油井管硫化氫腐蝕研究進展

趙培琪

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

油田建設對油井管的需求量巨大，涉及石油的開采與運輸。鉆桿、鉆鋌、套管和油管等都屬于油井管[1]。油井管在油田中應用廣泛，如果管材腐蝕程度嚴重，可能會造成斷裂等后果，影響油田生產(chǎn)的整體經(jīng)濟效益，所以油井管能否正常服役很大程度上影響著油田的生產(chǎn)能否正常運行。

油井管的腐蝕形式復雜多樣，硫化氫腐蝕是其中常見的一種腐蝕。目前，人們普遍認為濕硫化氫腐蝕導致管道及設備破裂的缺陷能大大降低設備的使用壽命[2]。為了避免發(fā)生嚴重的腐蝕事故，進一步研究影響油井管硫化氫腐蝕的因素是十分必要的。

1 影響因素

油井管硫化氫腐蝕是一個復雜的過程，受多種因素的交互影響，失效方式也有很多，以下將討論硫化氫分壓、介質(zhì)溫度、pH 值、介質(zhì)流速、氯離子濃度等因素對油井管硫化氫腐蝕的影響。

1.1 硫化氫分壓

當硫化氫分壓極低和極高時，腐蝕速率相對較低，腐蝕相對均勻，并且局部會出現(xiàn)腐蝕點；當硫化氫分壓處于中間范圍時，有局部腐蝕的特征，產(chǎn)物膜附著力低，會出現(xiàn)大片產(chǎn)物膜脫落的現(xiàn)象。由于腐蝕產(chǎn)物膜的影響，腐蝕速率會有一個峰值。硫化氫氣體在水中的溶解度與溫度呈負相關(guān)，隨著硫化氫分壓的增加，溶液pH 值降低，腐蝕速率增加，表面腐蝕產(chǎn)物膜中的硫化亞鐵比例也相應增加。 硫化氫的作用使得試樣表面優(yōu)先形成不致密的硫化亞鐵膜，吸附性差，致使腐蝕速率迅速增加。腐蝕產(chǎn)物呈蜂窩狀，疏松多孔，附著力低，輕輕觸碰即可被剝落，保護性極低。當硫化氫分壓繼續(xù)增加時，腐蝕產(chǎn)物主要為硫化亞鐵，其比例逐漸增加，膜層越來越致密，附著能力變強，油井管的腐蝕速率也越來越低。

1.2 溫度

溫度對油井管硫化氫腐蝕有著重要影響。一些研究工作證實硫化氫腐蝕存在敏感溫度，硫化氫氣體的溶解度會隨著溫度的升高而下降，會降低溶液的酸性，但是同時氫離子的擴散會隨著溫度的升高而更加劇烈，會加速氫致開裂，因此會出現(xiàn)一個敏感性最大的溫度。硫化氫氣體在250℃以下腐蝕性相對較弱。濕硫化氫氣體在30℃時，鋼鐵表面生成的是無保護性的鐵硫化合物。硫化氫飽和水溶液在50℃下生成的鐵硫化合物保護性較差，濕硫化氫氣體在100℃時，生成少量硫化亞鐵，對鋼材幾乎沒有保護性能。但當溫度達到130℃左右時，生成保護性較好的鐵硫化合物。

1.3 pH 值

有文獻指出[3]， pH 值是影響固液兩相沖刷腐蝕的一個重要因素。在實驗范圍內(nèi)，當pH 值較低時，鋼材以均勻腐蝕為主；隨pH 值增加而減??；pH 值增大后，沖刷腐蝕速率減小，鋼材表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。因此可以得出，pH 值的大小對鋼材硫化氫腐蝕有著很大的影響。pH 值越低，溶液中氫離子濃度越大，使得硫化物應力腐蝕斷裂的概率升高。pH 值為6 是一個臨界值，當pH 小于6 時，硫化氫溶液呈強酸性，具有較強的腐蝕性；隨著pH 值的增大，硫化氫溶液的腐蝕性明顯減弱；直至pH 值大于9，此時硫化氫溶液基本上已經(jīng)沒有腐蝕性。

1.4 介質(zhì)流速

介質(zhì)的流速對硫化氫腐蝕的影響主要體現(xiàn)在介質(zhì)對表面腐蝕產(chǎn)物膜的沖刷作用上。較高流速的介質(zhì)會對金屬產(chǎn)生很高的切應力，會沖刷表面腐蝕產(chǎn)物，破壞腐蝕產(chǎn)物膜，使得腐蝕介質(zhì)與鋼材的接觸面積增加，加快了硫化氫溶液向鋼材表面的擴散，增加腐蝕速率。反應生成的腐蝕產(chǎn)物隨即被沖刷掉，加劇對鋼材基體的腐蝕。較高流速狀態(tài)下的攜砂介質(zhì)會對油井管造成較為嚴重的沖刷腐蝕。介質(zhì)流速對緩蝕劑也有很大影響，當介質(zhì)流速過高時，緩蝕劑無法與鋼材基體表面充分接觸，導致其失去緩蝕作用。但是，流速很低時，主要發(fā)生電化學腐蝕，局部腐蝕效果明顯。流速是影響H2S 腐蝕的非常重要的因素之一，因此在工程設計中要充分考慮介質(zhì)流速對腐蝕的影響。

1.5 氯離子濃度

在油井管服役環(huán)境中，油田采出液往往會伴隨多種離子，其中氯離子是對H2S 腐蝕影響比較大的一種。氯離子活化能力很強，因此，油井管服役環(huán)境中若含有氯離子，氫脆現(xiàn)象會更加嚴重。氯離子吸附能力很強，極易吸附在油井管表面，使油井管表面腐蝕產(chǎn)物很容易脫落，加大接觸面積，加速管道的腐蝕。研究發(fā)現(xiàn)[4]，當油井管腐蝕最嚴重時，H2S 溶液中氯離子濃度為0.85mol/L。如果氯離子濃度很高，氯離子能夠置換掉吸附在鋼材表面的硫化氫和硫氫根離子，使反應速率降低。

除上述因素外，油井管的H2S 腐蝕還受到油氣中氧含量、材料的硬度和強度、材料的微量元素含量等因素的影響。

2 結(jié)語

油井管硫化氫腐蝕是一個復雜的過程，受多種因素的交互影響，失效方式也有很多，比如電化學腐蝕、氫脆和應力腐蝕等。目前其腐蝕機理及理論研究尚未達到全面、充分和深入的程度，且防護技術(shù)和材料及實踐方面的研究尚未達到系統(tǒng)化和實用化的程度。期待這兩個方面的研究的突破，推動油氣工業(yè)腐蝕防護的進展。