钻井采油及集输系统的腐蚀与防护

腐蚀与防护,第二章 钻井、采油及集输系统的 腐蚀与防护,第二章 钻井、采油及集输系统的腐蚀与防护,石油工业是由石油勘探，钻井，开发，采油，油气集输，油气处理，油气储存、运输、石油炼制等环节组成的。 由于石油工业中的特殊环境，采用的材料几乎都是金属，而且金属设备在每一个环节都存在腐蚀现象。,石油工业中的设备,油气井设备：钻具、钻杆、井筒、套管和井口装置。 集输设备：输油气管线、回注管线、阀门、压力容器和储罐。 炼化设备：常减压装置、催化裂化装置、延迟焦化装置、催化重整装置、制氢装置等。 海上设备：固定平台、钢筋混凝土柱和海底管道等。,集输设备,石油工业中的腐蚀现状与危害,石油产业中的腐蚀造成的经济损失越占产值的6。腐蚀事件频繁发生 。 某油田（小型油田）1993年有400多口油井因井下管柱或共居的腐蚀而频繁停产作业，100多口注水井套管因腐蚀穿孔，更换注水井套管耗费3950万元。 石油工业的腐蚀还会导致严重的环境污染，例如1994年俄罗斯的集输管线破裂，原油泄漏，导致严重的环境污染。,油泵腐蚀,集输管线穿孔,集输管线埋地弯头腐蚀,轻烃站冷却器腐蚀,油井管腐蚀,油管腐蚀穿孔,油管腐蚀穿孔,油管腐蚀穿孔,防腐杆本体腐蚀断,第二章 钻井、采油及集输系统的腐蚀与防护,第一节 钻井工程的腐蚀与防护 第二节 采油及集输系统的腐蚀环境 第三节 采油及集输系统中的腐蚀 第四节 采油及集输系统腐蚀的防护措施,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,一、钻井过程中的腐蚀 钻井过程中的腐蚀介质主要来自大气、钻井液和地层产出物，通常是几种组分同时存在。 对钻井专用管材、井下工具、井口装置等金属常见的腐蚀类型有：应力腐蚀、腐蚀疲劳、硫化物应力开裂、点蚀（坑点腐蚀）、湍流腐蚀（冲蚀）等，其特征见表2-l。 。,表2-1 钻井过程中金属局部腐蚀类型及特征,1.钻井液 （1）钻井液组成及温度对腐蚀的影响。,表2-2 未经处理的钻井液的腐蚀速率,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,1.钻井液 （1）钻井液组成及温度对腐蚀的影响。,表2-3无固相盐水体系的腐蚀速率,挂片类型,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,不同类型的盐水对钢的腐蚀速率不同，在36%NaCl盐水中的腐蚀速率大于在15%NaCl+10%Na2SO4盐水中的腐蚀速率，说明Cl-引起钢片的电化学腐蚀比SO42-严重。,不同温度下，钢片的腐蚀速率也不同，静态20下，各种盐水介质的腐蚀速率均小于0.1g/(m2·h)，而高温下钢片在盐水介质中腐蚀速率明显增加，是常温下腐蚀速率的几十倍甚至上千倍。因此，在钻深井时，必须注意钻井液在高温下的腐蚀与防护问题。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,（2）钻井液密度对腐蚀的影响 不同密度加重钻井液的腐蚀速率亦各不同。钻井液的加重材料为重晶石，钢片在120下，不同密度的钻井液进行动态扰动达37h，其结果见表2-4。,表2-4 不同密度加重钻井液的腐蚀效率,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,（2）钻井液密度对腐蚀的影响,重晶石的加量从50增加到160，腐蚀速率从0.0539g/(m2·h)增大到0.2888g/(m2·h)，增大了5倍。说明钻井液中的固相颗粒对钻杆腐蚀影响较大，固相颗粒含量越高，对金属表而的腐蚀越大，因此，在钻砂岩和砂质地层时钻井液中会含有磨蚀性砂粒，其含量必须控制在最低限度。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,（3）钻井液pH值对腐蚀的影响,表2-5 pH值对钻井液腐蚀速率的影响,一般说来，钻具的腐蚀速率随钻井液腐蚀速率的增加而增加；随钻井液pH的上升，腐蚀速率会逐渐降低。 控制钻井液的pH值是控制钻具腐蚀的主要措施之一。 控制钻井液的pH值大于10会大大延长金属材料的使用寿命。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,2.氧气 钻井过程中，由于钻井液循环系统是非密闭的，大气中的氧通过振动筛、泥浆罐、泥浆泵等设备在钻井液循环过程中混入钻井液，成为游离氧，部分氧溶解在钻井液中，直到饱和状态。 