單文軍，岳偉民，李艷寧，蔣官澄，孫金聲

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083）

深部地質(zhì)能源（干熱巖、頁巖油）和礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)是維持國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的保證。鉆井施工是探明資源分布、儲(chǔ)量以及開發(fā)的必要手段，而鉆具腐蝕是鉆井施工中普遍存在的問題。隨著地質(zhì)鉆井向高溫、深井方向發(fā)展，鉆具腐蝕帶來的問題日趨嚴(yán)重，它不僅僅影響鉆具使用壽命，增加鉆探成本，而且常常引起鉆具的疲勞、斷裂等，從而導(dǎo)致復(fù)雜井內(nèi)事故。據(jù)資料報(bào)道，國外每鉆進(jìn)0.348 m 鉆具的損耗約為1 美元，其中（大多）歸因于腐蝕引起。由此可見，開展鉆具腐蝕與防護(hù)的研究對(duì)于鉆進(jìn)安全、效率和成本控制具有重要意義。

目前，深井超深井鉆具腐蝕的研究不足之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法存在很多不確定性因素，在電化學(xué)腐蝕評(píng)價(jià)方法中，只對(duì)含電解質(zhì)鉆井液適用，缺少定性、定量評(píng)價(jià)方法研究及其作用機(jī)理研究；（2）地質(zhì)鉆探高溫水基鉆井液多組分處理劑之間相互作用較大，對(duì)鉆具腐蝕性影響規(guī)律缺乏綜合多因素協(xié)同研究，目前主要是單一因素評(píng)價(jià)鉆井液的腐蝕效率研究；（3）高溫高壓環(huán)境下對(duì)處理劑腐蝕性影響、腐蝕效率等研究較少。高溫高壓條件下鉆井液處理劑活性增加，加速了鉆具及設(shè)備的腐蝕性，需要綜合考慮不同溫度、不同壓力條件下腐蝕性試驗(yàn)研究；（4）鉆井液緩蝕劑評(píng)價(jià)方法需要進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)鉆井液緩蝕劑的優(yōu)選及防腐蝕鉆井液研究缺少動(dòng)靜態(tài)因素，實(shí)際模擬鉆井過程中流體靜止或在循環(huán)流動(dòng)時(shí)腐蝕率或緩蝕率進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

隨著地質(zhì)鉆探廣度和深度的發(fā)展，高溫鉆井液在地質(zhì)鉆井中的使用日趨增加，特別是深井、超深井以及干熱巖鉆井等領(lǐng)域，鉆進(jìn)中高溫高壓鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕較常溫常壓下更為復(fù)雜。本文詳細(xì)介紹了地質(zhì)鉆探高溫鉆井液多因素鉆具腐蝕國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了淺析，以期對(duì)我國相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展起到一定啟示作用。

1 國內(nèi)外高溫鉆井液腐蝕技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外高溫鉆井液腐蝕研究現(xiàn)狀

國外自20 世紀(jì)30 年代初就關(guān)注鉆具腐蝕問題并開始研制鉆井液緩蝕劑產(chǎn)品。此時(shí)，針對(duì)單組分或單因素鉆井液鉆具的腐蝕機(jī)理得到了較為系統(tǒng)的研究，但是，多因素多組分同時(shí)相互作用協(xié)同機(jī)理還沒得到廣泛關(guān)注，且目前鉆具腐蝕研究主要集中在緩蝕劑領(lǐng)域。在鉆具腐蝕評(píng)價(jià)方法上主要采用實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)法和金屬失重法，且側(cè)重于腐蝕速率或結(jié)果評(píng)價(jià)，對(duì)腐蝕微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)致的鉆具材料性能變化評(píng)價(jià)未見報(bào)道。

