鉆具的腐蝕防護

1、鉆具的腐蝕與防護鉆具的腐蝕與防護1、研究背景2、鉆井液的腐蝕性3、鉆具的腐蝕形態(tài)與機理4、腐蝕控制5、鉆具腐蝕與防護研究面 臨的挑戰(zhàn)研究背景研究背景鉆井生產(chǎn)為適應各種鉆井工藝的需要鉆井生產(chǎn)為適應各種鉆井工藝的需要, ,使用了低固相、無使用了低固相、無固相、鹽水以及正電膠鉆井液固相、鹽水以及正電膠鉆井液, ,而且鉆井液中含有多種添而且鉆井液中含有多種添加劑加劑, ,成分復雜成分復雜, ,在井下高溫、高壓作用下具有強烈的腐蝕在井下高溫、高壓作用下具有強烈的腐蝕性。性。有關資料表明有關資料表明, ,中國石油鉆井每鉆進中國石油鉆井每鉆進lm,lm,就消耗就消耗4kg4kg鉆桿鉆桿, ,其其中由腐蝕造成

2、的損失占中由腐蝕造成的損失占20%50%,20%50%,每年鉆井進尺每年鉆井進尺1500 x1500 x10104 4m m計計, ,腐蝕損失就高達腐蝕損失就高達0.90.92.52.5億元。億元。另據(jù)統(tǒng)計另據(jù)統(tǒng)計: :中國石油天然氣集團公司近幾年來每年鉆井事中國石油天然氣集團公司近幾年來每年鉆井事故約故約500500起起, ,其中大約其中大約60%60%源于腐蝕源于腐蝕, ,而處理這些事故的花費而處理這些事故的花費與直接損失相當。由此可以看出與直接損失相當。由此可以看出, ,鉆具腐蝕損耗在整個鉆鉆具腐蝕損耗在整個鉆井成本中占有相當大的比例。井成本中占有相當大的比例。因此因此, ,研究鉆具腐蝕

3、原因與防護措施研究鉆具腐蝕原因與防護措施, ,對于發(fā)展鉆井新工藝、對于發(fā)展鉆井新工藝、降低鉆井總成本以及安全鉆井具有十分重要的意義。降低鉆井總成本以及安全鉆井具有十分重要的意義。鉆井液的腐蝕性鉆井液的腐蝕性1.鉆井液的腐蝕性成分鉆井液的腐蝕性成分2.鉆井液的腐蝕性鉆井液的腐蝕性鉆井液的腐蝕性成分鉆井液的腐蝕性成分u 鉆井液的腐蝕性成分主要為溶解氣體鉆井液的腐蝕性成分主要為溶解氣體(氧、二氧化碳、硫化氫氧、二氧化碳、硫化氫)和鹽類。和鹽類。u 氧具有強烈的去極化作用氧具有強烈的去極化作用,即使含量為即使含量為1mg/L,對鉆具也會造成對鉆具也會造成嚴重腐蝕。氧腐蝕的特點是坑蝕。二氧化碳溶于水生成

4、碳酸嚴重腐蝕。氧腐蝕的特點是坑蝕。二氧化碳溶于水生成碳酸,降低了鉆井液的降低了鉆井液的pH值值,增加了腐蝕性。沒有氧共存時增加了腐蝕性。沒有氧共存時,二氧化碳二氧化碳的腐蝕性一般較低的腐蝕性一般較低,主要為均勻腐蝕主要為均勻腐蝕;有氧共存時腐蝕性增強有氧共存時腐蝕性增強,且且出現(xiàn)坑蝕。壓力降低時出現(xiàn)坑蝕。壓力降低時,由于二氧化碳的溶解度降低由于二氧化碳的溶解度降低,會析出碳會析出碳酸鈣沉淀酸鈣沉淀,造成垢的腐蝕。硫化氫溶于水生成氫硫酸造成垢的腐蝕。硫化氫溶于水生成氫硫酸,也降低了也降低了鉆井液的鉆井液的pH值值,增加了腐蝕性。沒有氧共存時增加了腐蝕性。沒有氧共存時,硫化氫產(chǎn)生弱的硫化氫產(chǎn)生弱的