水中的氧达到饱和时可含8-12mg/L，而氧在相当低的含量下（少于1mg/L）就能引起严重腐蚀。 钻井液中的溶解氧是钻杆腐蚀的主要原因之一。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,无固相盐水体系的腐蚀速率见表2-3。 表2-3无固相盐水体系的腐蚀速率,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,氧对钢材的腐蚀作用如下： 电化学腐蚀。 反应式：4Fe + 6H2O4Fe(OH)3 Fe(OH)3在pH值低于4时形成沉淀。 阳极处：FeFe2+ 阴极处：O2+2H2O+4e4OH- 附着铁锈下的氧浓差电池腐蚀。 氧作为耗氧细菌的原料，使细菌大量繁殖产生腐蚀。 氧与其他腐蚀因素产生协同效应，加速钢材腐蚀。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,氧的腐蚀性受氧浓度、温度、pH值等因素的制约。 单一的氧腐蚀是均匀腐蚀，大气中的钻井设备腐蚀就是氧腐蚀的典型代表。 氧在水中的溶解度随溶液温度的升高和矿化度的增加而下降，因而，饱和盐水钻井液中含溶解氧量少，其腐蚀性弱。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,3.硫化氢 硫化氢对钻具及钻井设备具有强烈的腐蚀性。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,3.硫化氢 侵入钻井液体系的硫化氢可来自下列几个方面： a.含硫化氢的地层流体。 b.钻井液中含硫添加剂(如磺化酚醛树脂等)的分解。 c.采用含硫的接头丝扣润滑剂发生化学反应。 d.细菌对存在于钻井液中硫酸盐的作用。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,3.硫化氢 硫化氢腐蚀表现的形式有以下几种： 电化学腐蚀。 氢诱发裂纹(HIC)和氢鼓泡HB)。 硫化物应力开裂（SSC）。 氢鼓泡 硫化物应力开裂,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,3.硫化氢 普遍认为硫化氢对钢有极强的腐蚀性，而且其还是一种很强的渗氢介质，可以导致钢材料的氢脆。分两部分： 硫化氢的电化学腐蚀 相比于二氧化碳和氧气，硫化氢在水中溶解度很高，且溶解后呈酸性。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,硫化氢电离产物吸附在金属表面，氢离子为很强的去极化剂，很容易在阴极得到电子，同时削弱了铁原子间的金属键，进一步促进阳极溶解反应，从而使金属腐蚀。 硫化氢导致氢脆 目前无统一理论，一种理论认为，钢材在缺陷处，可以捕获氢，这些缺陷就成为氢的富集区。当氢在金属内部富集就会产生氢气，压力可至300MPa，使钢材脆化。,4.二氧化碳 干CO2是一种非腐蚀性气体，但是当存在水时，水与CO2反应生成碳酸，引起腐蚀作用。碳酸与铁反应生成碳酸铁，管材成片状脱落，减少管壁厚度。 一般情况下，CO2腐蚀与pH值的变化有函数关系，pH降低，CO2腐蚀就严重，反之，pH升高，腐蚀性降低，但该介质易结垢。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,CO2可来自以下几个方面 （1）含CO2的地层流体。 （2）采用CO2混相驱技术提高原油采收率而向地层注入的CO2。 （3）钻井过程中的补水进气。 通常使用碱性钻井液或添加缓蚀剂是控制二氧化碳腐蚀的有效方法。,塔里木油田某井油管CO2腐蚀形貌图,二、钻井过程中的防腐蚀措施 1.控制钻井液的腐蚀性 控制pH值。 通常将钻井液泥浆pH值提高到10以上。 正确选择缓蚀剂。 添加除氧剂。 国内外广泛使用的除氧剂为亚硫酸盐。 选择性添加除硫剂。 除硫剂的作用原理：通过化学反应将钻井液中的可溶性硫化物等转化成一种稳定的，不与钢材起反应的惰性物质，从而降低钻具的腐蚀。 常用的除硫剂是海绵铁和微孔碱式碳酸锌。 控制含砂量。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,表2-6列出了钻井液中有害组分来源，推荐了常用的减缓腐蚀处理方法，值得在钻井实际过程中考虑。,表2-6 钻井液中有害组分来源与防治措施,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,2.使用内防腐层钻杆 钻杆内涂层防腐是使金属与腐蚀介质隔绝，不使腐蚀介质与金属直接接触。