1、1/17/20231第十二章第十二章 气井的腐蚀与安全气井的腐蚀与安全天然气工程天然气工程1/17/20232主要内容主要内容第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法第三节 气井腐蚀性环境的材料选用第四节 气井的防腐设计第五节 含硫化氢气井的安全与防护1/17/20233第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类一、气井的腐蚀介质一、气井的腐蚀介质u油气井产出物的腐蚀性组分油气井产出物的腐蚀性组分 硫化氢、元素硫及有机硫等含硫组分；二氧化碳；溶解氧气；含氯离子浓硫化氢、元素硫及有机硫等含硫组分；二氧化碳；溶解氧气；含氯离子浓度
2、较高的地层水或注水开采过程中回采的注入水；硫酸盐及硫酸盐还原菌、碳度较高的地层水或注水开采过程中回采的注入水；硫酸盐及硫酸盐还原菌、碳酸盐类。酸盐类。u油气井注入物的腐蚀油气井注入物的腐蚀 注入水：含溶解氧、细菌；注入水：含溶解氧、细菌；增产措施：酸化作业时的残酸液、为提高采收率时注入的聚合物、注入的增产措施：酸化作业时的残酸液、为提高采收率时注入的聚合物、注入的 二氧化碳等；二氧化碳等；干气回注、回注气体中的二氧化碳；干气回注、回注气体中的二氧化碳；稠油热采注入的高温水蒸汽。稠油热采注入的高温水蒸汽。u非产层中的腐蚀介质非产层中的腐蚀介质 非产层地层同样也会含有上述腐蚀性组分，固井质量差，或
3、井下作业欠妥造成非产层地层同样也会含有上述腐蚀性组分，固井质量差，或井下作业欠妥造成的产层间、产层与非产层间流体的窜流。的产层间、产层与非产层间流体的窜流。1/17/20234第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类二、气井的腐蚀环境二、气井的腐蚀环境u油气井的腐蚀环境包括不同部位的压力、温度、流态及流场。这些因素油气井的腐蚀环境包括不同部位的压力、温度、流态及流场。这些因素又引起系统相态变化，变化过程伴有气体溶解、逸出、气泡破裂等，在又引起系统相态变化，变化过程伴有气体溶解、逸出、气泡破裂等，在流道壁面产生剪切及气蚀、机械力与电化学腐蚀协同作用，从而加剧了流
4、道壁面产生剪切及气蚀、机械力与电化学腐蚀协同作用，从而加剧了腐蚀。腐蚀。u流道直径变化、流向改变都会引起压力、温度、流态及流场变化，加剧流道直径变化、流向改变都会引起压力、温度、流态及流场变化，加剧腐蚀。在油气井开采过程中，腐蚀性组分含量常常是变化的。特别是随腐蚀。在油气井开采过程中，腐蚀性组分含量常常是变化的。特别是随开采期的延长，地层水含量往往呈增加趋势，有时也会出现硫化氢含量开采期的延长，地层水含量往往呈增加趋势，有时也会出现硫化氢含量随开采期延长而增加的现象。随开采期延长而增加的现象。u不同材料相接触或连接会产生电位差，有的地层或井段会与套管形成电不同材料相接触或连接会产生电位差，有的
5、地层或井段会与套管形成电位差，电位差是油气井的腐蚀环境的重要组成部分。位差，电位差是油气井的腐蚀环境的重要组成部分。u油管、套管、采油树等所处的应力状态和应力水平也是重要的腐蚀环境油管、套管、采油树等所处的应力状态和应力水平也是重要的腐蚀环境。1/17/20235第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类三、腐蚀分类和腐蚀机理三、腐蚀分类和腐蚀机理u化学腐蚀化学腐蚀 金属的化学腐蚀是指金腐表面与非电解质直接发生的纯化学反应，金属的化学腐蚀是指金腐表面与非电解质直接发生的纯化学反应，电子的传递是在金属与氧化剂之间快速完成的，没有产生腐蚀电流。化电子的传递是在金属与
6、氧化剂之间快速完成的，没有产生腐蚀电流。化学腐蚀的一个例子是金属表面腐蚀保护膜，所谓不锈钢的本质是可生产学腐蚀的一个例子是金属表面腐蚀保护膜，所谓不锈钢的本质是可生产致密、附着牢固的保护膜屏蔽层。但是大部分碳钢和低合金钢化学腐蚀致密、附着牢固的保护膜屏蔽层。但是大部分碳钢和低合金钢化学腐蚀保护膜疏松和附着力低，不能起到保护作用。保护膜疏松和附着力低，不能起到保护作用。自然界和工程技术中很少会有纯粹的化学腐蚀，腐蚀几乎都是电化自然界和工程技术中很少会有纯粹的化学腐蚀，腐蚀几乎都是电化学性质的。学性质的。1/17/20236第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类
