成垢陽(yáng)離子含量低，成垢陰離子含量高，加之pH較高，可能在井筒結(jié)垢，形成堵塞[8]。

表2 煤層氣采出水水質(zhì)分析結(jié)果

2.2 腐蝕電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

2.1.1 極化曲線

圖1為30 ℃下煤層氣采出水的Tafel極化曲線。由圖1可得，煤層氣采出水的自腐蝕電位為-0.747 V，自腐蝕電流密度為2.275 μA·cm-2，腐蝕速率為0.026 7 mm·a-1，達(dá)到美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）中度腐蝕程度（0.025～0.125 mm·a-1）[9-10]。

圖1 30 ℃下煤層氣采出水的Tafel極化曲線

2.1.2 電化學(xué)阻抗譜

圖2為30 ℃下煤層氣采出水的EIS圖，圖3為圖2 EIS數(shù)據(jù)擬合的等效電路圖，表3為圖3中等效電路電化學(xué)擬合參數(shù)，其中Rs為采出水的電阻，CPE（Cd）為鈍化膜電容、Rt為極化電阻。

圖2 30 ℃下煤層氣采出水的EIS圖

圖3 擬合EIS數(shù)據(jù)的等效電路圖

表3 電化學(xué)擬合參數(shù)

由圖2、圖3和表3可得，J55碳鋼的阻抗譜為單一容抗弧，基本呈活化控制特征，且阻抗起始位置均在零點(diǎn)附近，說(shuō)明此時(shí)溶液的電阻Rs較小[6]，與擬合結(jié)果一致。極化電阻Rt較大，說(shuō)明煤層氣采出水腐蝕速率較低[11]。

2.3 失重法腐蝕速率測(cè)定結(jié)果

腐蝕后試片表面有少量結(jié)垢產(chǎn)物，有少量點(diǎn)蝕坑。表4為煤層氣采出水在30 ℃和7 MPa下對(duì)J55碳鋼的腐蝕速率測(cè)定結(jié)果，圖4為腐蝕后掛片表面的微觀形貌，表5為圖4框內(nèi)的腐蝕后掛片表面腐蝕產(chǎn)物的元素組成。

表4 煤層氣采出水對(duì)J55碳鋼的腐蝕速率測(cè)定結(jié)果

圖4 腐蝕后J55碳鋼表面SEM圖

表5 腐蝕后J55碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

由表4可得，煤層氣采出水對(duì)J55碳鋼的腐蝕速率為0.046 6 mm·a-1，達(dá)到美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）中度腐蝕程度（0.025～0.125 mm·a-1）。雖然淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水腐蝕較低，但也不容忽視。由圖4可得，腐蝕后J55碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物含量少，有明顯結(jié)垢或結(jié)鹽。通過(guò)能譜分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物中混合了結(jié)垢結(jié)鹽產(chǎn)物，結(jié)垢產(chǎn)物為碳酸鈣和氯化鈉。

3 結(jié) 論

1）淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水呈弱堿性，Cl-含量高，且煤層氣中含有CO2，可能造成井筒腐蝕；

2）30 ℃下，淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水對(duì)J55碳鋼的腐蝕受活化控制，EIS呈單一容抗弧；

3）淮北礦區(qū)某井田煤層氣采出水對(duì)J55碳鋼的腐蝕速率達(dá)到NACE中度腐蝕程度。