陳曉剛,薛 丹,盧鵬飛,周妮妮,張佳超,陳曉春

(1. 西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，西安 710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018；3. 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，西安 710065； 4. 長(zhǎng)慶油田分公司 第三采氣廠，西安 710018)

目前，蘇里格氣田水氣比逐年攀升，采出水礦化度升高、pH不斷降低，井筒流體中含有大量腐蝕性物質(zhì)(如CO2、H2S、Cl-等)，構(gòu)成了氣井井下多因素的金屬腐蝕環(huán)境，在高溫高壓的條件下，這些物質(zhì)及其交互作用使得生產(chǎn)井井筒腐蝕與結(jié)垢日益嚴(yán)重[1]。引起蘇里格氣田中井筒腐蝕的主要原因是H2S-CO2-H2O(Cl-)體系中的電化學(xué)腐蝕[2]。

蘇里格氣田的采出水水質(zhì)復(fù)雜，含有大量的CO2、H2S、微生物以及高礦化度的陰陽(yáng)離子，這些因素使油氣田污水具有很強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)井下管柱造成嚴(yán)重的腐蝕[3-4]。井筒中流體的組分和物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)氣井井筒腐蝕及其腐蝕防護(hù)有重要影響。目前，尚缺乏全面的氣田流體化學(xué)特征和電化學(xué)特性的分析。因此，本工作對(duì)蘇里格氣田21個(gè)采樣點(diǎn)的氣質(zhì)、水質(zhì)、油質(zhì)進(jìn)行分析，判斷產(chǎn)出水來(lái)源，利用電化學(xué)阻抗測(cè)量技術(shù)研究了N80鋼在不同區(qū)塊水樣中的電化學(xué)阻抗特性，明確不同水質(zhì)、氣質(zhì)下，占據(jù)主導(dǎo)地位的腐蝕因素。

1 試驗(yàn)

1.1 水質(zhì)分析

選取蘇里格氣田具有代表性的21份水樣，這些水樣分別從采氣井口、集氣站場(chǎng)進(jìn)站匯管采集，均為經(jīng)過(guò)處理的天然水樣。參照SY/T 5329-1994《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.1.1 懸浮物含量(SS)

采用濾膜過(guò)濾法，即讓水通過(guò)質(zhì)量恒定的濾膜(平均孔徑為0.45 μm)，根據(jù)過(guò)濾水的體積和濾膜的質(zhì)量變化，計(jì)算水中懸浮固體的含量。

1.1.2 總礦化度(TS)和鈣、鎂離子含量

總礦化度為水中總鹽含量，通過(guò)重量法測(cè)得，即將水樣濾去漂浮物、沉降性固體物，并去除有機(jī)物后蒸干稱量。在pH為10的氨水-氯化銨緩沖溶液中，以鉻黑T為指示劑，用乙二胺四乙酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定測(cè)得水樣中鈣、鎂離子的總量，即總硬度；在pH為12的相同介質(zhì)中，以鈣試劑為指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定測(cè)得水樣中鈣離子的含量。

1.1.3 陽(yáng)離子總含量(TC)

陽(yáng)離子總含量：Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Na++K+等陽(yáng)離子含量之和。

(1) 鐵離子(Fe2+，F(xiàn)e3+)含量：采用鄰二氮菲分光光度法測(cè)定鐵離子含量。① Fe2+含量：取待測(cè)水樣調(diào)節(jié)pH至5左右，再加入鄰二氮菲，即形成紅色的鄰二氮菲-亞鐵絡(luò)合物，測(cè)定鄰二氮菲-亞鐵絡(luò)合物的吸光度，即可在標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線上查得溶液中Fe2+的含量，計(jì)算水樣中Fe2+的含量。② 總鐵含量(TI)：取待測(cè)水樣加入一定量的鹽酸羥胺，將水樣中的Fe3+還原為Fe2+，然后按上述Fe2+含量的測(cè)定方法得到溶液中Fe2+的含量，再計(jì)算水樣中總鐵的含量。③ Fe3+含量：總鐵含量與Fe2+含量的差值。

(2) 鈉離子(Na+)和鉀離子(K+)含量：根據(jù)水樣中陰離子所帶電荷總和應(yīng)等于陽(yáng)離子所帶電荷總和的原則，由試驗(yàn)測(cè)得的陰、陽(yáng)離子差求得。

1.1.4 陰離子總含量(TA)

