油氣井CO2腐蝕主控因素及解決措施

馬迪(長江大學工程技術學院，湖北 荊州 434020)

0 引言

近些年，在對油氣進行開采的過程當中工作人員發現將CO2應用到其中具有一定的優勢。而這主要是由于在將CO2融入到地下油氣儲層中后不僅可以進一步提升油氣開采的效率，而且還可以把它當作空氣鉆井，進而在根本上提升油氣層的產量[1]。但是，頻繁的使用CO2也會引發腐蝕現象的發生，從而降低了整體的經濟效益。因此，要進一步提高對CO2利用的重視程度，并對CO2發生腐蝕情況的主控因素進行細致的分析，并通過科學有效的方式方法予以解決。只有這樣才能確保后期工作有序進行。

1 CO2腐蝕的主要類型及原理

CO2腐蝕(如圖1所示)的主要類型包含了均勻腐蝕以及局部腐蝕。其中，均勻腐蝕主要是指當金屬性制品在接觸到腐蝕性物質時，其接觸面會出現不同程度的腐蝕現象。而這種腐蝕會在一定程度上降低管道內部的厚度，并逐步地腐蝕金屬。因此，是否出現均勻腐蝕可以通過觀察金屬表面來加以確認。對于局部腐蝕，可以分為點蝕、臺狀腐蝕以及環狀腐蝕。點蝕的腐蝕狀況較為嚴重，但是其腐蝕的范圍較小，因此在對點蝕進行判斷時不能將腐蝕范圍作為判斷依據[2]。臺狀腐蝕基本上是在點蝕之后發生的，在一般情況下，臺狀腐蝕會在含有較多CO2水介質中出現。對于臺狀腐蝕，它具有底部完整、兩邊垂直的特點。環狀腐蝕出現在油氣井的內部，而造成環狀腐蝕出現的主要原因是金屬的加工與焊接[3]。

圖1 CO2腐蝕圖

在對CO2腐蝕原理探究的過程中，國內外研究學者都作出了極大貢獻。由于他們在開展實驗的過程中，得出的結論各不相同，以至于不能很好地對CO2腐蝕原理進行統一的定論。因為研究者不能合理地分析出CO2腐蝕的產物，所以他們不能對反應過程中的產物進行進一步說明。到目前為止，并沒有一個科學的CO2腐蝕原理，只能通過實際情況進行具體的觀察與分析。

2 油氣井CO2腐蝕主控因素

2.1 CO2分壓

相關研究者發現：當CO2的分壓在0.02 MPa時，可以認為沒有出現腐蝕的現象；如果分壓大于0.02 MPa且小于0.2 MPa，可以認為出現了腐蝕現象，但是該腐蝕的影響程度并不是很大；如果分壓大于0.2 MPa，那么可以說明出現了嚴重的腐蝕。此外，還有部分研究者認為，是否發生腐蝕現象可以根據金屬的保護膜來進行判斷。當金屬保護膜沒有發生破壞，說明分壓上升，同時腐蝕的速度較快。當存在保護膜時，CO2分壓越高說明腐蝕的速度越慢，同時還會加快保護膜的生成。

2.2 溫度

有研究者認為，當溫度高達70 ℃時，CO2的腐蝕速度會到達峰值，然后在溫度不斷上升的情況下，腐蝕的速度會成下降的趨勢逐漸減小[4]。此外，還有部分研究者認為，當溫度到達60 ℃時，腐蝕的速度會隨溫度的上升而加快，當溫度達到100 ℃時，腐蝕速度達到最高，隨之會產生局部腐蝕的情況。當溫度上升到150 ℃，金屬表面的保護膜會成緊致的情況，從而保護能力會得到進一步加強。