7、u电化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀机理电化学腐蚀机理 电化学腐蚀的过程电化学腐蚀的过程 电化学腐蚀的反应过程是一个氧化还原反电化学腐蚀的反应过程是一个氧化还原反应过程，铁原子以铁离子形式进入溶液，并应过程，铁原子以铁离子形式进入溶液，并以以FeFe2 2O O3 3（H H2 2O O）x x、FeSxFeSx、FeFe2 2COCO3 3等形式存在。等形式存在。电化学腐蚀发生在局部的点或区域，称为局部腐蚀。有两类边界接触条件会电化学腐蚀发生在局部的点或区域，称为局部腐蚀。有两类边界接触条件会引起或加速局部电化学腐蚀：引起或加速局部电化学腐蚀：电位能级差较大的两种金属间有电解质溶液，或直接接触并
8、浸没在电解质溶液电位能级差较大的两种金属间有电解质溶液，或直接接触并浸没在电解质溶液中，会产生电位差腐蚀，或称电偶腐蚀中，会产生电位差腐蚀，或称电偶腐蚀金属内部缺陷或缝隙暴露在电解质溶液中会引起局部电化学腐蚀金属内部缺陷或缝隙暴露在电解质溶液中会引起局部电化学腐蚀金属表面状况金属表面状况1/17/20237第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类环境因素对电化学腐蚀的影响环境因素对电化学腐蚀的影响 腐蚀产物及其相互作用腐蚀产物及其相互作用 钝化膜导电性影响钝化膜导电性影响 外加电场影响外加电场影响 膜的稳定性膜的稳定性杂散电流腐蚀杂散电流腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀缝
9、隙腐蚀缝隙腐蚀 金属构件联接处的缝隙金属构件联接处的缝隙 金属裂纹缝隙金属裂纹缝隙 金属与非金属间缝隙金属与非金属间缝隙点蚀点蚀1/17/20238第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类u环境断裂和应力腐蚀环境断裂和应力腐蚀 在油管、套管和地面装置中由于腐蚀环境可能会出现一种突发性的破坏现象，在油管、套管和地面装置中由于腐蚀环境可能会出现一种突发性的破坏现象，称为环境断裂（称为环境断裂（environment assisted fractureenvironment assisted fracture）。粗略地说，环境断裂包括应）。粗略地说，环境断裂包括应力
10、腐蚀和氢脆。二者并没有严格的区分，可同时发生，也可以说氢脆是应力腐蚀力腐蚀和氢脆。二者并没有严格的区分，可同时发生，也可以说氢脆是应力腐蚀的本质因素或机理之一。应力腐蚀是一个一般性腐蚀类型，它还包括以下：的本质因素或机理之一。应力腐蚀是一个一般性腐蚀类型，它还包括以下：应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 金属材料在应力和化学介质的协同作用下，导致滞后开裂或断裂的现象称金属材料在应力和化学介质的协同作用下，导致滞后开裂或断裂的现象称为为“应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂”。应力腐蚀断裂是一种脆性断裂，带有突发性，它是所有工。应力腐蚀断裂是一种脆性断裂，带有突发性，它是所有工业结构设计要优先考虑的问题。应力腐蚀开裂
11、具有下述特征：业结构设计要优先考虑的问题。应力腐蚀开裂具有下述特征：必须有应力，可以是外加应力或残余应力，危害最大的是拉应力。必须有应力，可以是外加应力或残余应力，危害最大的是拉应力。应力腐蚀断裂是否发生，主要决定于腐蚀介质、金属材质和温度、应力腐蚀断裂是否发生，主要决定于腐蚀介质、金属材质和温度、pHpH值之间值之间的选择性组合。的选择性组合。腐蚀疲劳腐蚀疲劳 当金属在腐蚀环境中遭受循环应力时，在给定应力下引起损坏所需要的循环当金属在腐蚀环境中遭受循环应力时，在给定应力下引起损坏所需要的循环次数减少，这种通过腐蚀而使得疲劳加速的现象称为腐蚀疲劳。也可以说腐蚀疲次数减少，这种通过腐蚀而使得疲劳
12、加速的现象称为腐蚀疲劳。也可以说腐蚀疲劳就是腐蚀和疲劳联合作用引起金属发生断裂。劳就是腐蚀和疲劳联合作用引起金属发生断裂。1/17/20239第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类u流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀 流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀是流动、电化学与机械力协同作用加速腐流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀是流动、电化学与机械力协同作用加速腐蚀的现象。油管内流动和经控制管汇的流动引起腐蚀蚀的现象。油管内流动和经控制管汇的流动引起腐蚀/冲蚀是油气井防冲蚀是油气井防腐设计的重要组成部分，如果说流体介质和电化学腐蚀是客观存在，那腐设计的重要组成部分，如果说流体介质