5、均勻腐蝕均勻腐蝕;與氧共存時與氧共存時,則形成嚴重的坑蝕則形成嚴重的坑蝕,同時包括腐蝕產(chǎn)物同時包括腐蝕產(chǎn)物FeS下面的局部腐蝕。硫化氫的主要危害在于易引起鉆具的腐下面的局部腐蝕。硫化氫的主要危害在于易引起鉆具的腐蝕疲勞和氫脆。蝕疲勞和氫脆。u 鉆井液中的鉆井液中的NaCI、KCI、CaCl2和和CaSO4等鹽增加了鉆井液的等鹽增加了鉆井液的導電性導電性,使腐蝕速度增加。但是它們可降低氧的溶解度使腐蝕速度增加。但是它們可降低氧的溶解度,濃度較濃度較高時可降低腐蝕程度。但這些鹽中的高時可降低腐蝕程度。但這些鹽中的Cl可以破壞鈍化膜可以破壞鈍化膜,使腐使腐蝕速度、尤其是局部腐蝕速度加劇蝕速度、尤其是

6、局部腐蝕速度加劇,這可能與這可能與CI具有極強的穿具有極強的穿透能力和吸附能力有關。透能力和吸附能力有關。鉆井液的腐蝕性鉆井液的腐蝕性u 鉆井液的腐蝕性隨其種類的不同而有很大的差異鉆井液的腐蝕性隨其種類的不同而有很大的差異,各類鉆各類鉆井液腐蝕性的大致順序為井液腐蝕性的大致順序為:充氣海水鉆井液充氣海水鉆井液(KCl聚合物鉆聚合物鉆井液、低井液、低pH值聚合物鉆井液、值聚合物鉆井液、H2S污染鉆井液污染鉆井液)低低pH值值天然鉆井液天然鉆井液(淡鹽水鉆井液、淡水鉆井液淡鹽水鉆井液、淡水鉆井液)高高pH值天然值天然鉆井液鉆井液(石灰液鉆井液石灰液鉆井液)高分散性鉆井液高分散性鉆井液(水包油鉆井液

7、水包油鉆井液、飽和鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液)緩蝕劑處理的鉆井液緩蝕劑處理的鉆井液(油基鉆井液油基鉆井液)。u 華明琪等利用滾子爐模擬現(xiàn)場的高溫和流動條件華明琪等利用滾子爐模擬現(xiàn)場的高溫和流動條件,用失重用失重法考察了幾十種常用鉆井液對鉆桿鋼的腐蝕性法考察了幾十種常用鉆井液對鉆桿鋼的腐蝕性,得出如下得出如下規(guī)律規(guī)律(括號內(nèi)數(shù)據(jù)是耐蝕性等級括號內(nèi)數(shù)據(jù)是耐蝕性等級):經(jīng)基鋁無固相鉆井液經(jīng)基鋁無固相鉆井液(10)無固相聚合物無固相聚合物P(HP)鉆井液鉆井液(8)低固相三聚低固相三聚(PHPCPACPAN)鉆井液鉆井液(7)深井深井(SMCSMP)鉆井液鉆井液(6)鹽水鉆井液鹽水鉆井液(6)淡水分散

8、性鉆井液淡水分散性鉆井液(5.)。鉆具的腐蝕形態(tài)與機理鉆具的腐蝕形態(tài)與機理1.腐蝕形態(tài)腐蝕形態(tài)2.腐蝕機理腐蝕機理腐蝕形態(tài)腐蝕形態(tài)u 鉆具由優(yōu)質(zhì)特種鋼材制成鉆具由優(yōu)質(zhì)特種鋼材制成,在鉆井過程中容易遭受腐蝕。在鉆井過程中容易遭受腐蝕。常可以看到報廢的鉆具管壁變薄?？梢钥吹綀髲U的鉆具管壁變薄,這主要是均勻腐蝕所致這主要是均勻腐蝕所致。但更常見的是斑點腐蝕。但更常見的是斑點腐蝕,腐蝕象斑點一樣分布在鉆具表腐蝕象斑點一樣分布在鉆具表面面,所占面積較大所占面積較大,但不很深。但不很深。腐蝕機理腐蝕機理(1)電化學腐蝕電化學腐蝕-主要腐蝕主要腐蝕u 鉆具鋼同其他的鋼材一樣鉆具鋼同其他的鋼材一樣,也含有以微

9、粒狀分布在基體也含有以微粒狀分布在基體金屬鐵之中的金屬鐵之中的Fe3C雜質(zhì)雜質(zhì),其電極電位高其電極電位高,腐蝕趨勢小腐蝕趨勢小,成為成為腐蝕原電池的陰極腐蝕原電池的陰極,促使與鉆井液相接觸的純鐵陽極發(fā)生促使與鉆井液相接觸的純鐵陽極發(fā)生溶解。溶解。u 鉆具表面的不均勻性。如果受力不均勻鉆具表面的不均勻性。如果受力不均勻,受力大的部位受力大的部位成為陽極成為陽極;如金屬表面的鈍化膜有孔隙如金屬表面的鈍化膜有孔隙,孔內(nèi)暴露的金屬孔內(nèi)暴露的金屬成為陽極成為陽極;新、舊鉆桿接在一起時新、舊鉆桿接在一起時,新鉆桿將成為陽極。新鉆桿將成為陽極。這些因素均能使鉆具遭受局部的腐蝕。這些因素均能使鉆具遭受局部的腐