對(duì)于氧含量引起的鉆具腐蝕，James E.Donham 研究了鉆桿腐蝕的化學(xué)控制問題，使用有機(jī)胺類化合物、除氧劑亞硫酸鹽、磷酸鹽、磷酸脂類等來防止鉆井液對(duì)鉆桿的腐蝕，效果較好。Bellos 等合成的多羥基烷氧基磷酸鹽，該緩蝕劑適用于含氧量較高的鉆井液體系。當(dāng)緩蝕劑用量在2 500～3 000 mg/L，pH 值在6.0～8.5，該磷酸鹽可以控制均勻腐蝕，而且對(duì)點(diǎn)蝕也有較好的作用。侯彬1]發(fā)現(xiàn)由烷基嗎啉、飽和二元羧酸、醇胺和一些表面活性劑復(fù)配起來，可用做除氧的介質(zhì)緩蝕劑。

高溫深井方面，Y.Tomoe[2]研究了直鏈型烷胺醇類緩蝕劑在深井中對(duì)鉆桿的緩蝕作用，結(jié)果表明該類緩蝕劑在沒有二氧化碳的情況下，有較好的緩蝕效果，但是在鉆井液中含有二氧化碳時(shí)會(huì)加速鉆井液對(duì)鉆桿的腐蝕。Wu[3]發(fā)現(xiàn)將酚類化合物和能產(chǎn)生氫氧根的化合物聯(lián)合使用，可將溶液的pH 提高到9，在水基鉆井液和泡沫鉆井液，特別是在高溫情況下使用效果更好。

Ahmad Dadgar[4]將硫氰酸鈉、異抗壞血酸鈉和巰基乙酸氨復(fù)配的緩蝕劑用于高密度無固相鉆井液，效果顯著。在由ZnBr2和NaBr 配制的密度為2.0 g/cm3的高密度鉆井液中，187 ℃下，硫氰酸鈉、異抗壞血酸鈉和巰基乙酸氨用量分別為0.4%、0.8%和0.6%時(shí)，緩蝕率達(dá)到95.18%。

Walker 等[5]提出含磷的烷氧基多元醇具有較好緩蝕效果，雖然此類化合物有很好的緩蝕性能，但是這些含磷緩蝕劑容易吸附在固體顆粒表面，改變鉆井液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。如果在原有配方中加入鈍化劑（亞硝酸鹽或鉬酸鹽），可在不影響鉆井液性能的同時(shí)提高含磷緩蝕劑的緩蝕效率。當(dāng)緩蝕劑用量達(dá)到450 mg/L時(shí)，其緩蝕效率達(dá)到85%。

1.2 國內(nèi)高溫鉆井液腐蝕研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于鉆井液緩蝕劑材料的研究較多，而針對(duì)鉆井液對(duì)鉆具腐蝕評(píng)價(jià)方法以及腐蝕規(guī)律與機(jī)理的相對(duì)較少，且大部分都集中在單因素腐蝕機(jī)理研究（如一價(jià)、二價(jià)離子及有機(jī)鹽腐蝕機(jī)理研究），但多因素協(xié)同腐蝕機(jī)理研究很少（尚未見到多種一價(jià)、二價(jià)離子及多種電解質(zhì)協(xié)同腐蝕作用機(jī)理研究）。

沈長壽等[6]研制出一種以有機(jī)脂類化合物為主鉆具抗氧緩蝕劑KO-1，適用于鹽水、淡水、聚合物鉆井液等。在60 ℃下，利用轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)法研究了該緩蝕劑在鹽水鉆井液中緩蝕性能，該緩蝕劑在用量為7 500 mg/L時(shí)，緩蝕效率超過86%。沈長壽[7]研制的抗氧緩蝕劑CT2-13 可用于高溫深井作業(yè)，在加量為1.5～4 g/L、高溫120 ℃條件下，腐蝕速率＜0.62 mm/a，緩蝕率＞80%。