陰離子總含量：PB、MOB、Cl、SO42-、S2-等陰離子含量之和。

(1) 氯離子(Cl-)含量：以K2CrO4為指示劑，用AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定氯離子含量。

(2) 硫酸根(SO42-)含量：取一定體積的水樣，加入鹽酸酸化，加熱沸騰3～5 min，然后在不斷攪拌的情況下緩慢滴加氯化鋇溶液形成硫酸鋇沉淀，沉淀經(jīng)沉化、過(guò)濾、洗滌、干燥后稱量，計(jì)算水樣中硫酸根離子的含量。

(3) 硫化物(S2-)含量：取一定量廢水樣，用蒸餾水定容于100 mL容量瓶中，加入0.2 mL醋酸鋅溶液和0.1 mL氫氧化鈉溶液(溶液濃度均為1 mol/L)，搖勻；將反應(yīng)后的水樣用濾紙過(guò)濾后，連同濾紙轉(zhuǎn)入250 mL錐形瓶中，用玻璃棒攪碎，加50 mL水及10 mL碘標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度0.01 mol/L)，5 mL硫酸溶液(濃度3 mol/L)，密塞搖勻；暗處放置5 min，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈淡黃色時(shí)，加入1 mL淀粉指示劑，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失，記錄用量。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

(4) 酚酞堿度(PB)指用酚酞為指示劑測(cè)定的堿度，滴定終點(diǎn)為pH 8.3，由水中全部的氫氧根離子(OH-)和一半碳酸根(CO32-)引起。甲基橙堿度(MOB)又稱全堿度，是以甲基橙為指示劑測(cè)定的堿度，滴定終點(diǎn)為pH 8.3，由水中全部的碳酸根(CO32-)、氫氧根(OH-)和碳酸氫根(HCO3-)引起。

1.2 氣質(zhì)及凝析油質(zhì)分析

1.2.1 氣質(zhì)分析

利用氣質(zhì)樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性及吸附系數(shù)在色譜柱中的差異，使各組分在色譜柱中分離，形成氣相色譜圖完成各組分的定量分析，試驗(yàn)儀器為GC-6890氣相色譜儀。

1.2.2 凝析油質(zhì)分析

凝析油是指在地下深處一定溫度、壓力條件下呈氣態(tài)的烴類，采至地面后由于溫變和壓力的降低，凝結(jié)為液態(tài)的輕質(zhì)油，通常是無(wú)色透明或帶淺黃色，基本不含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。采用氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)對(duì)凝析油組分進(jìn)行分析。將氣相色譜儀(GC)和質(zhì)譜儀(MS)通過(guò)接口連接起來(lái)，GC將復(fù)雜混合物分離成單組分后進(jìn)入MS進(jìn)行分析檢測(cè)。

1.3 電化學(xué)試驗(yàn)

電化學(xué)試驗(yàn)在恒溫水浴中進(jìn)行，測(cè)試裝置為由VMP3多通道電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(CS350電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng))和0.5 L的玻璃電解池組成[5]。測(cè)試采用三電極體系：工作電極為N80鋼(工作面積為1 cm2，圓柱狀)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片電極。試驗(yàn)溶液為蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊的典型產(chǎn)出水，測(cè)試前向水樣中通入氮?dú)獬?h，試驗(yàn)溫度為50 ℃。待開路電位穩(wěn)定后，開始測(cè)極化曲線和電化學(xué)阻抗譜。極化曲線測(cè)試的電位掃描范圍為-100～100 mV(相對(duì)于開路電位)、掃描速率為0.5 mV/s。電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試頻率范圍為0.1 Hz～10 kHz，激勵(lì)信號(hào)為幅值10 mV的正弦波。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到Tafel斜率，導(dǎo)入Tafel方程中可得到電極的腐蝕電流密度，從而轉(zhuǎn)化為腐蝕速率[6]。

1.4掛片腐蝕試驗(yàn)

采用油套管材料N80鋼為試驗(yàn)材料，按照NACE MR 0175-2003《油田設(shè)備抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料》標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)鋼制成掛片，掛片尺寸為50 mm×25 mm×2 mm，孔徑4 mm，試片總面積28 cm2。

將掛片浸入無(wú)水乙醇中用脫脂棉擦洗兩遍，再移入清潔的無(wú)水乙醇中浸泡片刻，置干凈濾紙上，冷風(fēng)吹干，用濾紙包好，置干燥器中24 h后待用。對(duì)掛片進(jìn)行前處理、編號(hào)，測(cè)其面積和質(zhì)量；將掛片置于監(jiān)測(cè)裝置中并下放到指定井筒深度，放置90 d后，將掛片取出、進(jìn)行酸洗等后處理；通過(guò)失重法計(jì)算掛片的平均腐蝕速率，如式(1)所示。

