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油气田开发中CO2腐蚀机理及防腐方法研究进展

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78 天然号与石油 2015年04月 NATURAL GAS AND OIL 油气田开发中C O2腐蚀机理及防腐方法研究进展 袁青刘音毕研霞牛增前王云云何志勇贾红战 中国石油集团渤海钻探工程技术研究院,天津300457 摘 要:为降低油气田开采过程中CO:的腐蚀危害,有必要对CO:的腐蚀机理、腐蚀类型、诱发 机制、影响因素和防腐方法进行研究。通过腐蚀机理调研发现,CO 先生成碳酸,进而产生电化学反 应,造成钢材腐蚀;CO 腐蚀类型分为均匀腐蚀、冲刷腐蚀和坑点腐蚀(坑蚀),其中以坑蚀最常见且 危害最大;影响CO:腐蚀速率的因素包括:pH值、CO 分压、温度、流速、含水量等。目前油气田开发 中防CO 腐蚀的措施很多,其中优选抗蚀金属管材是防腐蚀的基本方法;加注缓蚀剂的方法则具有 防护效果好、方法简便、成本低、适用性强等特点,使用性高。通过对目前油气田开发过程中防腐方 法的调研.提出了防腐方法的选择依据和缓蚀剂的研究建议。 关键词:CO ;腐蚀;腐蚀机理;防腐方法 DOI:10.3969/j.issn.1006—5539.2015.02.017 0前言 在油气田开采过程中,随着超临界CO 钻井及注 CO 强化采油等新技术的采用,油气田中CO:含量逐渐 增加并对油套管造成了巨大破坏,腐蚀问题已引起石油 行业的普遍关注…。 护和采购费用。介绍了CO:的腐蚀机理、诱导机制、影响 因素和主要防腐措施,提出油气田开发中防腐措施的选 择标准。 1 CO 的腐蚀机理及诱发机制 C0 的腐蚀机理一直是研究人员最关注的问题。姚 晓等人_3 指出CO 自身并不腐蚀金属,CO 溶解于水中 生成碳酸后才会引起腐蚀。由于H CO 的pH值较高,加 快了管材的腐蚀速度,在金属表面上吸附的H CO,中未 离解的分子可直接被还原成H 分子。从电解质溶液扩散 CO 腐蚀属管道内腐蚀,主要包含三类:均匀腐蚀, 即在一定条件下,水气在管道表面凝结形成水膜.CO:与 水反应形成碳酸,使金属发生腐蚀,材料表面受到均匀 破坏;冲刷腐蚀,腐蚀产物膜会被气流带走,不断使金属 表面裸露,加剧腐蚀,有研究表明E2]。如果气体流速增加 备与内;坑点腐蚀(坑蚀),大量实验证明,CO 腐蚀 最典型的特征是呈局部性的坑蚀,这种腐蚀穿透率很 3.7倍,腐蚀速度则会增加5倍,腐蚀主要发生在井VI设 到金属表面的H 可以与HCO;化合,并重新形成H2C0,。 由此表明,碳酸的腐蚀性比完全电离的酸(相同pH值)更 高。许多研究者认为,碳钢的CO 腐蚀是因为材料表面的腐 蚀产物与基体之间构成电偶腐蚀,从而加快腐蚀碳钢。XiaZ 等人 研究了碳钢在含C0 溶液中的腐蚀,指出覆盖和没有 人E 认为在CO2腐蚀过程中,FeCO 和水合氧化物等腐蚀 产物膜能够与碳钢形成电偶腐蚀。 高,每年可达到数毫米。 CO 腐蚀会破坏大量有用材料 使设备失效,甚至引 发灾难性后果。例如,Litlte creek油田在不采取任何防 覆盖FeCO 的区域之间构成了电偶腐蚀。Rlesenfeld F C等 CO 腐蚀措施的情况下,设备腐蚀速率高达12.7 mm/a; 苏联拉尔边疆地区CO:油气田的设备内表面腐蚀 速率达5—8 mrn/a E 。在实际工作中,通过研究CO 的腐蚀 机理和影响因素,掌握CO 腐蚀特点,通过采取合适的 腐蚀科学家认为,坑蚀的诱发机制主要有台地腐蚀 机制、流动诱导机制、内应力致裂机制以及基体变形导 致膜破损机制等。 防腐措施,可以减轻和控制CO:腐蚀,同时也会降低维 收稿日期:2014—10—12 作者简介:袁青(1983-),男,山东青岛人,高级工程师,博士,主要从事油田化学方面的研究工作。 第33卷第2期 CORROSlON AND PROTECT1ON ililtU ̄mtla 79 Nyborg R等人 通过原位拍摄法研究了腐蚀产物膜 的生成和发展过程.