10、蝕。u 介質(zhì)不均勻構成腐蝕電池介質(zhì)不均勻構成腐蝕電池,主要為濃差電池主要為濃差電池,尤其是氧濃尤其是氧濃差電池。當鉆具的不同部位處于氧濃度不同的鉆井液中差電池。當鉆具的不同部位處于氧濃度不同的鉆井液中,氧濃度低的部位電極電位比氧濃度高的部位低氧濃度低的部位電極電位比氧濃度高的部位低,故氧濃度故氧濃度低處將作為陽極而首先受到腐蝕。低處將作為陽極而首先受到腐蝕。腐蝕機理腐蝕機理(2)應力作用引起的腐蝕應力作用引起的腐蝕u 在鉆井過程中在鉆井過程中,鉆具在井眼中不停地高速旋轉鉆具在井眼中不停地高速旋轉,承受著很大承受著很大的交變應力的交變應力,鉆井液通常都有一定的腐蝕性鉆井液通常都有一定的腐蝕性,因

11、而很可能通因而很可能通過上述過程使鉆具發(fā)生斷裂。過上述過程使鉆具發(fā)生斷裂。u 鉆具在應力作用下的腐蝕破壞鉆具在應力作用下的腐蝕破壞,還可因腐蝕反應產(chǎn)生的還可因腐蝕反應產(chǎn)生的H原子進人金屬而產(chǎn)生氫脆。當鉆井液中含有原子進人金屬而產(chǎn)生氫脆。當鉆井液中含有H2S時時,S2-離離子抑制陰極表面子抑制陰極表面H原子的締合反應原子的締合反應,促使促使H原子滲人金屬原子滲人金屬并集中于應力最大的部位。并集中于應力最大的部位。H原子達到一定濃度后將締原子達到一定濃度后將締合成合成H2而產(chǎn)生很大的壓力使裂紋增大而產(chǎn)生很大的壓力使裂紋增大,導致脆性斷裂。在導致脆性斷裂。在鉆井中鉆井中H2S是造成鉆具金屬氫脆的主要

12、原因是造成鉆具金屬氫脆的主要原因,所以這種斷所以這種斷裂稱為硫化物應力腐蝕開裂。氫脆只對高強度的鋼材有裂稱為硫化物應力腐蝕開裂。氫脆只對高強度的鋼材有影響影響,它并不總是在應力和酸性介質(zhì)的聯(lián)合作用下立即發(fā)它并不總是在應力和酸性介質(zhì)的聯(lián)合作用下立即發(fā)生生,而往往經(jīng)過一定時間才發(fā)生突然的、災難性的破壞而往往經(jīng)過一定時間才發(fā)生突然的、災難性的破壞,因因此危害性非常大。此危害性非常大。腐蝕控制腐蝕控制u1.合理選用鉆具鋼材質(zhì)合理選用鉆具鋼材質(zhì)u2.控制鉆井液的控制鉆井液的pH值值u3.用化學劑除去腐蝕性成分用化學劑除去腐蝕性成分u4.應用緩蝕劑應用緩蝕劑鉆具腐蝕與防護研究面臨的挑戰(zhàn)鉆具腐蝕與防護研究面臨的挑戰(zhàn)u 1.為了增加井壁穩(wěn)定性和提高鉆速而發(fā)展了各種低固相為了增加井壁穩(wěn)定性和提高鉆速而發(fā)展了各種低固相、無固相、含鹽的聚合物鉆井液、無固相、含鹽的聚合物鉆井液,這些鉆井液均有較大的這些鉆井液均有較大的腐蝕性。腐蝕性。u 2.為了防止鉆井液損害地層和提高鉆速為了防止鉆井液損害地層和提高鉆速,發(fā)展了平衡壓力發(fā)展了平衡壓力鉆井新工藝鉆井新工藝,使鉆井液不易進人地層使鉆井液不易進人地層,但卻增加了地層中腐但卻增加了地層中腐蝕性物質(zhì)蝕性物質(zhì)(鹽類、鹽類、CO2、H2S等等)進人鉆井液的可能性。