油井防腐蚀方法综述

油井防腐蚀方法综述
【摘要】油气田井下油管的腐蚀问题非常严重，油井中的H2S及侵蚀性CO2与管柱接触后，会产生氢脆和应力腐蚀。

本文综述了常用的防腐蚀方法及其特点，通常采用的防腐方法有：采用耐腐蚀管材，涂镀层保护，注入缓蚀剂，定期更换管材等。

油井采用防腐蚀技术的应用，目的是为了改变油井井下作业周期短的生产难题，从应用情况来看，大多数油井取得了较为理想的防护效果，延长了油井的作业周期，减少了油井因腐蚀、结垢造成作业的频次，节约了费用，取得了良好的经济效益。

【关键词】油气田；腐蚀；缓蚀剂；结垢
我国许多主力油田已进入中、高含水开发期，随着综合含水的不断上升，油气采集系统的腐蚀日趋严重，腐蚀成为影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，是造成管道事故的最主要原因.由于原油中有大量侵蚀性物质存在，如CO2、H2S、Cl-、少量溶解氧和细菌等，受所有这些因素及其交互作用的影响，油管必然遭受严重的腐蚀，油田安全生产受到严重的威胁[1]。

1 油井防腐、防垢原理
1.1 防垢原理
防垢其原理是：阻垢药剂吸附在微晶体表面，破坏了晶体的晶格结构，造成晶格扭曲，不能形成稳定的晶形结构，阻碍了微晶的长大。

另外阻垢剂对Ca2+、Mg2+等阳离子的络合增溶作用，减少了与阴离子的接触，从而起到防垢作用。

化学药剂防垢是目前应用最多，技术最为成熟的阻垢方法之一。

1.2 防腐蚀原理
材料和周围介质相作用，使材料遭受破坏或性能恶化的过程称为腐蚀。

金属在油田水中的腐蚀过程并不是独立进行的，腐蚀过程与结垢过程、细菌繁殖和沉积物形成过程密切相关，油田水中的溶解盐类对金属腐蚀有很大影响，其中最主要的是氯化物。

另一类最常见的引起金属腐蚀的物质是水中溶解的氧气、二氧化碳和硫化氢气体。

此外，油田水中存在的硫酸盐还原菌等微生物也会导致严重腐蚀。

防腐蚀就是减缓油井的腐蚀速度和除去已经产生的腐蚀成分，从而达到延长油管使用寿命，减少作业周期的效果。

控制腐蚀的主要途径有：
（1）选用耐蚀金属材料或非金属材料；
（2）选用耐蚀防腐涂层或阴极保护；
（3）选择和投加针对性强的缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂等化学药剂，设法去除水中会引起腐蚀的成分；
（4）选用耐蚀金属或非金属材料是解决油田腐蚀最彻底的方法，但由于投资高，一次性投入大，需根据经济评价来确定。

耐蚀防腐涂层主要集中在两个方面：一是管道内涂层，二是管道内衬塑技术。

衬塑比涂层有如下优点：①衬塑对管道内表面净化要求，不像涂层与其净化处理质量具有直接的相关性；②半塑对金属是完全均匀的覆盖；③衬塑对管道的振动、冲击比涂层敏感性小，不断裂或剥落。

对于已建好的油田，加入化学缓蚀剂是行之有效的方法，对于集输系统而言，主要投加在油井环空、计量站、管汇间、注水井口。

油田用缓蚀剂按形成膜的种类可分为：钝化膜型（铬酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐等）、沉淀膜型（聚磷酸盐、硅酸盐、苯骈三氮唑等）及吸附膜型（有机胺、硫醇类、木质素类、葡萄糖酸盐类等），现油田主要使用聚磷酸盐及有机胺类（吸附膜型）缓蚀剂。

2 常用的防腐方法及其特点
2.1 定期更换普通碳钢管材
井下的腐蚀环境造成的油管腐蚀可能使油气井的寿命大大低于设计寿命。

CO2溶于水生成酸性较弱，但腐蚀性强的碳酸（H2CO3），对铁基体的腐蚀十分严重。

二氧化碳和硫化氢引起钢铁迅速的全面腐蚀和严重的局部腐蚀，使得管道和设备发生早期腐蚀失效。

因此使用普通碳钢管材，首先要根据井下的腐蚀环境，应用腐蚀预测模型，对管材的失效期限进行合理预测，然后必须在其寿命期限内更换油管管柱。

2.2 使用耐蚀合金管材
目前在油气田应用的抗二氧化碳腐蚀钢材，多数都含有Cr。

通常使用的抗二氧化碳腐蚀钢材有1Cr，9Cr，13Cr等耐蚀合金钢，其中13Cr马氏体不锈钢的使用量最大。

从全球范围来看，由于油田开发难度增大，使总投资增加，投资者不愿因油井管发生故障使价值上千万的油井报废，因此多采用保险系数大的高级油井管。

高性能的非API油井管在俄罗斯、美国、英国、挪威及中东、南美等国家和地区使用相当普遍。

如中东一些油田的井压高，每口井日单产高达上千吨，这些油田使用的是价格昂贵的不锈钢油井管。

2.3 注入缓蚀剂
将少量物质加入腐蚀环境中，借助该物质在金属表面上发生的物理、化学作用，降低金属材料溶解速度的方法称为缓蚀剂防腐，所加物质即缓蚀剂。

缓蚀剂一般为长链化合物，如一些含氮化合物，有机磷酸盐等。

常用的缓蚀剂有重铬酸盐、磷酸盐、有机胺类等。

针对腐蚀油气井介质的不同，缓蚀剂种类大致可分为油溶性缓蚀剂、水溶性缓蚀剂、分散型缓蚀剂及气相缓蚀剂。

在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂，就能和金属表面发生物理与化学作用，从而显著降低金属的腐蚀。