13、和电化学腐蚀是客观存在，那么流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀在很大程度上是可以通过合理设计而得到控么流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀在很大程度上是可以通过合理设计而得到控制的。制的。流动诱导腐蚀流动诱导腐蚀多相流流态多相流流态扰流扰流冲刷腐蚀冲刷腐蚀空泡腐蚀空泡腐蚀湍流腐蚀湍流腐蚀固体颗粒冲击固体颗粒冲击 1/17/202310第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类四、主要腐蚀性组分的腐蚀机理四、主要腐蚀性组分的腐蚀机理u地层水腐蚀地层水腐蚀 大部分油气井产出物中都不同程度地含地层水，其腐蚀的普遍性远大于硫大部分油气井产出物中都不同程度地含地层水，其腐蚀的普遍性远大于硫化氢、二
14、氧化碳等的腐蚀。凝析水不含无机盐离子，水量虽小，但腐蚀十分严化氢、二氧化碳等的腐蚀。凝析水不含无机盐离子，水量虽小，但腐蚀十分严重。重。与地层水腐蚀类似的还有：海水腐蚀；注水腐蚀；高浓度完井液水腐蚀；注与地层水腐蚀类似的还有：海水腐蚀；注水腐蚀；高浓度完井液水腐蚀；注热蒸汽稠油开采的水腐蚀；地热井开采的腐蚀；盐化工井的腐蚀。热蒸汽稠油开采的水腐蚀；地热井开采的腐蚀；盐化工井的腐蚀。含水量对腐蚀的影响含水量对腐蚀的影响地层水化学组分及其对腐蚀的影响地层水化学组分及其对腐蚀的影响 地层水中可能不同程度地溶解有氯化物、硫酸盐、碳酸盐等可溶性盐类，地层水中可能不同程度地溶解有氯化物、硫酸盐、碳酸盐等可
15、溶性盐类，它们对油、套管及设备的腐蚀大致有下列类型：它们对油、套管及设备的腐蚀大致有下列类型：对某些钢材的应力腐蚀及应力腐蚀开裂对某些钢材的应力腐蚀及应力腐蚀开裂由细菌的生命活动引起或促进材料的腐蚀破坏称为细菌腐由细菌的生命活动引起或促进材料的腐蚀破坏称为细菌腐蚀。1/17/202311第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类u硫化氢腐蚀机理及腐蚀类型 含硫化氢的井又称为酸性油气井，其相应的腐蚀称为酸性腐蚀（含硫化氢的井又称为酸性油气井，其相应的腐蚀称为酸性腐蚀（Sour Sour CorrosionCorrosion）。硫化氢的主要来源是含硫天然气井、油井的
16、原油及其伴生）。硫化氢的主要来源是含硫天然气井、油井的原油及其伴生气中可能含有元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩类化合物气中可能含有元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩类化合物及更复杂的硫化物。地层中硫酸盐及硫酸盐还原菌分解生成硫化氢，或及更复杂的硫化物。地层中硫酸盐及硫酸盐还原菌分解生成硫化氢，或含磺酸盐类油气井工作液在高温下分解生成硫化氢。含磺酸盐类油气井工作液在高温下分解生成硫化氢。硫化氢的物理性质硫化氢的物理性质硫化氢环境中主要的腐蚀类型及破坏特征硫化氢环境中主要的腐蚀类型及破坏特征硫化氢的电化学腐蚀硫化氢的电化学腐蚀材料在湿硫化氢中的环境断裂行为材料在湿硫化氢中的环境断
17、裂行为 元素硫腐蚀元素硫腐蚀1/17/202312第一节第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类u二氧化碳腐蚀腐蚀机理腐蚀机理 二氧化碳腐蚀在油气工业中叫甜腐蚀（二氧化碳腐蚀在油气工业中叫甜腐蚀（Sweet CorrosionSweet Corrosion），是相对于硫化氢腐），是相对于硫化氢腐蚀（蚀（Sour CorrosionSour Corrosion）而言的。二氧化碳溶于水形成碳酸，金属在碳酸水溶液中发生电化）而言的。二氧化碳溶于水形成碳酸，金属在碳酸水溶液中发生电化学腐蚀。在没有电解质（水）存在时，干燥的二氧化碳本身并不腐蚀金属。但是随着油气学腐蚀。在没有
18、电解质（水）存在时，干燥的二氧化碳本身并不腐蚀金属。但是随着油气田开发的进行，含水率逐渐上升，二氧化碳溶解于水，变成碳酸，具有较强的腐蚀性。田开发的进行，含水率逐渐上升，二氧化碳溶解于水，变成碳酸，具有较强的腐蚀性。腐蚀严重度影响因素腐蚀严重度影响因素二氧化碳分压影响二氧化碳分压影响 温度的影响温度的影响PHPH值的影响值的影响流动状态的影响流动状态的影响多腐蚀性组分共存对腐蚀的影响多腐蚀性组分共存对腐蚀的影响 硫化氢和二氧化碳共存对腐蚀的影响硫化氢和二氧化碳共存对腐蚀的影响 氧气和二氧化碳的共存对腐蚀的影响氧气和二氧化碳的共存对腐蚀的影响 氯离子对钢铁的影响随材质的不同而不同，可导致钢铁发生
