二氧化碳吞吐腐蚀机理及防治措施

党晓丽 张启龙 周思同

摘 要：油田浅层区块已进入高含水开发阶段，综合含水达到80%以上，高含水井的比例逐年增加，CO2吞吐和氮气泡沫堵水技术作为高含水开发阶段重要的增产稳产技术，在油田得到了大规模应用。对二氧化碳吞吐腐蚀认识及防治尤为重要。

关键词：二氧化碳;吞吐;腐蚀机理;防治措施

一、二氧化碳吞吐腐蚀机理

1、CO2腐蚀机理研究

干燥的二氧化碳气体本身是没有腐蚀性的，CO2腐蚀是由于CO2溶于水生成碳酸而引起电化学反应，导致管材发生腐蚀。

阴极反应：

2H++2e=H2

pH<4 H+的扩散是控制步骤

4

阳极反应：Fe→Fe2++2e

反应产物：Fe+ H2CO3= Fe CO3+ H2

2、CO2腐蚀影响因素分析

影响钢的CO2腐蚀特性的因素很多，主要因素是管材材质、CO2分压、温度、介质组成、pH、流速、钢铁表面膜和载荷等， 其中CO2分压、温度、流速起着主要作用，可导致钢的多种腐蚀破坏、高的腐蚀速度、严重的局部腐蚀、穿孔，甚至发生应力腐蚀开裂等。

①、腐蚀率与CO2分压关系

对CO2分压进行敏感性分析发现，随着CO2分压增加，腐蚀速率增大，这是因为分压越大，溶于水溶液的CO2比例越高，水溶液的pH越低，从而腐蚀加剧。

参考2005年第32卷第5期的北京化工大学学报《碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究》一文，二氧化碳分压对腐蚀速度影响较大，随着分压的增加，二氧化碳的腐蚀速度随之增大。

②、腐蚀率与温度关系

在一定的温度范围内，碳钢在二氧化碳水溶液中的腐蚀速度隨温度的升高而增大，当碳钢表面形成致密的腐蚀产物膜时，碳钢的溶解度随温度的升高而降低，前者加剧腐蚀，后者则有利于保护膜的形成以减缓腐蚀。

参考2005年第32卷第5期的北京化工大学学报《碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究》一文，腐蚀率随温度的升高而升高，在60-110℃时腐蚀率达到最高，之后逐步下降。

③、腐蚀率与流速的关系

流体对管道内壁冲刷，除了使管道承受一定的冲刷力、促进腐蚀反应的物质交换外，还将抑制致密保护膜的形成，影响缓蚀剂作用的发挥，必然会对腐蚀速率有一定的影响。

参考2005年第32卷第5期的北京化工大学学报《碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究》一文，腐蚀率随流速的增加而增大。

2、腐蚀监测

井筒腐蚀监测手段—井径成像

多臂成像井径仪采用阵列型触点与套管内壁直接接触，有效获取套管内壁成像等资料，实现套管腐蚀、变形或金属损失等测量，通过等距等方位排列触点，还可降低偏心效应的影响。

3、防治措施

①井筒防腐蚀应对措施

结合周边油田的防腐治理情况，参考相关文献和实验结果，在腐蚀监测的基础上，主要是采用了添加缓蚀剂和电化学防护两种防腐技术。

缓蚀剂防腐技术

由井口向油套环空注入一定量的缓蚀剂，缓蚀剂通过其分子上极性基团的吸附作用，吸附在套管壁和油管外表面。

保护原理：

一是通过改变金属表面的电荷状态和界面性质，使金属表面的能量状态趋于稳定化，减慢腐蚀速度（能量障碍）。

二是缓蚀剂上的非极性基团，在金属表面形成一层疏水性保护膜，阻碍着与腐蚀反应有关的电荷或物质的转移，减低腐蚀速度（移动障碍）。

缓蚀剂防腐技术特点：

缓蚀剂防腐是目前广泛采用的二氧化碳腐蚀的防治措施。可以有效抑制二氧化碳对钢铁材质的腐蚀，而且操作简单、成本低廉，防护效果较好。

缓蚀剂的防护效果具有选择性，要根据腐蚀体系选择相适应的缓蚀剂。

为了保证缓蚀剂使用效率，应对油井的防护效果进行跟踪评价，根据油井液量的变化，及时调整缓蚀剂用量。

缓蚀剂防腐技术效果

开展缓蚀剂筛选评价和加药浓度的室内实验，评价出缓蚀剂浓度达到200ppm时，缓蚀率可达到80%，并且随着浓度增加，缓蚀率趋于平稳。

阴极保护技术

保护原理

原电池原理，利用两种电极金属性不同，产生电势差，通过牺牲铝等活性金属阳极，保护井下管柱

②、杆管腐蚀应对措施

现场主要是在井下生产管柱上加装防腐阻垢管和抽油杆防腐器，对油管内壁和抽油杆进行防腐。防腐管柱主要成分为铝、锌等较为活泼的金属材料，它们的电极电位远低于油套管的钢铁金属，起到阴极保护作用。

同时铝、锌等金属在水溶液中可形成大面积的氢氧化物，具有很强的吸附作用，在管壁上形成一层均匀的薄膜，进一步阻止CO2对管壁腐蚀

③、泵腐蚀应对措施——采用固定阀可拔式抽油泵

该泵采用双泵筒、双柱塞、双阀尔结构，通过改变产品结构、调整关键零部件材料、优化零部件加工处理工艺，具有结构合理，安全环保节能，防砂、防腐蚀、防气锁、除蜡效果好，抽吸油效率高，使用寿命长等特点。

该泵泵筒内表面采用镀铬工艺，柱塞采用喷焊镍基合金工艺，泵内其它组件均采取了防腐蚀处理，整机工作部分具有良好的防腐蚀功能。

该泵由于结构特殊，可实现正洗井也可以反洗井。在注气和二氧化碳吞吐中，该泵可同时实现正注和快速带压组抽功能，这是其它杆式抽油泵难以实现的。

利用液力反馈的抽吸原理，提高了抽油泵整机抽吸功能。可以实现不提管柱，更换柱塞总成及固定阀总成。

该泵提管作业时，仅需把柱塞提至泵上即可完成泄油，避免造成地面井场污染，属于清洁环保产品。

因该泵不需使用泄油器，仅把上柱塞提出泵上1.8米，即可泵上、泵下管柱连通，可解决作业区使用内衬油管的油井因油管内变径，常规泄油器无法使用的难题。

经过试验和批量使用，该泵对出砂、防卡效果突出，正常情况下，泵效比常规泵提高30%以上，下井使用时间比常规泵提高50%以上。