提出了台地腐蚀机制:坑蚀最早发 生在几个点,当点继续发展会变成一片,当小孔被腐蚀 时形成厚而松的腐蚀产物膜,可发生均匀腐蚀和坑蚀; > 150℃,形成细致、紧密、附着力强的腐蚀产物膜,此时腐 蚀速率会降低[3,15]。 高流速既能使腐蚀介质到达金属表面的速度增加, 也能破坏已经形成的腐蚀产物膜。加快腐蚀速率。 不管CO:腐蚀发生在液相还是气相,都需要水首 先润湿钢铁表面。在干燥CO 中,碳钢的腐蚀速率非 介质覆盖后会破坏腐蚀产物膜,造成台地腐蚀。赵国仙 2.4流速 等人l7 认为疏松腐蚀产物膜会使坑蚀加剧。 流动诱导机制理论认为:由管道内微湍流引起的剪 面的基底处相当于小阳极,从而产生坑蚀。Schmitt G等 5含水量 切应力使腐蚀产物膜变薄,或者产生疏松孔道,孔道下 2.人[8-91认为管道内的微湍流会诱导产生坑蚀;剪切应力达 到0.2 Pa时,就能引起流动并诱导坑蚀破坏,破坏程度随 流速增高而变大。Gopal M等人㈣认为腐蚀产物膜会被 湍流强度和气泡空化作用破坏,引起局部坑蚀。Han Ji. abin等人“¨指出钢材的CO:坑蚀总是与钢材的FeCO,腐 蚀产物膜损坏有关,而流动会损害局部产物膜。 内应力致裂机制认为[12 :管道内微湍流不能破坏基 体与膜的附着性,坑蚀主要是由于膜厚度增加后,内应 力过大使膜破裂,从而形成了电偶腐蚀。 基体变形导致膜破损机制认为:由于塑性基体金属 与脆性FeCO。腐蚀产物膜的变形能力不同,当环向压力 作用于金属基体时,腐蚀产物膜会被破坏,进而造成电 偶腐蚀n引。 2 CO2腐蚀影响因素 CO 腐蚀是一种复杂的电化学过程,影响因素主要 有pH值、CO 分压、温度、流速、含水量等。 2.1 DH值 溶液的pH值直接影响H:CO 在水中的存在形式, 当pH<4时,主要以H2C0 形式存在;当4≤pH≤10时, 主要以HCO 形式存在;当pH>10时,主要以C0}存在。 pH值越大,H+含量越少。碳钢的腐蚀速率越低。FeCO,的 溶解度随pH值增大而降低,有利于FeCO。腐蚀产物膜 的形成,可减慢腐蚀速率 ]。 2.2 CO2分压 CO 分压(Pco:)是影响腐蚀的重要因素之一,根据美 国防腐工程师协会(NACE)相关标准,可按CO:分压来 划分CO 的腐蚀环境。 <0.021 MPa,属于无腐蚀或极 轻微腐蚀,不需要采取防腐措施;0.021 MPa≤Pco:≤0_21 MPa.属于中等腐蚀,应考虑采取防腐措施;Pco >0.21 MPa,属于严重腐蚀,需采用防腐管材 , ]。 2.3温度 高温会促进电化学反应速率,使腐蚀加速,同时FeCO, 的沉淀速度随温度升高也增大,腐蚀产物膜的形成速度 也会升高,从而使腐蚀速率降低。实验结果表明:T<60 ,FeCO 很难在钢铁表面沉积形成保护膜,此时的腐蚀 产物膜量少且附着力小,易发生均匀腐蚀;T=100 ,此 常低。ZhangYC等人 发现C75和X65两种碳钢在80℃、 13.5 MPa的干燥CO2中放置96 h未发生腐蚀。Russick E M等人[17 发现C 1018碳钢在50℃、24 MPa时暴露在干 燥CO 中24 h未见腐蚀痕迹。Schremp F W等人口 ]研究 证明,短期暴露在于燥CO 中,碳钢的腐蚀速率基本为 O。当CO:中的水含量增加时,碳钢的腐蚀速率明显加 快,说明含水量是影响CO。腐蚀的重要因素。 3 CO 的防腐方法 目前国内外防CO 腐蚀的方法主要包括:优选抗蚀 金属管材、管壁涂层保护、增加pH值、加注缓蚀剂等。 3.1 优选抗蚀金属管材 在湿CO:环境中,含Cr的不锈钢具有很好的抗腐蚀 性能。在低温条件下,随着Cr含量增加,抗蚀性能增大; 随着温度升高,抗蚀性能快速下降。 3.2管壁涂层保护 采用涂层对管壁进行保护,是防腐的常用方法,在压力 较高的油气井中尤其重要。国外主要采用酚醛、改性环氧酚 醛树脂类涂料提高抗腐蚀能力,涂层厚度为0.12-43.2 mm_14]。 3.3增加pH值 当6<pH<7时,由于Fe 溶解度较低(≤1 mg,L),容 易形成FeCO,腐蚀产物膜,同时也会使保护膜不易被溶 解,因此,增加pH值是防止腐蚀的有效方法。添加pH稳 定剂已实际应用在挪威北海里弗哥油田和Eli Aquitaine公 司.可达到防腐要求嘲。 3.4加注缓蚀剂 加注缓蚀剂是防护效果好、成本低、适用性最强的 一种方法El91。