唐善法等[8，9]利用極化電阻法和動(dòng)態(tài)腐蝕模擬法測(cè)定了五種緩蝕劑在鈉鹽和復(fù)合鹽水中的緩蝕性、抗氧性和耐溫性，篩選出緩蝕劑TPC 和TPA，將兩種組分按照2:1 復(fù)配，再配入適量的除氧劑即形成復(fù)合緩蝕劑DFP，在兩口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)緩蝕率在80%以上，與飽和復(fù)合鹽水鉆井液配伍性良好。

方慧等[10]討論了無固相鹽水體系及飽和鹽水加重鉆井液體系對(duì)鉆桿的腐蝕問題。介紹了一種以咪唑啉生物為主的復(fù)合型緩蝕劑PF-I，PF-I 緩蝕劑成膜能力強(qiáng)，能有效地抑制鹽水及加重鹽水鉆井液對(duì)鉆具的腐蝕。

曹殿珍等[11]合成了烯炔醇基、氨基的季銨類化合物，研制了IMC-1 緩蝕劑。在85 ℃下，緩蝕劑濃度為60～70 mg/L 時(shí)，緩蝕率達(dá)到80%。

趙福祥等[12]合成了咪唑啉衍生物，和除氧劑、有機(jī)硫化物和有機(jī)磷類緩蝕劑等復(fù)配，制成DPI-03 型鉆井液緩蝕劑。在室內(nèi)動(dòng)態(tài)滾輪試驗(yàn)結(jié)果表明溫度為100 ℃和120 ℃，CO2壓力為1 MPa 時(shí)，緩蝕效率可以達(dá)到90%和80%以上。該緩蝕劑對(duì)鉆井液的性能無不良影響。吳修斌等[13]研制出了聚合物鉆井液用復(fù)合緩蝕劑ZH-1，該緩蝕劑以成膜型緩蝕劑Nm-1 與除氧劑亞硫酸鈉等復(fù)配。旋轉(zhuǎn)掛片失重法結(jié)果表明在Nm-1 0.06%+Na2SO30.1%+SAS 0.5%復(fù)合配方中，緩蝕率達(dá)到80%以上，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用腐蝕試驗(yàn)環(huán)法發(fā)現(xiàn)ZH-1 對(duì)鉆桿的緩蝕效率高達(dá)60%以上。

鄒家素等[14]利用失重法，電化學(xué)法和掃描電鏡法研究了自制復(fù)合緩蝕劑（壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯、聚磷酸鹽、羥基乙叉二膦酸（HEDP）、硫酸鋅（ZnSO4）、葡萄糖酸鈣（CaGL）對(duì)G105 鋼在高溫海水中的緩蝕性能及緩蝕效果。結(jié)果表明：當(dāng)緩蝕劑濃度為150 mg/L，70 ℃時(shí)的緩蝕率達(dá)98.0%，90 ℃為95.2%。

宋學(xué)鋒等[15]利用動(dòng)態(tài)掛片裝置、調(diào)溫調(diào)濕箱和電化學(xué)儀器等，通過改變磺化鉆井液溫度、流速、Cl-含量、腐蝕時(shí)間、磺化鉆井液pH 值和濕度等條件，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高磺化鉆井液溫度、流速、增加Cl-含量都能增加磺化鉆井液的腐蝕速率，延長腐蝕時(shí)間，提高pH 值能降低腐蝕速率，提高濕度會(huì)增加試片的腐蝕速率。

在評(píng)價(jià)方法方面：在國內(nèi)除了采用常規(guī)的電化學(xué)法和金屬失重法，還采用了極化電阻法、靜態(tài)失重法、試片旋轉(zhuǎn)法、試液循環(huán)流動(dòng)法等。