(1)

式中：vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；m為試驗(yàn)前的掛片質(zhì)量，g；mt為試驗(yàn)后的掛片質(zhì)量，g；s為掛片的總面積，cm2(掛片表面積-打孔圓柱體上、下表面+打孔圓柱體側(cè)面積)；ρ為材料的密度，g/cm3，N80鋼取7.86 g/cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

采用DSX-500型光學(xué)數(shù)碼顯微鏡測(cè)量腐蝕掛片點(diǎn)蝕深度；采用Quantu-600-FEG型掃描電鏡對(duì)腐蝕掛片進(jìn)行微觀形貌觀察(SEM)；采用OXFORD INCA X-Act型能譜分析儀(EDS) 對(duì)掛片表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)成分分析；采用D/MAX-2400型X衍射分析儀(XRD)對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)分析

表1為蘇里格氣田水樣的測(cè)試結(jié)果。由于水樣較多、只計(jì)算了水樣的平均值、并選取了最大、最小值進(jìn)行分析、討論蘇里格氣田采出水的水質(zhì)特性。

表1 水質(zhì)分析結(jié)果Tab. 1 Results of water analysis

結(jié)果表明：檢測(cè)水樣均為CaCl2型，pH介于5.94～7.83，懸浮物含量為46～4 933 mg/L；水樣中，Na++K+及Ca2+含量占較大比例，前者比后者高出1～2倍，總鐵含量為0.99～139.00 mg/L，且以Fe2+為主；Cl-含量為2 921～51 488 mg/L，遠(yuǎn)高于其他陰離子含量，酚酞堿度均未檢出，甲基橙堿度為38～785 mg/L，陰離子總含量為3 248～51 778 mg/L；總礦化度較高且差異較大，為5 092～81 667 mg/L，平均礦化度為20 881 mg/L。

根據(jù)博雅爾斯基的理論，一般按CaCl2型水按鈉氯系數(shù)(Na+與Cl-的質(zhì)量濃度比)對(duì)地層水進(jìn)行分析：當(dāng)鈉氯系數(shù)大于0.75時(shí)，地層水混合了外來(lái)淡水；當(dāng)鈉氯系數(shù)小于0.75時(shí)，油田水處于封存條件下，不存在與外來(lái)水系交互。根據(jù)蘇里格氣田水樣分析結(jié)果可知，采出水的鈉氯系數(shù)為0.082 3～0.536 4，這說(shuō)明這些采出水所處地層位為一個(gè)封閉的地球化學(xué)環(huán)境，不存在與外來(lái)水系交互，地層水與天然氣伴生形成。

綜上所述，蘇里格氣田地層水礦化度大，Na++K+、Cl-在水中的含量遠(yuǎn)高于其他離子的含量。通過(guò)水質(zhì)分析結(jié)果計(jì)算得到其飽和指數(shù)為0.35～2.59(平均值1.26)，穩(wěn)定指為2.50～5.84(平均值3.97)，說(shuō)明水中溶解有大量的CaCO3，呈結(jié)垢趨勢(shì)。

2.2 氣質(zhì)及凝析油質(zhì)分析

氣相色譜分析結(jié)果顯示，氣質(zhì)中的總烴含量均在95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以上，并含有C8～C10的中鏈烴的輕質(zhì)凝析油，碳數(shù)大于15的長(zhǎng)鏈烴含量均較少。由歷年蘇里格氣井的氣質(zhì)全分析和硫化氫分析結(jié)果可知：氣井中CO2的平均含量為1.24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，最高含量為7%，CO2含量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(初期為0.78%)；上古生界氣藏H2S含量介于0～24.8 mg/m3，平均含量為1.99 mg/m3；下古生界氣井H2S平均含量為617.34 mg/m3，最高含量為15 017.7 mg/m3，CO2平均含量為1.10%，略低于氣田整體水平。根據(jù)天然氣行業(yè)SY/T 6168-2009《氣藏分類》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CO2、H2S氣藏的分類，蘇里格氣田整體屬低含H2S、低含CO2氣藏。

2.3 電化學(xué)試驗(yàn)

2.3.1 極化曲線

在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，產(chǎn)出水中離子及酸性氣體含量如表2所示。圖1為N80鋼在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中的極化曲線，對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合得到相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)，如表3所示。