19、严重的孔蚀、缝氯离子对钢铁的影响随材质的不同而不同，可导致钢铁发生严重的孔蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀隙腐蚀等局部腐蚀 酸腐蚀酸腐蚀 1/17/202313第二节第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法气井腐蚀的重要参数及其获取方法一、气液两相时的气体分压计算一、气液两相时的气体分压计算 在分析和研究腐蚀时，二氧化碳和硫化氢对腐蚀严重程度的影响常在分析和研究腐蚀时，二氧化碳和硫化氢对腐蚀严重程度的影响常用分压（用分压（Partial PressurePartial Pressure）来表示。）来表示。分压分压：在气体混合物中，假定在同一温度下，每个组分单独存在于：在气体混合物中，假定在同一温度下，每个
20、组分单独存在于混合物占据的总体积中所呈现出的压力，它等于体系绝对总压乘以该組混合物占据的总体积中所呈现出的压力，它等于体系绝对总压乘以该組分在混合物中的摩尔分数分在混合物中的摩尔分数(或体积分数或体积分数)，用，用MPaMPa表示。表示。一般说来分压越大，腐蚀越严重，硫化氢（或二氧化碳）的分压高一般说来分压越大，腐蚀越严重，硫化氢（或二氧化碳）的分压高低已是目前国际上用来判断腐蚀严重程度的最重要的判据。低已是目前国际上用来判断腐蚀严重程度的最重要的判据。1/17/202314第二节第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法气井腐蚀的重要参数及其获取方法气体含量常采用以下两种描述方法：气体含量常采用
21、以下两种描述方法：u气体的质量浓度（气体的质量浓度（G G）：）：标准状态（标准状态（2020和和101.3kPa101.3kPa）下每）下每m m3 3容积所含的某种气体的质量克容积所含的某种气体的质量克数，数，g/mg/m3 3。u气体的体积分数（气体的体积分数（X X），用表示。），用表示。上述两种浓度表示方法常常需要互换计算。上述两种浓度表示方法常常需要互换计算。式中式中 体积分数，用表示；体积分数，用表示；某种气体的质量浓度，某种气体的质量浓度，g/mg/m3 3 ；某种气体的摩尔质量，某种气体的摩尔质量，g/molg/mol；1mol1mol（kmolkmol）该种气体在标准状态（
22、）该种气体在标准状态（2020和和101.3kPa101.3kPa）下的）下的体积体积(L)/mol(m(L)/mol(m3 3/Kmol)/Kmol)。1 1升升=10=10-3-3m m3 3。10MGVX1/17/202315第二节第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法气井腐蚀的重要参数及其获取方法u气体的摩尔分数气体的摩尔分数(X):(X):对于理想气体，或体系压力不高的气体体系，使用中常将气体的摩尔分数对于理想气体，或体系压力不高的气体体系，使用中常将气体的摩尔分数视为等于该气体的体积分数。视为等于该气体的体积分数。u气体总压为气体总压为70MPa70MPa，气体中硫化氢摩尔分数为，
23、气体中硫化氢摩尔分数为1010，那么硫化氢分压为，那么硫化氢分压为7MPa7MPa。如果系统中的总压和硫化氢的浓度是已知的，硫化氢分压就可用。如果系统中的总压和硫化氢的浓度是已知的，硫化氢分压就可用下图进行计算。下图进行计算。酸性气体系统：硫化氢分压等压线酸性气体系统：硫化氢分压等压线1/17/202316第二节第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法气井腐蚀的重要参数及其获取方法二、无气相的液体系统中硫化氢气体分压的计算二、无气相的液体系统中硫化氢气体分压的计算 对于无气相液体系统，有效的硫化氢热力学活度可以通过硫化氢真对于无气相液体系统，有效的硫化氢热力学活度可以通过硫化氢真实分压计算，其方
24、法如下：实分压计算，其方法如下：u用适当的方法测量某一温度下液体的泡点压力（用适当的方法测量某一温度下液体的泡点压力（PBPB）。在分离器下游的充满液）。在分离器下游的充满液体管线中，泡点压力可以近似取为最后一个分离器的总压。体管线中，泡点压力可以近似取为最后一个分离器的总压。u在泡点条件下，测定气相中硫化氢的摩尔分数。在泡点条件下，测定气相中硫化氢的摩尔分数。u由以下公式计算泡点状态下天然气中硫化氢分压：由以下公式计算泡点状态下天然气中硫化氢分压：式中式中 硫化氢分压，硫化氢分压，MPaMPa；泡点，泡点，MPaMPa；硫化氢在气体中的摩尔分数，。硫化氢在气体中的摩尔分数，。u用此方法测定液
25、态系统中的硫化氢分压。可用此值判断系统是否符合用此方法测定液态系统中的硫化氢分压。可用此值判断系统是否符合ISO 15156ISO 151562 2规定的酸性环境系统。规定的酸性环境系统。BSHpP21002 SHXSHP2BPSHX21/17/202317第二节第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法气井腐蚀的重要参数及其获取方法三、三、PH值测定与计算值测定与计算 PHPH值是影响腐蚀的关键因素，现场腐蚀状况的诊断分析或者值是影响腐蚀的关键因素，现场腐蚀状况的诊断分析或者防腐设计经常要涉及到防腐设计经常要涉及到PHPH值。值。PHPH值受组分的溶解、逸出和温度、压力和相变等因素的影响，值受组