注入缓蚀剂进行防腐，不需要改变金属构件的性质，因而具有经济，适应性强，效率高等优点。

对于油管内表面腐蚀，可在不更换现有管材的情况下使用专用缓蚀剂来控制腐蚀。

通常选用油溶性水分分散的表面活性剂类，如磷酸酯与烷基胺的反应产物，咪唑啉，多胺类及咪唑啉与硫脲的复配物等。

缓蚀剂的防腐效果主要与井况（如温度、压力）、缓蚀剂类型、注入周期、注入量有关，如果使用得当，缓蚀效率将在85%以上。

2.4 使用涂镀层油管
通过相应的工艺处理，在金属表面形成抑制腐蚀的覆盖层，可直接将金属与腐蚀介质分离开来。

主要为金属涂层和非金属涂层两大类，大多数金属涂层采用电镀或热镀的方法实现，非金属涂层大多是隔离性涂层。

目前针对油管防腐所采用的涂镀层技术主要有金属涂层，有机材料涂层，化学镀层等。

2.4.1 金属涂层
根据电化学防护原理，只有当金属涂层的电极电位比油管基体的电极电位负时，才能起到阴极保护作用，即牺牲阳极（涂层），保护阴极（油管）。

当油井的油管处于电介质中，将产生电化学腐蚀，即油管中的杂质成为阴极，铁为阳极。

铁释放电子，以水化离子（nH2O）的形式溶解于水中，因而铁很快被腐蚀。

如果钢铁表面覆盖有锌、铝等合金涂层，则情况就发生了变化。

因锌、铝合金涂层相对钢铁电位更负，在构成腐蚀电池时成为阳极，钢铁为阴极，这样阳极区（锌、铝合金）释放电子而溶解于水，产生腐蚀。

阴极区（油、套管的基体）则在表面吸收电子与氧发生还原反应，受到保护。

2.4.2 有机材料涂层
对于油管的内腐蚀，可在其内表面涂覆有机材料防腐层。

常用的涂料有：环氧型，改性环氧型，酚醛环氧型树脂或尼龙等。

要求涂层厚薄均匀，且整个涂覆表面100%无针孔。

目前，油管防腐涂料大多数为环氧粉末。

环氧粉末防腐主要有以下特点：熔融性好，针孔少，涂膜光滑；施工容易，可用静电喷涂、流化床浸涂等；管壁不易结垢，同时还降低了注水能耗。

2.4.3 化学镀层
化学镀层有结合力强，硬度高，耐磨性能好，耐蚀性能优良等优点，在油管防腐中有一定的应用。

3 各种防腐技术的比较
油气田井下管材的腐蚀和结垢是世界石油工业中的一种常见的腐蚀类型，也是困扰我国油气工业发展的一个极为突出的问题。

采用经济高效的防腐技术是油田和油管生产厂家，一个急需解决的重要课题，为此本文对各种防腐方法作了比较。

使用普通碳钢油管的成本较低，生产初期基本不增加附加防腐费用，但需频繁更换油管，对油气井生产影响很大，且压井作业对储层伤害较大。

另外，如何正确的预测普通碳钢油管的使用寿命，也是这种防护方法的面临的重大难题。

使用抗腐蚀合金管材的防腐效果好，在其有效期内，无须其它配套措施，对油气井生产作业无影响，且工艺最简单，但合金钢管材的价格较高，一般为普通碳钢的几倍，因此初期投资较大，不太适合我国的中低产油田。

注入缓蚀剂进行防护，主要存在以下几个主要问题：
（1）缓蚀剂的有效浓度较低，有效保护期短；
（2）初期投入较少，但累计投资成本高；
（3）适应性差.由于实际腐蚀环境的复杂，在一个油田适用的防腐药剂，在另一个油田就未必具有良好的防护效果；
（4）投加缓蚀剂需要的加药装置过多，管理难度大，不利于安全生产使用普通碳钢管材，对其进行涂覆层保护，防腐效果好，对油气井生产影响相对较小，工艺较简单，而且成本一般不会很高。

但容易出现点蚀，如果出现漏镀现象，则会发生更为严重的局部腐蚀。

通过上述对各种防腐方法的比较，对普通碳钢进行涂覆层保护具有防护效果好，经济性强，工艺简单，适应性强的优点，如果能改善其工艺，并解决其漏镀等问题，这种防护方法有望在石油天然气工业中广泛应用。

4 总结
（1）通过对井下油管腐蚀现状的调查分析，可以看出CO2、H2S、溶解氧是主要的腐蚀因素，Cl-对腐蚀的发生具有强烈的催化作用，而原油或天然气中的水是腐蚀剂的载体，温度、pH值为腐蚀提供有利环境，受这些因素及其交互作用的影响，腐蚀已成为影响油气田安全生产和阻碍经济效益进一步提高的重大不利因素。

（2）为做好油井防腐蚀工作，定期或在线监测油管腐蚀与防护的参数，如CO2、H2S和水的含量，以利于现场指导缓蚀剂的加注、清管及修复等作业。

（3）以上分析表明，针对油气田井下的腐蚀环境中油管存在着严重的腐蚀问题，在实际生产过程中采用的各种防腐蚀方法，都有其优点和不足之处，应根据我国的油气田的现状，应选择防腐蚀效果好，经济性强，适应面广的防腐蚀技术。

参考文献：
[1]俞蓉蓉编著.地下金属管道的腐蚀与防护.石油工业出版社，1998，21（03）.
[2]万里平，孟英峰等编著.西部油田油管腐蚀结垢机理研究.中国腐蚀与防护学报，2007，16（07）.
[3]隋国勇编著.火烧驱油注气井油管腐蚀与防护.石油化工腐蚀与防护.2007，05（03）.。