油气井CO2腐蚀机理.doc

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1、油气井CO2腐蚀机理　　论文关键词：油套管　水泥石　二氧化碳　腐蚀　　论文摘要：腐蚀是现代工业中一种重要的破坏因素，是三大失效形式之一，在目前的油田生产过程中，腐蚀所造成的损失也十分巨大。油田开采过程中存在的腐蚀有很多种，其中CO2腐蚀是世界石油工业中一种常见的腐蚀类型，也是困扰油气工业发展的一个极为突出的问题。本文针对油气井钻采过程中的CO2腐蚀问题及其相应井下防腐工艺和措施展开深入的调研和分析，分析了CO2在不同环境条件下对油气井管柱的腐蚀机理，进行了CO2腐蚀的影响因素和影响规律的讨论。二氧化碳（CO2）常作为天然气或石油伴生气的组

2、分存在于油气中。CO2溶入水后对钢铁及水泥环都有极强的腐蚀性。在井下适宜的湿度及压力环境条件下，CO2会对水泥和油套管产生严重的腐蚀，使得管道和设备发生早期腐蚀失效，甚至造成生产油、套管的腐蚀断裂。从而缩短油气井的生产寿命，造成巨大的经济损失。　　本文针对油气井钻采过程中的CO2腐蚀问题展开深入的调研和分析，分析了不同环境条件下对油气井管柱的腐蚀机理，进行了CO2腐蚀的影响因素和影响规律的讨论。　　1油气井井下油套管　　1.1CO2基本特性　　二氧化碳是无色、无臭的气体，分子式为CO2，分子量为44，比重约为空气的1.5倍。二氧化碳在不同

3、温度和压力条件下分别以气、液、固三种状态存在。当温度高于临界温度（31.1℃）时，纯CO2为气相；当温度与压力低于临界温度与临界压力（7.383MPa）时，CO2为液相或汽相；当温度低于-56.6℃、压力低于0.535MPa时，CO2呈现固态，固体二氧化碳也叫干冰，其密度可达1512.4kg/m3，随着外界温度的升高，固态（干冰）又升华转变为汽相。　　二氧化碳的化学性质不活泼，既不可燃，也不助燃。二氧化碳可在水中溶解，其水溶液显弱酸性，可使石蕊试纸变红。由此可知，二氧化碳在水中有一部分变为碳酸。碳酸可以看作二氧化碳的一水化合物，或直接写成

4、H2CO3。碳酸在水中可离解为离子：H2CO3H++HCO3-HCO3-H++CO32-7　　二氧化碳的临界状态是纯物质的一种特殊状态，在临界状态时，气相和液相的性质非常接近，两相之间不存在分界面。临界点的参数叫做临界常数，包括临界温度、临界压力、临界体积等。其临界温度和临界压力为气液两相共存的最高温度和压力。在临界温度以上，不管施加多大压力，都不能使气体液化[2]。　　1.2金属腐蚀机理　　1.2.1化学腐蚀　　化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。其反应历程的特点是在一定的条件下，金属表面的原子与非电解质中的氧化

5、剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物。腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。　　1.2.2电化学腐蚀　　电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学作用而产生的破坏。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中并放出电子，即阳极氧化过程；阴极反应是介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程，例如，碳钢在酸溶液中腐蚀时，在阳极区铁被氧化为Fe2+离子，所放出的电子由阳极铁（Fe）流至钢中的阴极

6、（Fe3C）上，被扩散离子吸收而还原成氢气。　　1.3金属腐蚀形态　　1.3.1均匀腐蚀　　腐蚀分布在整个或大部分金属表面上（包括较均匀的和不均匀的）。在全面腐蚀过程中，进行金属阳极溶解反应和物质还原反应的区域都很小（甚至是超显微的），阴阳极区域的位置不固定，在腐蚀过程中随机变化，结果使腐蚀分布非常均匀，危害也相对小些。　　1.3.2局部腐蚀　　金属表面只有一部分遭受腐蚀而其它部分基本上不腐蚀的称为局部腐蚀。局部腐蚀又可分为：点蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀，丝状腐蚀，电偶腐蚀，选择性腐蚀，磨耗腐蚀，应力腐蚀，氢损伤[3]。　　1.4CO2对油套

7、管腐蚀破坏形态7　　CO2对钢铁设备的腐蚀的形态可分为全面腐蚀（也称均匀腐蚀）和局部腐蚀两大类。形成全面腐蚀时，金属的全部或大部分表面积上均匀地受到破坏。形成局部腐蚀时，钢铁表面某些局部发生严重的腐蚀而其它部分没有腐蚀或只发生轻微的腐蚀。点蚀属局部腐蚀，点蚀出现凹孔并且四周光滑；台地侵蚀属均匀腐蚀，会出现较大面积的凹台，底部平整，周边垂直凹底；但在流动条件下，流动会诱使台地侵蚀出现局部腐蚀形成凹沟，形状呈平行于物流方向的刀线槽沟[4]。a内壁b外壁图2-1华北油田馏58井N80油管使用18个月后的腐蚀形貌图2-2CO2对四通的局部腐蚀　　

8、以华北油田馏58井的N-80油管为例，该井油管使用18个月后的腐蚀形貌如图2-1所示。整个油管腐蚀得千窗百孔，形同筛网。从内侧表面可明显看出有平行于油流方向的槽沟和凹孔，充分表明了存在严重的流