表2 蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中離子及酸性氣體含量Tab. 2 Content of ions and acidic gases in produced water from two blocks of Sulige gas field

圖1 N80鋼在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中的極化曲線Fig. 1 Polarization curves of N80 steel in produced water from two blocks of Sulige gas field

表3 N80鋼在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中極化曲線的擬合參數(shù)Tab. 3 Fitted parameters of polarization curves of N80 steel in produced water from two blocks of Sulige gas field

由表3可見，在區(qū)塊B產(chǎn)出水中N80鋼的自腐蝕電位Ecorr比其在區(qū)塊A產(chǎn)出水中的低，腐蝕電流密度Jcorr則比其在區(qū)塊A產(chǎn)出水中的高，這說(shuō)明N80鋼在區(qū)塊B產(chǎn)出水中的耐蝕性比在區(qū)塊A產(chǎn)出水中的更差，更易發(fā)生腐蝕，且腐蝕速率快。這可能是由于區(qū)塊B產(chǎn)出水中含大量的Cl-，在外加電流的作用下滲入N80鋼表面，加速了腐蝕。

2.3.2 電化學(xué)阻抗譜

圖2為N80鋼在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中的電化學(xué)阻抗譜。電化學(xué)阻抗譜的圓弧半徑越大，極化阻抗越大，材料的耐蝕性越好；反之則極化阻抗越小，材料的耐蝕性越差。由圖2可知，N80鋼在區(qū)塊B產(chǎn)出水中的耐蝕性比在區(qū)塊A產(chǎn)出水中的更差，該結(jié)論與極化曲線結(jié)論一致。因此，當(dāng)油套管鋼構(gòu)成微電池后就有可能發(fā)生較為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，離子含量的差異會(huì)產(chǎn)生不同的去極化效應(yīng)和電化學(xué)阻抗，在氣井井下高溫高壓的環(huán)境中，電化學(xué)腐蝕的程度也會(huì)有所差異。

圖2 N80鋼在蘇里格氣田2個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出水中的電化學(xué)阻抗譜Fig. 2 EIS of N80 steel in produced water from two blocks of Sulige gas field

2.4 掛片腐蝕試驗(yàn)

2.4.1 腐蝕速率

依照蘇里格氣田的經(jīng)驗(yàn)，注水系統(tǒng)管柱的腐蝕速率一般高于生產(chǎn)系統(tǒng)的，因此參照SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中推薦的平均腐蝕速率控制指標(biāo)(管柱平均腐蝕速率應(yīng)<0.076 mm/a)。表4為不同井深處N80鋼掛片的平均腐蝕速率。結(jié)果表明：不同井深處N80鋼的平均腐蝕速率均小于0.076 mm/a，這說(shuō)明絕大部分氣井可以滿足生產(chǎn)要求。

2.4.2 腐蝕產(chǎn)物

圖3為N80鋼掛片在不同氣井及井深處的腐蝕形貌。在區(qū)塊A、井深1 500 m處，掛片所處環(huán)境為溫度63.81 ℃、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.590%、H2S質(zhì)量濃度2.385 mg/m3、Cl-質(zhì)量濃度3 598 mg/L、礦化度13 534 mg/L，在CO2和H2S的共同作用下，掛片發(fā)生了全面腐蝕，如圖3(a,b)所示。在區(qū)塊A、井深2 800 m處(液面以下)，掛片所處環(huán)境為溫度102.74 ℃、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.15%，H2S質(zhì)量濃度0.330 mg/m3、Cl-質(zhì)量濃度12 598 mg/L、礦化度27 534 mg/L，在H2S-CO2-H2O腐蝕環(huán)境中，掛片腐蝕形貌呈明顯的點(diǎn)蝕特征，Cl-的存在加劇了點(diǎn)蝕，同時(shí)呈現(xiàn)垢下腐蝕，如圖3(c,d)所示。在區(qū)塊B，井深2 800 m處，腐蝕后掛片表面有沖蝕凹槽，這是在流體劇烈沖刷下掛片發(fā)生磨蝕形成的，如圖3(e)所示；同時(shí)掛片表面出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，如圖3(f)所示。

表4 不同井深處N80鋼掛片的平均腐蝕速率Tab. 4 Average corrosion rate of down-hole coupon in different depths mm/a