26、分的溶解、逸出和温度、压力和相变等因素的影响，因此，油管外环空及油管内不同井深的因此，油管外环空及油管内不同井深的PHPH值均有差异。值均有差异。PHPH值也是值也是定量描述腐蚀严重程度和材料评选的基本依据之一。定量描述腐蚀严重程度和材料评选的基本依据之一。二氧化碳含量二氧化碳含量对对pHpH值有显著的影响，在分析井下腐蚀状况时，需要同时考值有显著的影响，在分析井下腐蚀状况时，需要同时考虑油气组分的影响虑油气组分的影响同时含有硫化氢和二氧化碳时，必须考虑同时含有硫化氢和二氧化碳时，必须考虑两者溶于水时两者溶于水时pHpH值的降低值的降低。硫化。硫化氢在溶液中的溶解度差异甚大氢在溶液中的溶解度差
27、异甚大温度对系统温度对系统pHpH值的影响不如压力的影响大值的影响不如压力的影响大 1/17/202318第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用一、气井腐蚀性环境材料选用原则和标准一、气井腐蚀性环境材料选用原则和标准 正确选用油管、套管及各种井下附件、采油树及地面设正确选用油管、套管及各种井下附件、采油树及地面设备的材料是油气井防腐的最重要环节，选材不当不仅造成浪备的材料是油气井防腐的最重要环节，选材不当不仅造成浪费，而且隐藏安全风险。本节重点讨论碳钢和低合金钢、不费，而且隐藏安全风险。本节重点讨论碳钢和低合金钢、不锈钢和耐蚀合金的选用。锈钢和耐蚀合金的选用。u设计依据
28、设计依据 在硫化氢酸性环境情况下在硫化氢酸性环境情况下 钢种：碳钢、低合金钢钢种：碳钢、低合金钢 材料选择最重要和优先考虑的因素：环境断裂材料选择最重要和优先考虑的因素：环境断裂 酸性环境抗开裂的材料选择标准：标准酸性环境抗开裂的材料选择标准：标准ISO 15156ISO 151562 2；ISO 11960 ISO 11960 技术性能规范；技术性能规范；ISO 10400ISO 10400强度和设计方法规范；强度和设计方法规范；ISO 15156-4 ISO 15156-4 1/17/202319第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用u适用性设计方法适用性设计方法
29、NACENACE方法方法A A和和A A溶液是一种最苛刻的抗硫化物应力开裂评价方法。对溶液是一种最苛刻的抗硫化物应力开裂评价方法。对于某些腐蚀环境，按前述于某些腐蚀环境，按前述ISO15156ISO15156标准选不到合适的材料标准选不到合适的材料ISO15156ISO151561 1提供了适用性设计的一个原则，即可以根据现场经验资料进行材料的判提供了适用性设计的一个原则，即可以根据现场经验资料进行材料的判别。但需符合下述条件：别。但需符合下述条件：提供的现场经验至少持续两年时间，并且包括现场使用之后全面的提供的现场经验至少持续两年时间，并且包括现场使用之后全面的检查检查拟使用环境苛刻程度不能
30、超过提供的现场经验所处的环境拟使用环境苛刻程度不能超过提供的现场经验所处的环境 1/17/202320第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用二、气井腐蚀性环境材料类型及适用范围二、气井腐蚀性环境材料类型及适用范围u油气井腐蚀性环境材料类型油气井腐蚀性环境材料类型 碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢 耐蚀合金耐蚀合金 其它材料其它材料 u油气井腐蚀环境与材料选用的相关性油气井腐蚀环境与材料选用的相关性 轻微腐蚀环境轻微腐蚀环境硫化氢酸性环境和硫化物应力开裂是主要的控制因素硫化氢酸性环境和硫化物应力开裂是主要的控制因素湿二氧化碳环境湿二氧化碳环境湿二氧化碳和微量硫化氢环境湿二氧化
31、碳和微量硫化氢环境高含硫化氢和高含二氧化碳恶劣的腐蚀环境高含硫化氢和高含二氧化碳恶劣的腐蚀环境1/17/202321第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用油气井腐蚀环境与材料选用指导图油气井腐蚀环境与材料选用指导图 1/17/202322第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用三、碳钢和低合金钢环境断裂的评价方法和判据三、碳钢和低合金钢环境断裂的评价方法和判据u评价标准和方法评价标准和方法 NACE TM0177NACE TM017720052005标准规定了试验使用的试剂、试样和设备、需标准规定了试验使用的试剂、试样和设备、需遵循的试验程序等。遵