四川石油管理局天然氣研究所203 組采用了旋轉(zhuǎn)試液掛片法和滾柱爐掛片法，考察開式和閉式系統(tǒng)中影響鉆井液對(duì)鉆桿鋼片腐蝕速率的有關(guān)因素，優(yōu)選了方法的試驗(yàn)條件，并在選定的條件下考察了方法對(duì)緩蝕劑緩蝕效果的鑒別力。西南石油學(xué)院華明琪等[16]利用方差分析法研究泥漿組成時(shí)鉆具腐蝕性的影響，并以一種聚合物鉆井液泥漿為例研究了其中聚合物、碳酸根離子、氯離子和溶解氧對(duì)泥漿腐蝕性的影響。江漢石油學(xué)院唐善法以動(dòng)態(tài)模擬腐蝕失重法、電化學(xué)極化電阻法和線性極化曲線法就江漢油田常用復(fù)合鹽鉆井液添加劑對(duì)鉆具腐蝕的影響進(jìn)行了研究，研制了緩蝕劑DFP，緩蝕率達(dá)80%以上。

2 需要進(jìn)一步開展的工作

國內(nèi)外研究鉆井液對(duì)鉆具腐蝕性多集中在緩蝕劑篩選方面[17-24]，對(duì)多因素協(xié)同作用對(duì)鉆具腐蝕問題的機(jī)理研究較少。因此，需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究。

2.1 建立鉆井液腐蝕動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法和體系

在靜態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，應(yīng)通過設(shè)計(jì)構(gòu)建多功能液體腐蝕試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)靜、動(dòng)態(tài)結(jié)合腐蝕率評(píng)價(jià)，完善鉆井液處理劑在模擬鉆井過程中動(dòng)態(tài)腐蝕測(cè)試。針對(duì)不同因素條件下鉆井液處理劑對(duì)鉆具腐蝕情況，應(yīng)采用極化電阻法、靜態(tài)失重法、試片旋轉(zhuǎn)法、試液循環(huán)流動(dòng)法綜合評(píng)價(jià)鉆井液的腐蝕性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。進(jìn)一步通過將鉆具材料腐蝕前后物化特性變化加入鉆井液腐蝕評(píng)價(jià)，完善鉆井液腐蝕評(píng)價(jià)體系。

2.2 地質(zhì)鉆探高溫鉆井液處理劑多組分腐蝕機(jī)理研究

應(yīng)通過優(yōu)選地質(zhì)鉆探鉆井液處理劑，在單組分處理劑腐蝕性研究基礎(chǔ)上，對(duì)兩組分或多組分處理劑的腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究其協(xié)同腐蝕及相關(guān)作用機(jī)理，獲得無機(jī)、有機(jī)處理劑，含氧量、酸堿度等參數(shù)對(duì)鉆具材料腐蝕后抗壓、抗拉強(qiáng)度等性能的影響。

2.3 高溫高壓環(huán)境下鉆井液腐蝕性機(jī)理研究

應(yīng)通過設(shè)計(jì)高溫高壓腐蝕性測(cè)試平臺(tái)，考察不同溫度、不同壓力條件下鉆井液處理劑腐蝕性變化規(guī)律。進(jìn)一步研究溫壓多因素條件下處理劑腐蝕性變化規(guī)律，對(duì)磺酸基鉆井液、聚合物鉆井液等抗高溫鉆井液體系中處理劑腐蝕作用及協(xié)同機(jī)制，為探索緩蝕材料及試驗(yàn)參數(shù)提供理論支持。

3 結(jié)語

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)和資料來看，國內(nèi)外抗高溫鉆井液技術(shù)有了很大的發(fā)展，研究了大量的處理劑和鉆井液配方。目前，耐高溫抗污染鉆井液體系可抗200 ℃高溫，但其抗鹽能力卻不超過5%。因此，從目前抗高溫抗污染鉆井液研究來看，還難以滿足未來的深井和超深井鉆探需要。對(duì)我國未來準(zhǔn)備實(shí)施的萬米科學(xué)鉆探，更是面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，在耐高溫200 ℃以上抗污染鉆井液的作用機(jī)理、造漿材料、處理劑、高溫抗飽和鹽水鉆井液體系、耐高溫檢測(cè)儀器等方面仍需要開展大量的研究工作。