樊莊區塊15號煤層硫化氫腐蝕機理及防腐措施研究

蔡 華 蘇 雷 楊 陽 覃蒙扶 崔建斌 杜慧讓

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

樊莊區塊15號煤層硫化氫腐蝕機理及防腐措施研究

蔡 華 蘇 雷 楊 陽 覃蒙扶 崔建斌 杜慧讓

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

硫化氫腐蝕已嚴重影響樊莊區塊15號煤層生產井的正常排采，本文對硫化氫的腐蝕機理及影響因素進行分析研究，通過對比國內、外氣田常見的防腐蝕方式的優缺點，創新性的按照各種影響因素的重要度進行標度值的標定，最終優選出最適宜的防腐蝕方式，并完善了煤層氣井防腐蝕井筒工藝。現場實施后，有效的緩解了煤層氣井腐蝕問題，延長檢泵周期。

煤層氣井 硫化氫腐蝕 防腐措施

在華北油田煤層氣公司樊莊區塊開采15號煤層的生產井中，由于硫化氫存在，導致抽油桿和油管被嚴重腐蝕，統計此類生產井42口，因腐蝕導致年檢泵作業高達48井次。腐蝕的問題嚴重影響了煤層氣井的穩定排采，大大增加作業成本，同時也報廢了大量的管材，違背了煤層氣“平穩，連續，低成本”的排采理念。

1 煤層氣井硫化氫腐蝕機理及影響因素淺析

1.1 腐蝕機理闡述

干燥的硫化氫對油管和抽油桿等鋼材無任何腐蝕，一旦溶于水后，就會使溶液呈酸性，與鋼材發生電化學反應。腐蝕機理的電化學反應如下：

H2S=H++HS-

HS-=H++S2-

Fe-2e-=Fe2+

Fe2++S2-=FeS↓

2H++2e-=H2

電離出的硫離子，會優于其他離子被鋼材吸附，而且在原電池產生的電場作用下，硫離子會不斷的向陽極區遷移。造成鐵離子和硫離子生成黑色FeS，這種物質與鋼鐵表面的粘結性差，具有易脫落、易氧化的特性，且電位較正，會作為陰極與鋼鐵基體構成活性較強的微電池；同時，鐵原子的金屬鍵強度被大大削弱，從而攜帶出更多的鐵離子，加快電化學腐蝕，加速金屬的腐蝕。

1.2 影響因素

1.2.1 硫化氫含量影響

圖1為生產井產出水中硫化氫含量與平均腐蝕率的實測值對比圖，從圖中可明顯看出：硫化氫含量的增加，平均腐蝕率明顯增大，隨著硫化氫含量與平均腐蝕率呈正比關系。并且在正常情況下，隨著離子濃度越高，溶液的導電性會越強，電化學反應的速度也會加快，進而加劇腐蝕。

圖1 硫化氫含量對平均腐蝕率的影響

1.2.2 溫度和壓力的影響

由于溫度和壓力的變化會對化學反應的速率產生影響，因此油管和抽油桿的腐蝕也會受到影響。有研究表明，溫度升高可電離出更多的氫離子，加快腐蝕；而壓力增大，硫化氫溶于水中的量會增多、溶解速度會加快，從而酸性更強，鋼材的腐蝕會更嚴重。

2 防腐措施研究

2.1 優選防腐蝕方式

目前，國內外油氣田常見的防腐蝕工藝，主要分為三類：普通碳鋼加包裹層、使用抗腐蝕合金材質及緩蝕劑防腐。

在樊莊區塊的開采15號煤層的生產井中，腐蝕問題已經愈演愈烈，不僅報廢了大量的抽油桿及油管，而且嚴重影響了煤層氣井的穩定排采。對三種常見防腐工藝進行對比，優選出最適宜煤層氣井的防腐工藝。

(1)普通碳鋼加包裹層

優點：防腐效果較好；加工工藝相對簡單；對動液面高低無任何要求；日常不需要維護管理，若不能繼續使用可進行檢泵更換；生產初期不增加任何防腐費用，使用壽命至少4年。

缺點：一旦包裹層被破壞，此種防腐措施會立即失效。

(2)使用抗腐蝕合金材質

優點：防腐蝕效果最佳；對動液面高低無任何要求；日常不需要維護管理；使用壽命最長；在有效期內，無需其他配套措施。

缺點：價格昂貴，初期投入價格很高，不適合國內中低產氣田；且加工工藝復雜。

(3)緩蝕劑防腐

優點：初期投資少，成本低。

缺點：防腐方式適應性差，針對不同井況所需緩蝕劑類型也盡不相同；對沉沒度有一定要求，動液面在井口不利于緩蝕劑加入，動液面在泵吸入口防腐蝕效果不明顯；日常管理復雜，需要精細化管理，對加藥周期、一次加藥量、每次加藥時間都有明確的要求；累計投資成本高。

通過對不同防腐措施的優缺點對比，按照重要度進行標度值標定(見表1)，確定最適宜的防腐蝕方式為普通碳鋼加包裹層。

2.2 完善防腐蝕井筒工藝

有腐蝕直井：采用涂層式防腐抽油桿+普通碳鋼平式油管；

有腐蝕斜井：采用包裹式防腐抽油桿+內襯耐磨防腐油管。

3 現場應用

從2014年底開始，到2015年7月，防腐蝕井筒工藝已陸續在6口直井和2口斜井實施；由于井筒腐蝕的存在，這8口井頻繁進行檢泵作業，其中最短的檢泵作業時間間隔僅為20天；目前8口井均穩定正常排采，且均未再次出現檢泵作業；截止2015年10月底，正常連續生產時間最長已超過300天，平均170天。防腐措施效果有待于進一步觀察。

表1 防腐蝕方式重要度統計表

備注：0-指標無益處，1-指標稍微有益處，2-指標強烈有益處

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(責任編輯 桑逢云)

Study on Corrosion Mechanism of Hydrogen Sulfide and Anticorrosive Measures for No.15 Coal Seam in Fanzhuang Block

CAI Hua，SU Lei，YANG Yang，QIN Mengfu，CUI Jianbin，DU Huirang

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina, Shanxi 048000)

Corrosion of hydrogen sulfide has seriously affected the normal CBM production of No.15 coal seam well in Fanzhuang Block. The paper analyzes the corrosion mechanism and influence factors of hydrogen sulfide, and compares the advantages and disadvantages of common anticorrosive methods in gas fields at home and abroad. It creatively calibrates scale value according to the importance of difference influence factors, finally selects the most suitable anticorrosive measure and improves the anticorrosive shaft for CBM wells. The onsite implementation proves the measures could ease the corrosion of CBM well and extend the duration of pump detection.Keywords:CBM well; corrosion of hydrogen sulfide; anticorrosive measures

蔡華，助理工程師，工程碩士，主要從事煤層氣排采技術研究與管理工作。