32、循的试验程序等。u碳钢和低合金钢在硫化氢酸性环境中开裂严重度判据碳钢和低合金钢在硫化氢酸性环境中开裂严重度判据 硫化氢的分压、硫化氢的分压、pHpH值值 u常用抗硫化氢应力开裂碳钢和低合金钢油、套管材料常用抗硫化氢应力开裂碳钢和低合金钢油、套管材料 国际统一标准钢级由字母及其后的数码组成，数码则代表套管材料的国际统一标准钢级由字母及其后的数码组成，数码则代表套管材料的最小抗拉屈服强度，数码值乘以最小抗拉屈服强度，数码值乘以1000kPsi(6894.757kPa)1000kPsi(6894.757kPa)就是最小抗拉就是最小抗拉屈服强度。以屈服强度。以N80N80套管为例，钢级为套管为例，钢级
33、为N80N80，代表最小屈服强度为，代表最小屈服强度为80000kPsi80000kPsi（551.6MPa551.6MPa）。）。1/17/202323第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用u影响碳钢和低合金钢开裂的主要因素影响碳钢和低合金钢开裂的主要因素 化学成分，制造方法，成形方式，强度，材料的硬度和局部变化，冷加工化学成分，制造方法，成形方式，强度，材料的硬度和局部变化，冷加工量，热处理条件，材料微观结构，微观结构的均匀性，晶粒大小和材料的量，热处理条件，材料微观结构，微观结构的均匀性，晶粒大小和材料的纯净度纯净度硫化氢分压或在水相中的当量浓度硫化氢分压或在水相
34、中的当量浓度水相中的氯离子浓度水相中的氯离子浓度水相酸度值（水相酸度值（pH值）值）是否存在元素硫或其他氧化剂是否存在元素硫或其他氧化剂非产层流体侵入或与非产层流体接触非产层流体侵入或与非产层流体接触温度温度应力状态及总拉伸应力（外加应力加残余应力）应力状态及总拉伸应力（外加应力加残余应力）暴露时间暴露时间 设计和选用时需要考虑影响碳钢和低合金钢开裂的主要因素设计和选用时需要考虑影响碳钢和低合金钢开裂的主要因素硬度硬度酸性环境不同钢级套管和油管适用的温度条件酸性环境不同钢级套管和油管适用的温度条件1/17/202324第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用四、耐蚀合金材
35、料油套管四、耐蚀合金材料油套管 耐蚀合金腐蚀的主要形式是局部腐蚀和环境断裂。耐蚀合金腐蚀的主要形式是局部腐蚀和环境断裂。u用于油气井油、套管耐蚀合金类型及基本成分用于油气井油、套管耐蚀合金类型及基本成分u耐蚀合金的腐蚀影响因素耐蚀合金的腐蚀影响因素腐蚀现象腐蚀现象 耐蚀合金的点蚀耐蚀合金的点蚀 影响耐蚀合金点蚀及开裂的环境因素影响耐蚀合金点蚀及开裂的环境因素 u 耐蚀合金的使用环境限制耐蚀合金的使用环境限制 1/17/202325第三节第三节 气井腐蚀性环境的材料选用气井腐蚀性环境的材料选用五、非金属材料的腐蚀五、非金属材料的腐蚀 在井下和井口装置中常用到一些非金属材料作密封件或零件，防腐在井
36、下和井口装置中常用到一些非金属材料作密封件或零件，防腐设计亦需要考虑设计亦需要考虑非金属材料的抗腐蚀性能非金属材料的抗腐蚀性能。国内外的研究已经认识到了甲烷、硫化氢、二氧化碳和地层水共存国内外的研究已经认识到了甲烷、硫化氢、二氧化碳和地层水共存或某几项组合对水泥环的腐蚀问题，但是缺乏在高温高压下长期寿命影或某几项组合对水泥环的腐蚀问题，但是缺乏在高温高压下长期寿命影响的研究及标准。高温高压下需要设计采用抗硫化氢、二氧化碳的水泥响的研究及标准。高温高压下需要设计采用抗硫化氢、二氧化碳的水泥体系或处理剂。应特别注意高温高压下体系或处理剂。应特别注意高温高压下超临界态二氧化碳对水泥的侵蚀超临界态二氧
37、化碳对水泥的侵蚀。1/17/202326第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计一、防止油管的冲蚀一、防止油管的冲蚀/腐蚀腐蚀u考虑油管冲蚀考虑油管冲蚀/腐蚀的平均流速计算腐蚀的平均流速计算 冲蚀冲蚀/腐蚀的平均流速腐蚀的平均流速计算计算 美国石油学会建议的两相流（气美国石油学会建议的两相流（气/液）管道中冲蚀极限速度（液）管道中冲蚀极限速度（API RP14E）为）为 式中式中 冲蚀速度，冲蚀速度，m/sm/s；经验常数。若流速在临界速度以内，则可控制腐蚀的速度。对经验常数。若流速在临界速度以内，则可控制腐蚀的速度。对 于于H H2 2S S的情况钢表面形成的硫化铁膜，确定为的情况钢表面形