(a) 區(qū)塊A，井深1 500 m (b) 區(qū)塊A，井深1 500 m (c) 區(qū)塊A，井深2 800 m

(d) 區(qū)塊A，井深2 800 m (e) 區(qū)塊B，井深2 800 m (f) 區(qū)塊B，井深2 800 m圖3 不同氣井及井深處N80鋼掛片的腐蝕形貌Fig. 3 Corrosion morphology of coupons of N80 steel in different depths and different gas wells: (a, b) block A, 1 500 m depth; (c, d) block A, 2 800 m depth; (e, f) block B, 2 800 m depth

對(duì)圖3(a，e)中的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。結(jié)果顯示：圖3(a)中腐蝕產(chǎn)物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為11.38% C，45.96% O，0.33% S，0.15% Ca，0.81% Mn，41.37% Fe；圖3(e)中腐蝕產(chǎn)物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為32.41% Fe，3.87% Na，2.58% Zn，1.06% Mn，28.36% C，25.83% O，2.39% S，2.37% Ca，0.63% Cl，0.33% Si，0.17%其他。結(jié)合X射線衍射分析結(jié)果表明(圖略)，在井深1 100 m處，腐蝕產(chǎn)物主要為FexOy，判斷CO2腐蝕占主導(dǎo)地位，并發(fā)生輕微電化學(xué)腐蝕；在井深2 950 m處，腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3，電化學(xué)腐蝕加速了CO2腐蝕進(jìn)程，且占主導(dǎo)地位。

2.5 腐蝕因素分析

蘇里格氣田CO2源于地層蘊(yùn)藏(上古生界、下古生界)，H2S產(chǎn)生于下古氣藏及硫酸鹽還原菌(SRB)反應(yīng)[7-8]。蘇里格氣田CO2的平均含量為1.24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，目前氣田的平均套壓為7.5 MPa，計(jì)算得到CO2分壓為0.23 MPa。

CO2和H2S的分壓比反映了腐蝕的主控因素，當(dāng)20

2.5.1 腐蝕產(chǎn)物膜

當(dāng)不含H2S或H2S含量較低時(shí)，F(xiàn)eCO3為主要腐蝕產(chǎn)物，CO2/H2S體系中，CO2和H2S腐蝕存在一個(gè)交互區(qū)[11]，根據(jù)兩種酸性氣體分壓及其比例的不同，主要成分為FeS1-x、FeCO3、Fe3C的混合物，溫度較低時(shí)，F(xiàn)eCO3膜比較疏松，對(duì)金屬基體的保護(hù)能力較差[12]。

掃描電鏡和能譜分析表明，F(xiàn)eCO3、FeS膜和CaCO3沉淀在基體表面附著，在H2S和CO2共存環(huán)境中，H2S的存在加劇了CO2對(duì)鋼的點(diǎn)蝕作用，由于不同區(qū)域產(chǎn)物膜的覆蓋度不同，導(dǎo)致腐蝕不均勻。Ca2+、Mg2+等離子含量的增加雖然降低了CO2的溶解度，但會(huì)加速垢下腐蝕[13]。

2.5.2 溫度

在蘇里格氣田中深度每添加100 m,溫度升高3 ℃。溫度的升高促進(jìn)了陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程和陰極反應(yīng)過(guò)程，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，它對(duì)陰極反應(yīng)過(guò)程的促進(jìn)作用大于對(duì)陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程的，導(dǎo)致腐蝕電位正移，腐蝕速率減緩，因此隨溫度的上升腐蝕速率一般先增大后趨于平緩或者降低[14-15]。H2S分壓增大，材料表面的硫化物含量增大[16]，材料的耐腐蝕性能降低，促進(jìn)陰極反應(yīng)過(guò)程，H2S分壓增大還會(huì)增加鋼中氫的滲入量，從而增加材料發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增大應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性[17]。

2.5.3 氯離子

氯離子(Cl-)有很強(qiáng)的穿透能力，可以穿透鈍化膜滲透到金屬基體表面，Cl-也是表面活性物質(zhì)，能夠活化金屬，加速其離子化。Cl-還會(huì)影響金屬腐蝕產(chǎn)物膜的形成，當(dāng)Cl-吸附在金屬表面后[18]，會(huì)破壞腐蝕產(chǎn)物膜[19]，使腐蝕產(chǎn)物膜剝落，金屬基體裸露，加速金屬腐蝕。

