1、无机盐类钻井液中 CO2 腐蚀因素研究摘 要：无机盐类钻井液对油管，套管和金属钻具有腐蚀作用。本文研究了无极钻井液中 CO2 因素对腐蚀的影响，分析了 CO2 腐蚀的机理，计算了 CO2 腐蚀的速度。并分析了 CO2 的分压，温度，腐蚀产物膜以及流量对腐蚀速度的影响。 关键词： 无机盐钻井液 CO2 影响因素。 由于材料与它所处环境之间发生作用而引起材料变质、破坏和性能恶化的现象称为腐蚀。腐蚀给石油行业造成很大的损失，不仅耗费大量的能源和资源，腐蚀物还会污染人类的生存环境，钻井过程中的腐蚀介质主要来自钻井液，无机盐类钻井液所引起腐蚀的介质主要有CO2、H2S、O2、海水、盐水等，下面主要针对无
2、机盐类钻井液中 CO2 的腐蚀因素就行研究1，2。 一、无机盐钻井液中 CO2 腐蚀机理及其腐蚀破坏的特征 大量的研究结果表明，在常温无氧的 CO2 溶液中，钢的腐蚀速率是受析氢动力学所控制，CO2 在水中的溶解度很高，一旦溶于水便形成碳酸，释放出氢离子，氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还远，促进阳极铁溶解而导致腐蚀。这个电化学腐蚀过程人们习惯用如下的简单的反应式表示： 铁在 CO2 水溶液中的腐蚀基本过程的阳极反应为： Fe +OH- FeOH+e- FeOH FeOH+ e- FeOHFe2+OH- 在腐蚀阴极主要有以下两种反应： 1.非催化的氢离子阴极还原反应 当 pH6 时，2HCO3
3、-+2eH2+2CO32- 2.表面吸附 CO2 的氢离子催化还原反应： CO2（溶液中）CO2（吸附在钢铁表面上的） CO2+H2OH2CO3（溶液） H2CO3+ e-H+ HCO3- H3O+ e-Had+H2O HCO3-+ H3O+H2CO3+H2O 总的腐蚀反应为：CO2+H2O+FeFeCO3+H2 上述腐蚀机理是对裸露的金属表面而言。而实际，在含 CO2 油气环境中，钢铁表面在腐蚀初期课视为裸露表面，随后降被碳酸盐腐蚀产物膜所覆盖。所以，CO2 水溶液对钢铁腐蚀，除了受氢阴极去极化反应速度的控制，还与腐蚀产物是否在钢表面成膜，膜的结构和稳定性有着十分重要的关系。在含 CO2 油
4、气田上观察到的腐蚀破坏，主要由腐蚀产物膜局部破损处的点蚀，引发环状或台面的蚀坑或蚀孔。 二、无机盐钻井液中 CO2 腐蚀速率的计算 对于碳钢和低合金钢的裸钢腐蚀速率最早被认可的是 De Waard-Milliams 关系式： lg v=0.67lg pco2+C 式中 v-腐蚀速率； pco2-CO2 分压； C-温度校正常数； 上述关系式是以裸钢在实验室 CO2 腐蚀溶液中，得到的腐蚀数据为基础建立起来的。主要考虑的是 CO2 浓度对腐蚀速度的影响，所以有一定的局限性。许多研究者的测试结果也证实了当含 CO2 的水溶液处于层流状态，其 CO2 分压低于 0.2MPa，温度低于 600C 时，
5、测量结果与该式计算结果一致。在较高的 CO2 分压和温度下，测到的腐蚀速度一般低于该公式的计算值。为此，Waard 等以从油气田现场取得的腐蚀数据为基础建立起更结合现场实际的腐蚀速率计算公式： lgv=5.8 +1710/T+0.67lgpco2 式中 v-腐蚀速率，mm/a； T-温度，K； pco2-CO2 分压，bar （0.1MPa） 。 三、影响无机盐钻井液中 CO2 腐蚀因素 1.CO2 分压的影响 CO2 分压是影响腐蚀速率的主要因素。Cron 和 March 等学者的研究结果认为，当 CO2 分压低于 0.021MPa（3psi）时可以忽略；当 CO2 分压为 0.021-0.
6、21 MPa 时，腐蚀可能发生。也有学者在研究现场低合金钢点蚀的过程中过程中，总结得到一个经验规律，既当 CO2 分压低于 0.05MPa时，将观察不到任何因点蚀而造成的破坏。 2.温度的影响 温度是影响 CO2 腐蚀的重要因素。许多研究者的研究结果表明，温度在 600C 附近，CO2 腐蚀机理有质的变化。当温度低于 600C 时，由于不能形成保护性的腐蚀产物膜，腐蚀速率是由 CO2 水解生成碳酸的速度和 CO2 扩散至金属表面的速度共同决定，于是以均匀腐蚀为主；当温度高于 60 C 时，金属表面有碳酸亚铁生成，腐蚀速率由穿过阻挡层传质过程决定，即垢的渗透率，垢本身固有的溶解度和介质流速的联合
7、作用而定。所以含 CO2 油气井的局部腐蚀由于温度的影响常常选择性地发生在井的某一深处。 3.腐蚀产物膜的影响 钢表面腐蚀产物膜的组成、结构、形态是受介质的组成、CO2 分压、温度、流速等因素的影响。钢被 CO2 腐蚀最终导致的破坏形式往往受碳酸盐素食产物膜的控制。当钢表面生成的是无保护性的腐蚀产物膜时，将遵循公式的关系式，以“最快”的腐蚀速率被均匀腐蚀；当钢表面的腐蚀产物膜不完整或被损坏、脱落时，会诱发局部点蚀而导致严重穿孔破坏。当钢表面生成的是完整、致密、附着力强的稳定性腐蚀产物时，可降低均匀腐蚀速度。 4.流速的影响 现场实践和研究表明，流速对钢的 CO2 腐蚀影响是非常重要的因素。高流
8、速的冲刷作用易破坏腐蚀产物膜或妨碍腐蚀产物膜的形成，使钢表面处于裸露的初始腐蚀状态，高流速将影响缓蚀剂作用的发挥，研究认为，当流速高于 10m/s 时，缓蚀剂不再起作用。因此，通常是流速增加，腐蚀率提高。但是这并不意味着低流速腐蚀率就低，有研究表明，流速过低易导致点蚀速率的增加。因此对具体控制含 CO2 油气系统腐蚀，如何确定其流速使之腐蚀速率处于最佳状态将十分重要。 参考文献 1 Abdullah. Al-Suwaidi， Christmas Hun， SPE. Comprehensive Solutions to Drilling Corrosion Management J. SPE88673. 2004 2 董仕明.油气田钻井废弃泥浆处理技术J.天然气工业.2008， 28（2）： 87-89.