38、成的硫化铁膜，确定为116116。对于。对于COCO2 2的情况钢表面形成的的情况钢表面形成的碳酸铁腐蚀膜，为碳酸铁腐蚀膜，为110110。若腐蚀膜是。若腐蚀膜是FeFe3 3O O4 4，为，为183183。气体的密度，气体的密度，kg/mkg/m3 3。油管内流速油管内流速对腐蚀影响的复杂性对腐蚀影响的复杂性要特别重视要特别重视 含二氧化碳气井的含二氧化碳气井的油管直径选用和产量控制油管直径选用和产量控制。geCVeVCg1/17/202327第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计u优选螺纹结构，防止螺纹冲蚀优选螺纹结构，防止螺纹冲蚀/腐蚀腐蚀 腐蚀环境的油气井宜采用气密封螺纹。气密封
39、螺纹流道变化小，有利腐蚀环境的油气井宜采用气密封螺纹。气密封螺纹流道变化小，有利于防止涡流冲蚀电偶腐蚀，降低缝隙腐蚀和电位腐蚀。于防止涡流冲蚀电偶腐蚀，降低缝隙腐蚀和电位腐蚀。APIAPI园螺纹接箍园螺纹接箍中部的涡流冲蚀和高的接触应力、应力集中等结构缺陷易导致先期失效中部的涡流冲蚀和高的接触应力、应力集中等结构缺陷易导致先期失效。油套管柱中，螺纹连接是首先被腐蚀油套管柱中，螺纹连接是首先被腐蚀的部位。当流体通过油管柱接箍中部的的部位。当流体通过油管柱接箍中部的时候，截面变化，即截面的突然放大和时候，截面变化，即截面的突然放大和突然缩小，流体流速及流场将发生了变突然缩小，流体流速及流场将发生了
40、变化。在该区产生了化。在该区产生了冲蚀腐蚀、应力腐蚀、冲蚀腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀，电偶腐蚀，流动腐蚀缝隙腐蚀，电偶腐蚀，流动腐蚀等。等。油管外螺纹端部腐蚀形貌油管外螺纹端部腐蚀形貌 1/17/202328第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计二、油套环空（油管外壁和套管内壁）腐蚀二、油套环空（油管外壁和套管内壁）腐蚀u开口环空开口环空 油管下部不带封隔器的完井结构称为开口环空。油套环空套管内壁和油管油管下部不带封隔器的完井结构称为开口环空。油套环空套管内壁和油管外壁的腐蚀决定于产出流体和环空油气水的相态变化。一些油气田油管外壁比外壁的腐蚀决定于产出流体和环空油气水的相态变化。一些油气田油
41、管外壁比内壁腐蚀严重，可见从外壁向内延伸的局部腐蚀穿孔。二氧化碳溶于凝析水，内壁腐蚀严重，可见从外壁向内延伸的局部腐蚀穿孔。二氧化碳溶于凝析水，可使凝析水可使凝析水pHpH值降到值降到4.04.0以下。由于环空无流动，该凝析水可稳定地附着在油管以下。由于环空无流动，该凝析水可稳定地附着在油管外壁，造成失重腐蚀或点蚀穿孔。外壁，造成失重腐蚀或点蚀穿孔。气井底部的油管和套管在气水界面附近溶解与析出产生的传质动力因素也气井底部的油管和套管在气水界面附近溶解与析出产生的传质动力因素也会加剧腐蚀会加剧腐蚀。u闭口环空闭口环空 油管下部带封隔器的完井结构称为闭口环空。环空保护液应具有如下性能：油管下部带封
42、隔器的完井结构称为闭口环空。环空保护液应具有如下性能：具有良好的防腐蚀性能具有良好的防腐蚀性能高温及长期的稳定性高温及长期的稳定性还有加入的聚合物材料无分解，加重材料无沉降还有加入的聚合物材料无分解，加重材料无沉降具有一定的密度，能平衡压力具有一定的密度，能平衡压力环空保护液具有一定的密度，以平衡油管内的高压和对封隔器施加一定回压环空保护液具有一定的密度，以平衡油管内的高压和对封隔器施加一定回压1/17/202329第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计三、套管外防腐三、套管外防腐u套管外腐蚀主要发生在未注水泥的自由套管段，水泥环可较好的保护套套管外腐蚀主要发生在未注水泥的自由套管段，水泥
43、环可较好的保护套管免受腐蚀。在注水泥质量差的井段，或井下作业损伤了水泥环的井段，管免受腐蚀。在注水泥质量差的井段，或井下作业损伤了水泥环的井段，套管也可能受到腐蚀。套管也可能受到腐蚀。u防止管外腐蚀的主要措施防止管外腐蚀的主要措施 避免裸眼段过长，用水泥封固腐蚀性井段；避免裸眼段过长，用水泥封固腐蚀性井段；采用套管外涂层或外采用套管外涂层或外缠绕保护膜；提高注水泥质量和采用合适的抗腐蚀水泥。缠绕保护膜；提高注水泥质量和采用合适的抗腐蚀水泥。1/17/202330第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计 四、防止电偶腐蚀的设计四、防止电偶腐蚀的设计u电偶腐蚀的普遍性电偶腐蚀的普遍性u防止电偶腐
44、蚀措施防止电偶腐蚀措施“大阳极小阴极大阳极小阴极”的连接设计的连接设计在异种金属连接或接触间加绝缘材料或密封填料在异种金属连接或接触间加绝缘材料或密封填料 局部牺牲阳极保护局部牺牲阳极保护 1/17/202331第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计五、采油树系统腐蚀五、采油树系统腐蚀 采油树系统防腐的关键是正确选型，针对不同腐蚀环境，选用相应的采油采油树系统防腐的关键是正确选型，针对不同腐蚀环境，选用相应的采油树材料等级。树材料等级。二氧化碳的主要危害：二氧化碳的主要危害：流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀加剧了电化学腐蚀；加剧了电化学腐蚀；硫化氢的主要危害：硫化氢的主要危害：
