二氧化碳吞吐腐蝕機理及防治措施

黨曉麗 張啟龍 周思同

摘 要：油田淺層區塊已進入高含水開發階段，綜合含水達到80%以上，高含水井的比例逐年增加，CO2吞吐和氮氣泡沫堵水技術作為高含水開發階段重要的增產穩產技術，在油田得到了大規模應用。對二氧化碳吞吐腐蝕認識及防治尤為重要。

關鍵詞：二氧化碳;吞吐;腐蝕機理;防治措施

一、二氧化碳吞吐腐蝕機理

1、CO2腐蝕機理研究

干燥的二氧化碳氣體本身是沒有腐蝕性的，CO2腐蝕是由于CO2溶于水生成碳酸而引起電化學反應，導致管材發生腐蝕。

陰極反應：

2H++2e=H2

pH<4 H+的擴散是控制步驟

4

陽極反應：Fe→Fe2++2e

反應產物：Fe+ H2CO3= Fe CO3+ H2

2、CO2腐蝕影響因素分析

影響鋼的CO2腐蝕特性的因素很多，主要因素是管材材質、CO2分壓、溫度、介質組成、pH、流速、鋼鐵表面膜和載荷等， 其中CO2分壓、溫度、流速起著主要作用，可導致鋼的多種腐蝕破壞、高的腐蝕速度、嚴重的局部腐蝕、穿孔，甚至發生應力腐蝕開裂等。

①、腐蝕率與CO2分壓關系

對CO2分壓進行敏感性分析發現，隨著CO2分壓增加，腐蝕速率增大，這是因為分壓越大，溶于水溶液的CO2比例越高，水溶液的pH越低，從而腐蝕加劇。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學學報《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，二氧化碳分壓對腐蝕速度影響較大，隨著分壓的增加，二氧化碳的腐蝕速度隨之增大。

②、腐蝕率與溫度關系

在一定的溫度范圍內，碳鋼在二氧化碳水溶液中的腐蝕速度隨溫度的升高而增大，當碳鋼表面形成致密的腐蝕產物膜時，碳鋼的溶解度隨溫度的升高而降低，前者加劇腐蝕，后者則有利于保護膜的形成以減緩腐蝕。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學學報《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，腐蝕率隨溫度的升高而升高，在60-110℃時腐蝕率達到最高，之后逐步下降。

③、腐蝕率與流速的關系

流體對管道內壁沖刷，除了使管道承受一定的沖刷力、促進腐蝕反應的物質交換外，還將抑制致密保護膜的形成，影響緩蝕劑作用的發揮，必然會對腐蝕速率有一定的影響。

參考2005年第32卷第5期的北京化工大學學報《碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究》一文，腐蝕率隨流速的增加而增大。

2、腐蝕監測

井筒腐蝕監測手段—井徑成像

多臂成像井徑儀采用陣列型觸點與套管內壁直接接觸，有效獲取套管內壁成像等資料，實現套管腐蝕、變形或金屬損失等測量，通過等距等方位排列觸點，還可降低偏心效應的影響。

3、防治措施

①井筒防腐蝕應對措施

結合周邊油田的防腐治理情況，參考相關文獻和實驗結果，在腐蝕監測的基礎上，主要是采用了添加緩蝕劑和電化學防護兩種防腐技術。

緩蝕劑防腐技術

由井口向油套環空注入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑通過其分子上極性基團的吸附作用，吸附在套管壁和油管外表面。

保護原理：

一是通過改變金屬表面的電荷狀態和界面性質，使金屬表面的能量狀態趨于穩定化，減慢腐蝕速度（能量障礙）。

二是緩蝕劑上的非極性基團，在金屬表面形成一層疏水性保護膜，阻礙著與腐蝕反應有關的電荷或物質的轉移，減低腐蝕速度（移動障礙）。

緩蝕劑防腐技術特點：

緩蝕劑防腐是目前廣泛采用的二氧化碳腐蝕的防治措施。可以有效抑制二氧化碳對鋼鐵材質的腐蝕，而且操作簡單、成本低廉，防護效果較好。

緩蝕劑的防護效果具有選擇性，要根據腐蝕體系選擇相適應的緩蝕劑。

為了保證緩蝕劑使用效率，應對油井的防護效果進行跟蹤評價，根據油井液量的變化，及時調整緩蝕劑用量。

緩蝕劑防腐技術效果

開展緩蝕劑篩選評價和加藥濃度的室內實驗，評價出緩蝕劑濃度達到200ppm時，緩蝕率可達到80%，并且隨著濃度增加，緩蝕率趨于平穩。

陰極保護技術

保護原理

原電池原理，利用兩種電極金屬性不同，產生電勢差，通過犧牲鋁等活性金屬陽極，保護井下管柱

②、桿管腐蝕應對措施

現場主要是在井下生產管柱上加裝防腐阻垢管和抽油桿防腐器，對油管內壁和抽油桿進行防腐。防腐管柱主要成分為鋁、鋅等較為活潑的金屬材料，它們的電極電位遠低于油套管的鋼鐵金屬，起到陰極保護作用。

同時鋁、鋅等金屬在水溶液中可形成大面積的氫氧化物，具有很強的吸附作用，在管壁上形成一層均勻的薄膜，進一步阻止CO2對管壁腐蝕

③、泵腐蝕應對措施——采用固定閥可拔式抽油泵

該泵采用雙泵筒、雙柱塞、雙閥爾結構，通過改變產品結構、調整關鍵零部件材料、優化零部件加工處理工藝，具有結構合理，安全環保節能，防砂、防腐蝕、防氣鎖、除蠟效果好，抽吸油效率高，使用壽命長等特點。

該泵泵筒內表面采用鍍鉻工藝，柱塞采用噴焊鎳基合金工藝，泵內其它組件均采取了防腐蝕處理，整機工作部分具有良好的防腐蝕功能。

該泵由于結構特殊，可實現正洗井也可以反洗井。在注氣和二氧化碳吞吐中，該泵可同時實現正注和快速帶壓組抽功能，這是其它桿式抽油泵難以實現的。

利用液力反饋的抽吸原理，提高了抽油泵整機抽吸功能。可以實現不提管柱，更換柱塞總成及固定閥總成。

該泵提管作業時，僅需把柱塞提至泵上即可完成泄油，避免造成地面井場污染，屬于清潔環保產品。

因該泵不需使用泄油器，僅把上柱塞提出泵上1.8米，即可泵上、泵下管柱連通，可解決作業區使用內襯油管的油井因油管內變徑，常規泄油器無法使用的難題。

經過試驗和批量使用，該泵對出砂、防卡效果突出，正常情況下，泵效比常規泵提高30%以上，下井使用時間比常規泵提高50%以上。