淮北礦區某井田煤層氣采出水對J55碳鋼的腐蝕試驗研究

劉 嘉

（中煤科工集團西安研究院有限公司煤層氣開發工程研究所，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行采氣，排采過程中始終伴隨著排水，排水持續時間長、水量較大、水質成分復雜[1-2]。目前國內煤層氣開采時日較短，井筒腐蝕問題并不嚴重，故對煤層氣采出水對油管腐蝕的研究并未受到重視。

本研究針對淮北礦區某井田煤層氣采出水對J55油管鋼的腐蝕行為進行研究。首先對淮北礦區某井田煤層氣采出水的水質進行分析，然后通過電化學工作站測試電化學阻抗譜和極化曲線，最后采用失重法測定其腐蝕速率。通過本研究，明確淮北礦區某井田煤層氣采出水對J55油管鋼的腐蝕機理，為后期煤層氣井井筒防腐措施的選取提供依據。

1 實驗部分

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反應釜；Par-2273 電化學工作站；Sartorius BSA224S電子天平；Quantu 600FEG掃描電鏡；OXFORD INCA x-act能譜分析儀等。

1.2 實驗方法

1.2.1 煤層氣水質分析

依據《水和廢水監測分析方法》對淮北礦區某井田煤層氣采出水組成進行分析。

1.2.2 煤層氣采出水腐蝕電化學測試

本實驗采用三電極測試體系進行電化學阻抗譜和動電位極化曲線測試[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碳鋼組成見表1。在電解池中加入1 000 mL腐蝕介質，壓力為0.1 MPa條件下通入氮氣4 h除氧，升溫至預定溫度，快速放入工作電極，密封，繼續通入氮氣形成氮氣保護氛圍。測試開路電位，待電極穩定后進行EIS測試，然后進行動電位極化曲線測試。EIS測量頻率范圍為10 mHz～100 kHz，流激勵信號幅值為10 mV。動電位極化曲線測試由陰極向陽極進行，掃描速率為0.166 0 mV·s-1，電位掃描范圍為-0.25～0.25 V（相對開路電位）。實驗溫度選取淮北礦區某井田的地層溫度（30 ℃），壓力為常壓。

表1 J55碳鋼組成 %

1.2.3 失重法測試煤層氣采出水的平均腐蝕速率

依據《JB/T 7901—1999 金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》對煤層氣采出水的平均腐蝕速率進行測定，腐蝕試片材質為J55碳鋼，組成見表1，規格為50×10×3，Φ6（單位：mm），實驗溫度為淮北礦區某井田地層溫度30 ℃，實驗壓力為地層壓力7 MPa，腐蝕時間為7 d。腐蝕試驗結束后對掛片表面腐蝕微觀形貌進行觀察，并對腐蝕產物的元素組成進行分析。

2 結果與討論

2.1 煤層氣采出水水質分析結果

淮北礦區某井田煤層氣采出水為無色無味透明液體，水質分析結果見表2。由表2可得：淮北礦區某井田煤層氣采出水呈弱堿性，Cl-含量高，且煤層氣中CO2體積分數約為2%，可能造成井筒腐蝕[5-7]。采出水中成垢陽離子含量低，成垢陰離子含量高，加之pH較高，可能在井筒結垢，形成堵塞[8]。

表2 煤層氣采出水水質分析結果

2.2 腐蝕電化學測試結果

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，達到美國腐蝕工程師協會（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 電化學阻抗譜

圖2為30 ℃下煤層氣采出水的EIS圖，圖3為圖2 EIS數據擬合的等效電路圖，表3為圖3中等效電路電化學擬合參數，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數據的等效電路圖

表3 電化學擬合參數

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附近，說明此時溶液的電阻Rs較小[6]，與擬合結果一致。極化電阻Rt較大，說明煤層氣采出水腐蝕速率較低[11]。

2.3 失重法腐蝕速率測定結果

腐蝕后試片表面有少量結垢產物，有少量點蝕坑。表4為煤層氣采出水在30 ℃和7 MPa下對J55碳鋼的腐蝕速率測定結果，圖4為腐蝕后掛片表面的微觀形貌，表5為圖4框內的腐蝕后掛片表面腐蝕產物的元素組成。

表4 煤層氣采出水對J55碳鋼的腐蝕速率測定結果

圖4 腐蝕后J55碳鋼表面SEM圖

表5 腐蝕后J55碳鋼表面腐蝕產物能譜分析結果

由表4可得，煤層氣采出水對J55碳鋼的腐蝕速率為0.046 6 mm·a-1，達到美國腐蝕工程師協會（NACE）中度腐蝕程度（0.025～0.125 mm·a-1）。雖然淮北礦區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碳鋼表面腐蝕產物含量少，有明顯結垢或結鹽。通過能譜分析結果可知，腐蝕產物中混合了結垢結鹽產物，結垢產物為碳酸鈣和氯化鈉。

3 結 論

1）淮北礦區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，淮北礦區某井田煤層氣采出水對J55碳鋼的腐蝕受活化控制，EIS呈單一容抗弧；

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