45、应力开裂应力开裂问题问题 。采油树材料防腐蚀等级划分采油树材料防腐蚀等级划分材料类别工况二氧化碳分压，MPaAA一般环境，无腐蚀0.05BB一般环境，轻度腐蚀0.05-0.21CC一般环境，中度腐蚀到严重腐蚀0.21DD酸性环境，无腐蚀0.05EE酸性环境，轻度腐蚀0.05-0.21FF酸性环境，中度腐蚀到严重腐蚀0.21HH酸性环境，严重腐蚀1/17/202332第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计根据缓蚀剂作用机理根据缓蚀剂作用机理 六、注缓蚀剂防腐六、注缓蚀剂防腐钝化型：钒酸盐、铬酸盐等钝化型：钒酸盐、铬酸盐等薄膜型：胺类，如伯胺、聚胺、薄膜型：胺类，如伯胺、聚胺、加注缓蚀剂的技术
46、：加注缓蚀剂的技术：环空注入法：环空注入法：根据腐蚀监测情况确定合理注入周期。根据腐蚀监测情况确定合理注入周期。环空加药既能保护油管（内、外壁）又能保护套管（内壁），甚至对地环空加药既能保护油管（内、外壁）又能保护套管（内壁），甚至对地面集输管线还有保护作用。特别值得一提的是，如加入缓蚀阻垢剂，不仅能面集输管线还有保护作用。特别值得一提的是，如加入缓蚀阻垢剂，不仅能防腐，还可防止油管和集输管线内壁结垢。防腐，还可防止油管和集输管线内壁结垢。从油管内投缓蚀棒，缓蚀棒中含有缓蚀剂，在一定条件下逐步释放缓蚀剂，从油管内投缓蚀棒，缓蚀棒中含有缓蚀剂，在一定条件下逐步释放缓蚀剂，从而起到保护油管内壁的作
47、用。从而起到保护油管内壁的作用。酰胺类、咪唑啉、鳞化物等酰胺类、咪唑啉、鳞化物等1/17/202333第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计注缓蚀剂设计和现场应用中应该注意的问题有效性及技术经济评价。有效性及技术经济评价。在硫化氢气井中，不应把注缓蚀剂作为防止环境开裂的措施。在硫化氢气井中，不应把注缓蚀剂作为防止环境开裂的措施。注缓蚀剂主要用于解决一般性的电化学腐蚀。这是因为影响注缓蚀注缓蚀剂主要用于解决一般性的电化学腐蚀。这是因为影响注缓蚀剂效果的因素较多，具有不确定性。临时性的井下作业可考虑注缓蚀剂剂效果的因素较多，具有不确定性。临时性的井下作业可考虑注缓蚀剂防止环境开裂，例如，下测井
48、钢丝作业时保护钢丝，酸化作业时保护油防止环境开裂，例如，下测井钢丝作业时保护钢丝，酸化作业时保护油管等。管等。油管内流速和局部涡流影响缓蚀剂效果。油管内流速和局部涡流影响缓蚀剂效果。当油管下部装有封隔器时，从环空注缓蚀剂的井下装置过于复杂，可靠当油管下部装有封隔器时，从环空注缓蚀剂的井下装置过于复杂，可靠性难以保证。性难以保证。缓蚀剂对环境的不良影响，已日益受到关注，并将成为缓蚀剂评价和选缓蚀剂对环境的不良影响，已日益受到关注，并将成为缓蚀剂评价和选用的考虑因素之一。用的考虑因素之一。1/17/202334第四节第四节 气井的防腐设计气井的防腐设计七、内涂层或内衬双金属复合油管七、内涂层或内衬
49、双金属复合油管u内涂层油管内涂层油管 在腐蚀环境不是十分恶劣的油气井中，采用内涂层油管具有较高的技术经在腐蚀环境不是十分恶劣的油气井中，采用内涂层油管具有较高的技术经济效益和安全性。目前公认的内涂层材料是一种改性酚醛环氧树脂。济效益和安全性。目前公认的内涂层材料是一种改性酚醛环氧树脂。内涂层油管具有下述优点：内涂层油管具有下述优点：具有低摩阻系数具有低摩阻系数改变表面润湿状态改变表面润湿状态投资比较低投资比较低 内涂层油管的缺点：内涂层油管的缺点：忍受机械碰、擦伤能力较低，因此抽油井、油管内频繁作业的井不宜采用。内涂层油忍受机械碰、擦伤能力较低，因此抽油井、油管内频繁作业的井不宜采用。内涂层油
50、管主要用于注水井、气井或自喷井和电潜泵抽油井。管主要用于注水井、气井或自喷井和电潜泵抽油井。螺纹连接部位的防腐处理较难，需要同时考虑公扣端部的保护问题。螺纹连接部位的防腐处理较难，需要同时考虑公扣端部的保护问题。涂料质量和喷涂工艺及过程控制要求高，否则会出现脱层或鼓泡等失效问题。涂料质量和喷涂工艺及过程控制要求高，否则会出现脱层或鼓泡等失效问题。u不锈钢或合金内衬双金属复合油管不锈钢或合金内衬双金属复合油管 在普通油管内衬一层不锈钢或耐蚀合金薄壁管，使其成为双金属复合油管。内衬管的在普通油管内衬一层不锈钢或耐蚀合金薄壁管，使其成为双金属复合油管。内衬管的材料可根据油田腐蚀环境选择，常选用以二氧
