气基流体欠平衡钻井腐蚀、冲蚀研究现状及进展

1、气基流体欠平衡钻井腐蚀、冲蚀研究现状及进展    在钻井过程中，利用自然或人工方法使钻井液当量循环压力低于地层压力，地层流体有控制地流入井眼的一种钻井技术称欠平衡钻井。欠平衡钻井技术适用于低压、裂缝及溶洞发育地层，具有气/液柱压力低，机械钻速快，防漏治漏效果好等优点。按循环介质的不同，欠平衡钻井可分为气基流体欠平衡钻井和水基流体欠平衡钻井如下两大类。（1）气基流体欠平衡钻井：包括气体钻井（空气、氨气、天然气、二氧化碳、烟道气、柴油机尾气等）、雾化钻井、泡沫钻井（硬胶泡沫钻井和稳定泡沫钻井）、充气钻井。（2）水基流体欠平衡钻井：常规钻井液、加重钻井液、玻璃

2、微珠、塑料微珠。气基流体欠平衡钻井中，经常遇到的腐蚀介质是氧、二氧化碳、高矿化度地层水、在开发高含硫气田时，还会出现硫化氢应力腐蚀开裂。此外在气体或雾化钻井中会出现高速气流携带钻屑对井口设备和井下管材造成冲蚀。国外对气基流体欠平衡钻井中的腐蚀己引起足够重视，并采取了化学法；非化学法；非欠平衡为主的3种方法加以解决。我国由于气基流体欠平衡钻井数量相对较少，且目前处于现场试验阶段，科技攻关的主要精力放在提高钻速、防漏堵漏以及配套装备研发方面，缺乏对气基流体欠平衡钻井中的腐蚀/冲蚀研究。一、国外研究现状气基流体种类很多，而且不同油气田在不同区块和井段钻遇的腐蚀介质差异较大。因此，气基流体欠平衡钻井中

3、的腐蚀机理与防护措施研究较复杂，文献综述从腐蚀性介质分析人手，将具有相同腐蚀介质的不同气基流体合并在一起，考察国内外对其腐蚀性和预防措施的研究。1氧腐蚀及控制钻井液中溶解氧普遍存在，是造成井下管材腐蚀的主要因素之一，氧具有强烈的去极化作用，即使含量为1mg/L，也会造成严重的腐蚀。一方面钻井液中溶解氧腐蚀管材；另一方面钻井液中溶解氧加速硫化氢、二氧化碳对管材的腐蚀作用。在气体钻井中氧腐蚀是最普通的一种腐蚀，凡有空气、水（水汽）存在的场合均会发生这类腐蚀。由于空气含氧量高（约占总体积的21%），且在钻井过程中会遇到地层出水，极易造成金属材料的腐蚀。液氮纯度高含氧量低，但成本高，现场一般采用膜制氮

4、设备制得氨气，虽然可获得纯度高达99.9%的氮气，由于氮气纯度与生成氮气的总流量成反比。因此，大多数欠平衡钻井中采用纯度为92%97%的氮气。柴油机尾气若完全燃烧仅产生少量的氧气（小于5ppm），但现场监测的尾气中一般含有8%16%的氧。因此，在以空气、氮气或柴油机尾气为气源的钻井流体中都存在氧腐蚀问题。在巴西的充气泡沫钻井、美国中部地区和落矶山脉地区的空气钻井、伊朗南部充气钻井液钻井、美国的新墨西哥州空气/雾化钻井中都遇到氧腐蚀问题。Chitty模拟充氮钻井液环境讨论了在温度为93、总压为6.89MPa、PH值为10时，氧气含量分别为0%、1.04%、1.90%、2.98%、4.20%、5.