缓蚀剂可以分为有机胺类缓蚀剂和表面活 性剂类缓蚀剂等。目前对咪唑啉类缓蚀剂的研究较多,因 其具有较好的缓蚀效果,是缓蚀剂的重要研究方向之一。 有机胺类缓蚀剂是通过分子中心N原子所含的孤对 电子与金属原子的d电子空轨道配位,可以吸附于金属 表面而起到缓蚀作用。美国哈里伯顿公司 开发出HIT一 500增效 ̄tl+HAI一75缓蚀剂,使用温度达到204 oC;缓蚀 剂产品HAI+HII可以在135℃条件下使用,在8O℃、15% HCl条件下可以防腐达40h,而在120 qC、28%HC1条件 80 天熟与与石油 2015年04月 NATURAL GAS AND OIL 下HA1—81缓蚀剂可防腐达40h。KumarT等人[21]研究了 一时.则可以选用普通碳钢管材+an注缓蚀剂相结合的方法 种高效缓蚀剂。可以保证在常规土酸溶液中36 h内的 ( 为缓蚀率);当R≥1/(1-x)R。时,即加注缓蚀剂不能将 腐蚀减小到可承受范围,则需要选用抗腐蚀合金管材。 目前,缓蚀剂的研究虽取得了一定进步,但总体上 缓蚀效果。炔醇类化合物与有机含氮化合物复配,可以 在100 oC以上的高温环境中使用 ,因为炔基化合物的 叁键与金属具有较强的结合力,聚合后产生多层聚合 腐效果.但炔醇缓蚀剂的主要缺点是毒性大 ]。 还很薄弱,新型缓蚀剂的研究工作仍然建立在假设和大 的盲目性,需要进一步研究缓蚀机理来指导新型缓蚀剂 的研发。另外,计算机分子模拟方法已应用于缓蚀剂的分 膜,与长链含氮化合物的屏蔽功能同时作用,加强了防 量探索性试验的基础上,成本高、周期长,而且带有很大 使用表面活性剂类缓蚀剂能达到一定的缓蚀性,表 面活性的作用类型可分为三类:吸附在碳钢表面,改变 子设计工作,给缓蚀剂的分子设计带来很大便利,是今后 碳钢表面的润湿性,聚集在油水界面并改变油水界面的 界面张力。Petrolit公司针对CO2腐蚀问题,评价了磷酸 脂与烷基胺、咪唑啉、多胺类、复合胺类、新型多胺等几 种商用缓蚀剂的缓蚀效果,发现上述缓蚀剂的缓蚀效率 均在85%以上[31。Farelas F等人 研究了咪唑啉和双咪 唑啉在CO 腐蚀中的应用效果,发现双咪唑啉分子能够 形成更紧凑的抑制剂层。杨雪 采用油酸、二乙烯三胺、 氯化苄和硫脲为原料,制备了可以抗CO 腐蚀的咪唑啉 季铵盐缓蚀剂,并通过静态失重法研究其在地层水环境 中的缓蚀性能,结果表明,在 o =4.64 MPa时的CO 腐蚀 介质中,当温度为90℃、缓蚀剂用量为0.025%时,其缓 蚀率可以达到88%;当温度升高、腐蚀时间延长且矿化度 增加时.缓蚀率均呈下降趋势。Lju x等人 研究了四种 具有不同亲水基团的咪唑啉抑制剂的缓蚀效果,研究发 现,亲水基团能够改善抑制剂的抑制效果,而Jovancice— vic V等人 研究了疏水基团对抑制效果的影响,发现疏 水基团的长度对咪唑啉的抑制效果影响很大。Kuznetsov I Y等人 研究了脂肪族羧酸在气态和液态碳酸盐介质 中对钢材腐蚀的影响,发现随着疏水基团的增长,羧酸 的抑制效果增加,并且羧酸具有很强的吸附力,可以同 时抑制阴极和阳极反应。月桂酸在脂肪族羧酸中具有良 好的抑制CO:腐蚀的效果,但随疏水基团的增长,对环 境的危害性也增加 ]。 4 结论 通过对CO。的腐蚀机理、诱发机制、腐蚀影响因素 和防腐方法的研究,在油气田开发中CO 防腐方法的选 择上应遵循以下原则: 1)在经济允许的情况下,选用含Cr抗蚀金属管材是 防止CO 腐蚀最有效的方法,而加注缓蚀剂是有效的保 障手段。 2)在考虑经济性的情况下,假设管材能够承受的腐 蚀速率为尺。,而现场条件下的实际腐蚀速率为 ,当 ≤ R。时,即现场CO 的腐蚀速率低于管材能够承受的腐蚀 速率,宜采用普通碳钢的管材;当Ro<R≤1/(1 ) 。时,即 现场的腐蚀速率低于l/(1 )倍管材能够承受的腐蚀速率 缓蚀剂分子设计及缓蚀机理研究的重要工具。 参考文献: [1]张,陈长风,路民旭,等.油气田中CO 腐蚀的预测模型 [J].中国腐蚀与防护学报,2000,25(2):119—123. 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