2.3 流動速度

流動速度越快，會進一步加強腐蝕產物膜的疲勞感，進而導致腐蝕產物膜逐步覆蓋，加快了腐蝕的速度。相關研究者在經過大量實驗驗證后，得出流動腐蝕的腐蝕速度要比靜態腐蝕的腐蝕速度快5倍左右。與此同時，還有部分研究者在此基礎之上再次進行了實驗，得出腐蝕速度的快慢主要取決于鋼級和腐蝕產物的流動速度，如果腐蝕速度已經超過了流動速度，那么腐蝕的速度不會再發生變化[5]。

2.4 水中的礦物質

倘若不考慮保護性垢層，那么水中礦物質含量越多，那么越容易發生電化學反應，進而增強CO2的腐蝕程度。如果鈣離子和鎂離子在相互結合后形成了保護垢層，那么會進一步降低CO2的腐蝕速度。

2.5 氯離子的影響

由于氯離子具備較強的穿透力，因此其可以進一步加快鋼材表面的活化程度，進而加快了點蝕的出現。由圖2可以看出，隨著氯離子含量不斷上升，腐蝕的速度越來越快，因此要想在根本上降低腐蝕的速率，需要合理地掌控氯離子的含量。

圖2 氯離子濃度與腐蝕速度變化圖

3 油氣井CO2腐蝕的解決策略

3.1 利用緩蝕劑

緩蝕劑類型有很多，其中最具代表性的是咪唑啉類緩蝕劑、噻唑類緩蝕劑和硫脲類緩蝕劑。咪唑啉類緩蝕劑最大的特點就是環保性，它無毒無味，并且可以固定放到任何位置當中，因此其被廣泛應用于石油和天然氣當中。由N五元環、含有活性集團側鏈等所組成的咪唑啉類緩蝕劑主要是以單分子形態吸附在金屬上面，進而達到轉變氫離子氧化還原電位目的，進一步確保其功能可以被完全釋放出來。倘若在高溫情況下出現了CO2腐蝕的現象，可以有效地利用噻唑類緩蝕劑來進行解決。緩蝕劑可以提高分子之間的吸附能力，使得保護膜可以在金屬表面快速生成，從而起到保護的作用。硫脲類緩蝕劑適合于比較極端的場景。經實驗結果證實，在提高緩蝕劑濃度時可以科學地減小金屬受到腐蝕的速度。如果腐蝕劑濃度達到飽和狀態，但是依然再次提升其濃度就會加快腐蝕速度，所以在用硫脲類緩蝕劑時要嚴格對其濃度進行控制。

3.2 利用涂層

涂層防護主要分為環氧樹脂防腐涂料和聚氨酯防腐涂料。其中，環氧樹脂防腐涂料是應用最廣的涂層防護，這主要是由于其抗腐蝕性、抗水性能力較強。聚氨酯防腐涂料相較于其他涂料，由于其含有較多的氫鍵，因此使得該涂料具備一定吸附性和抗磨性。將低溫、高溫環境與聚氨酯防腐涂料進行相互之間的融合，可以有效地防止CO2腐蝕，從而進一步增加油氣井的使用壽命。

3.3 利用化學鍍層

化學鍍層分為鎳磷合金鍍管和雙層鍍管。其中鎳磷合金鍍管抗腐蝕性較強，可以對一些硫化物腐蝕、CO2腐蝕起到一定程度的防范作用。所以，在油氣井中，基本上會利用鎳磷合金鍍管。而雙層鍍管主要是將兩種不同的電位差進行相互之間的結合，進而起到保護油氣井的作用。在正常情況下，雙層鍍管分為陰極防護和陽極防護，其中陰極防護應用范圍較為廣泛。陽極保護主要是將油氣井金屬鈍化，進一步降低油氣井金屬表面的腐蝕速度。而陰極保護就是加強電動勢，以及讓電極腐蝕電位箱電動勢方向進行轉移，從而達到抑制腐蝕現象發生的速率。

4 結語

綜上所述，就目前來看，CO2對油氣井腐蝕主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕，而誘發腐蝕情況主要原因在于整體壓力、溫度以及流動速度。為了在根本上避免CO2的腐蝕，需要在油氣井上涂抹防護層、化學鍍層等。