从而，大大减少钻杆的腐蚀疲劳，可延长钻杆使用寿命1倍以上。 3.钻井过程中的腐蚀监测 目前比较成熟的方法是腐蚀环法，即在钻杆公扣端部与母扣凹槽的部位放一个金属腐蚀试验环，放入井下与钻井液接触一段时间后，提起钻杆取下腐蚀试验环进行检测。 腐蚀试验环的安装。 腐蚀试验环的处理。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,三、钻杆腐蚀疲劳及其保护 钻杆在使用过程中要长期经受拉、扭、弯曲等交变应力的作用，易造成钻杆的腐蚀疲劳，同时，钻杆外壁要受到套管和井壁的摩擦，井内介质的腐蚀及泥浆循环时对钻杆内外表面冲刷而产生的腐蚀，各种腐蚀同时作用、互相影响、加快了钻杆的损坏。其中钻杆的腐蚀疲劳失效是钻杆使用中的最大威胁，造成严重的经济损失。,表2-7 钻杆失效原因统计结果（%）,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,1.钻杆腐蚀疲劳的主要特征 钻杆腐蚀疲劳常见的类型有：扭断、冲蚀、母接头破坏、公接头断裂 。,表2-8 钻杆常见的问题及原因,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,根据全国油气田钻具失效情况调查分析，得到如下结论： 腐蚀疲劳是钻杆失效的最主要的形式，约占55%-85%。 钻杆腐蚀疲劳多发生在钻杆上结构变化较大的部位，如内加厚过渡区消失处和内螺纹接头方台肩根部。 钻杆腐蚀疲劳多与先期的点蚀有关，对管体表面的机械损伤十分敏感。 钻杆腐蚀疲劳多发生在井内介质腐蚀性严重的地区和井斜、方位变化较大的“狗腿”井段。 钻杆发生疲劳的寿命受井内介质、井斜和方位变化、钻杆结构、材质等多种因素的影响。,2.钻杆腐蚀疲劳的主要影响因素 损伤缺陷和坑点腐蚀的影响。 应力的影响。 机械力的影响。 表面防腐层的影响。 材质韧性的影响。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,3.防止钻杆腐蚀疲劳破坏措施 必须采取正确的操作步骤，尽量避免产生各种应力。 采用无腐蚀性的连续相油基泥浆，如果用水基泥浆，要使泥浆的pH10才行，pH值低于10时要使用缓蚀剂。 选用内防腐层钻杆，钻杆寿命可提高13倍。 在硫化物环境中，避免采用高强度钻杆或钻杆接头。 新、旧钻杆下井前应进行无损探伤，尤其对加厚过渡区进行检查，及时发现腐蚀疲劳裂纹，把腐蚀疲劳损伤严重的钻杆及时排除。 要考虑钻杆的冲击韧性。 钻杆的存放，必须保证良好的防腐蚀环境，存放不宜超过2年。 优化钻具组合和结构，改善钻杆的应力分布，减小结构上的应力集中。 根据钻具负荷采用内平钻杆，推广加厚结构改进型新钻杆。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,四、钻杆内防腐层应用实例 实践表明，钻杆内壁涂敷防腐涂料提高了钻井工作效率，取得了显著的经济效益。 （1）钻杆涂料 目前，国内外使用的钻杆涂料主要为溶剂型涂料，其成膜物质以环氧酚醛树脂作基料配制而成。 （2）钻杆喷涂工艺流程 钻杆喷涂工艺流程：钻杆进厂检验高压热水冲洗管端丝扣(去除油污杂质) 400高温烘烤（烧毁旧涂层和有机物并松弛氧化层) 喷砂除锈底漆喷涂连续护干燥面漆喷涂批式炉固化质量检查。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,（3）钻杆防腐层应用 华北油田使用国产涂料喷涂钻杆，完成钻井25口，防腐层未发现任何破损，防腐层表面仍光滑，未发现内壁腐蚀坑点。此时，经对钻杆防腐层物理化学性能检验，其各项性能指标没有明显降低，预计钻杆内防腐层可延长钻杆使用寿命l-3倍。由于内防腐层钻杆内壁光滑，还可以降低泥浆流动阻力，提高流速10%-15%；降低泵压2MPa，具有明显的经济效益。,第一节 钻井工程的腐蚀与防护,第二章 钻井、采油及集输系统的腐蚀与防护,第一节 钻井工程的腐蚀与防护 第二节 采油及集输系统的腐蚀环境 第三节 采油及集输系统中的腐蚀 第四节 采油及集输系统腐蚀的防护措施,第二节 采油及集输系统的腐蚀环境,采油及集输系统的腐蚀是指原油及其采出液、伴生气在采油井、计配站、集输管线、集中处理站和回注系统的金属管线、设备、容器内产生的内腐蚀以及与土壤、空气接触所造成的外腐蚀。 油田生产过程中内腐蚀造成的破坏一般占主要地位。由于油田所处地理位置及生产环节的不同，其腐蚀特征和腐蚀影响因素也不同，因此，有针对性的采取防腐措施，减缓大气、土壤和