5、53%时AISIl018碳钢在添加缓蚀剂和无缓蚀剂时的腐蚀情况。Redmore等人发明了一种除氧剂专利，可用于空气、泡沫、充气钻井液钻井。专利研制了磷质烷氧基化的多羟基化合物，这种防腐剂用在像空气钻井这样的高氧环境中对金属钻具的防腐是有效的，不仅可预防全面腐蚀，而且对局部腐蚀也有抑制作用。Nowsco钻井服务公司建议在空气钻井中采用一种由磷酸脂和磷酸酯混合而成的除氧剂。威德福（Weatherford）石油公司的化学和防腐专家认为，在氨气纯度水平为95%时，余下的5%氧气引起的腐蚀必须引起重视，他们推荐了解决单口井腐蚀控制的方法。美国印第安盆地油田采取在雾化钻井时加入了特殊化学物质的方法减缓钻柱

6、腐蚀。国内外主要采用3种方法控制氧腐蚀：添加苏打（Na2CO3）或烧碱（NaOH）调节溶液PH值到9以上；添加除氧剂来除去或降低氧的浓度到最低水平；添加防腐剂来消除残余的腐蚀影响。现在较为普遍采用的除氧方法是向钻井液中添加除氧剂的同时，还需添加防腐剂。虽然成本相应较高，但能有效预防氧腐蚀。2CO2腐蚀及控制纯净或干燥的CO2不具有腐蚀性，注入钻杆或连续油管中的液态CO2，也是完全脱水的。因此，对钻杆或连续油管内壁也基木不造成腐蚀威胁，若钻遇地层水时CO2的强腐蚀性就表现出来了。在井底温度、压力条件下，CO2常处于气一液混沌的超临界状态（CO2的临界温度为31、临界压力为7.4Mpa），具有类似

7、于液体的密度和与气体相当的黏度，可取代氮气进行欠平衡作业，但却增强了腐蚀性。影响CO2腐蚀的主要因素为：温度、总压、CO2分压、流速及流型、PH值、腐蚀产物膜成分、含水率、污染介质含量如Cl-、H2S和O2含量）、金属材料中合金元素的种类和含量、介质中砂粒的磨蚀等。预处理后柴油机尾气的理想组分为：12%CO288%N2可燃气体（小于5ppm）O2（小于5ppm）。若空气过量则残余大量O2；若空气不足则产生H2、CO等可燃物。在采用CO2、柴油机尾气或烟道气等惰性气体钻井时，遇到CO2腐蚀问题比较突出。此外在欠平衡钻井作业中还会遇到地层产出流体中含有CO2的情况，其腐蚀情况也不容忽视。通常认为C

8、O2腐蚀产物是FeCO3和Fe3O4。而Mclntire等人研究了在有氧和缺氧状态下CO2对铁的腐蚀影响实验。结果显示在正常的pH值范围内，CO2通过溶解最初的腐蚀产物而进行着一种自催化腐蚀，形成的最终腐蚀产物为-FeOOH。Gupta研究了CO2超临界欠平衡钻井中，在井口温度为15.6，节流压力分别为大2.07、3.45、4.83MPa时，从井口到井底，CO2腐蚀速率沿着环空的分布图。Kolle研究CO2超临界状态下腐蚀行为和对岩石的冲蚀行为。在NorthSumatra地区采出的流体中含15%CO2和1OOmg/L的H2S，井底温度为179，从经济角度出发选用产出时天然气作为气体介质。因此，

9、钻井过程中的腐蚀情况严重。筛选出4种防腐剂添加到钻井液中，而且在井口加有除H2S装置。美国从1911年就开始柴油机尾气的研究和应用，直到50年代由于将一种能降低腐蚀的催化剂引入尾气生产装置，才便尾气利用这一技术真正实用。逼过现场监测各种数据（包括废水pH值；NO和NO2浓度；腐蚀速率）采取添加缓蚀剂方法减缓腐蚀。日本的一些钢铁公司根据IFE研究结果开发出了抗CO2腐蚀的专用油井管。预防CO2腐蚀最有效但昂贵的方法是采用抗蚀合金（如13Cr、双相不锈钢）或将合金镀在碳钢表面，最常用的方法是添加一种能在金属表面形成油湿性保护膜的缓蚀剂。国外在欠平衡钻井过程中尚未开发出单独的CO2缓蚀剂，主要是靠添

10、加防腐剂在减缓O2、H2S及溶解盐等介质腐蚀的同时，一并减缓CO2的腐蚀。3H2S腐蚀及控制H2S是弱酸，在水溶液中会电离出H、HS-和S2-，他们对金属的腐蚀是氢去极化过程，腐蚀产物Fe、S，为各种结构的硫化铁的通式，随着溶液中H2S含量及PH值的变化，硫化铁组成及结构均不同，其对腐蚀过程的影响也不相同。H2S可引起多种类型的腐蚀，如氢致开裂（HIC）破裂（SSCC）等。欠平衡钻井所钻地层硫化氢含量应低于20mg/m3，但地层情况复杂，并不能保证在欠平衡钻井中不遇到高含硫地层。美国加利福尼亚州、落矶山地区、新墨西哥州、加拿大西部油田、伊朗、巴西的气基流体钻井中都遇到H2S腐蚀问题并采取相应的

11、措施。Chitty讨论了在H2S地层采用欠平衡钻井时影响腐蚀的6大因素，分别为氧分压、温度、pH值、溶解盐、H2S浓度、防腐剂类型。埃克森公司（Exx-on）在对GGT监测仪进行改性的基础上，研制了一种能监测油基泥浆中侵入的H2S和地层水含量的仪器。随着连续油管在欠平衡钻井中的应用，其抗硫化物应力腐蚀开裂行为和疲劳行为研究逐渐变得重要。加拿大于1999年开始高强度低合金连续油管（CT70、CT80）和抗蚀合金连续油管（合金625）在含H2S和CO2酸性环境中应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等评价试验，制定可适合酸性环境的连续油管作业推荐作法。Luft从冶金学和机械力学的角度，通过研究管材组成、疲劳寿命，

12、提出了在欠平衡连续油管钻井申使用高强度低合金钢能抵抗硫化氢应力腐蚀开裂和氢脆裂。美国和加拿大对高含硫气田中腐蚀与防护研究较多，已开发出满足欠平衡钻井钻遇H2S地层而设计的合适强度钻杆，包括SU-75、SU-95钻杆管体和SU-l05TJ、SU-Il0TJ接头，其特点是S含量低、Mo含量高，晶粒度细小，硬度下降，夏比冲击功提高。4磨蚀与冲蚀在空气钻井中，气体和夹带的固体钻屑向上运动通过井眼环空时，速率通常在l5m/s以上（从井底到井口气流速度逐渐升高，井口气体流速最高接近100m/s左右）当固体微粒以这个速率运移时会具有很强的磨蚀性，而且会遇到井下高温的情况。这种条件，连同腐蚀性盐，含硫化合物和

13、氧都有助于钻杆的腐蚀和磨蚀，导致钻杆寿命缩短。天然气欠平衡钻井，井口附近气流的流速可达500m/s左右，其冲蚀作用十分有害。雾化钻井所需气量是泡沫钻井的3倍以上，其对井眼和管壁的冲蚀作用很强。因此，在纯气体钻井、雾化钻井以及超临界CO2钻井中都存在磨蚀与冲蚀问题。巴西在采用空气/泡沫钻井时，在钻井施工中遇到的主要问题之一是钻住在玄武地层的磨损。专利合成了一种抗腐蚀和磨蚀剂，该剂是一种气体钻井防腐剂，尤其适用于高温地热空气钻井。Hara研究了在油气环境中流速对不同分压的CO2腐蚀行为的影响。WranglenG的研究结果认为，当流体由层流变为湍流时，金属表面将由腐蚀变为磨蚀，具有表面光亮没有腐蚀产物的特点，其破损面一般具有按流人方向切人金属表层，呈现深谷或马蹄状狭长凹槽的特征。目前防止磨损腐蚀的措施主要有以下几种：结构设计合理，改善流体流型，减少造成湍流和涡流的产生条件；正确选材，根据实际钻井工艺条件选取适宜的耐磨材料；表面处理，如采用喷丸、冷加工等措施增加表面硬度；电化学保护。5其他腐蚀欠平衡钻井中影响腐蚀因素较多，除以上讨论的外，还有地层温度、压力、pH值、溶解盐等都会对设备和管材产