對(duì)于金屬腐蝕來(lái)說(shuō)，Cl-不是一種去極化劑，不參加電化學(xué)反應(yīng)，但是Cl-可以促進(jìn)鋼鐵的陽(yáng)極活化溶解[20]。HCO3-的存在可增大鋼鐵電化學(xué)腐蝕的阻力[21]，由于蘇里格氣田的HCO3-含量較少，對(duì)腐蝕的影響不大。通過(guò)電化學(xué)極化曲線和阻抗譜圖可知，在高礦化度的水樣中，當(dāng)Cl-質(zhì)量濃度達(dá)到50 000 mg/L，N80鋼產(chǎn)生了嚴(yán)重的均勻腐蝕。因此，在區(qū)塊B高含Cl-的產(chǎn)出水中，N80鋼在平均液面(井深2 800 m)以下的腐蝕速率大于在液面以上的腐蝕速率。

2.5.4 磨損腐蝕

蘇里格氣田氣井采用壓裂(上古)或酸化(下古)工藝，由于盒8和山1層膠結(jié)情況良好，一般不出砂，地層出砂是源于裂縫吐砂。該氣田目前普遍采用內(nèi)徑為73.02 mm油管，當(dāng)井口壓力為1 MPa、流量大于0.5×104m3/d時(shí)，即可攜帶井底液體形成湍流和段塞流，這種不規(guī)則的流動(dòng)有利于磨損腐蝕[22]。天然氣從井底向井口流動(dòng)過(guò)程中因壓力和溫度變化，輕質(zhì)凝析油以及地層產(chǎn)出液會(huì)從氣相中析出，對(duì)管壁起到一定保護(hù)作用[23]。

由表4可知，區(qū)塊A氣井腐蝕主要集中在液面處和管柱中上部(井深0～2 000 m)，N80鋼在平均液面(2 600 m)以上的腐蝕速率大于在液面以下的腐蝕速率。這是由于高速氣流攜帶氣井產(chǎn)出液剝蝕了管柱外層相對(duì)較為疏松的腐蝕產(chǎn)物膜[24]，電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的Fe2+不斷地離開油管表面[25]，油管持續(xù)被腐蝕。液面以下井筒內(nèi)可能呈現(xiàn)段塞流，此時(shí)流體擾動(dòng)很大、液體中攜帶大量氣泡，氣泡的空化作用會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜的破壞，介質(zhì)中的去極化劑很快擴(kuò)散到金屬表面，陰極去極化作用增強(qiáng)，最終導(dǎo)致油管中上部腐蝕速率增大。

圖3(e)左側(cè)沿著氣流方向呈現(xiàn)了有規(guī)律的垂直凹槽，這是流體磨蝕/腐蝕對(duì)基體協(xié)同作用產(chǎn)生的破壞。能譜分析發(fā)現(xiàn)，在井下1 500 m處掛片的腐蝕產(chǎn)物中檢出了硅元素，這是氣流攜帶的含有硅元素的固體微粒撞擊及擦蝕管壁并滯留在管壁腐蝕產(chǎn)物中引起的。該處，N80鋼掛片的腐蝕速率明顯高于液面以下的，說(shuō)明磨蝕對(duì)蘇里格氣田管柱存明顯的影響。應(yīng)力會(huì)加速陰極反應(yīng)過(guò)程[26]。在實(shí)際使用過(guò)程中，油套管鋼會(huì)受到應(yīng)力和腐蝕的交互作用，除了流體的剪切破壞以外，還受到井下工具和油管自重帶來(lái)的拉應(yīng)力和油套環(huán)空水泥環(huán)的壓應(yīng)力等。

2.5.5 結(jié)垢及硫酸鹽還原菌(SRB)

通過(guò)計(jì)算飽和指數(shù)SI和穩(wěn)定指數(shù)RI可知，絕大部分產(chǎn)出水中溶解的CaCO3已達(dá)到飽和，部分產(chǎn)出水的結(jié)垢趨勢(shì)較嚴(yán)重，如圖3(f)所示。由于污垢、腐蝕產(chǎn)物和金屬在地層產(chǎn)出水中的活度存在差異而形成腐蝕電池[27]，這種復(fù)雜、緩慢的化學(xué)過(guò)程可能會(huì)因SRB的附著而加速，Cl-有時(shí)也會(huì)參與其中使其進(jìn)一步加速。

SRB腐蝕產(chǎn)物(FeS、H2S)和SRB細(xì)胞中氧化酶都是電化學(xué)腐蝕的去極化劑[28]。SRB的生長(zhǎng)很大程度上受到NaCl含量的制約，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.45%、pH為5.5～7.5時(shí)，SRB可以正常生長(zhǎng)；隨著Fe2+/Fe3+含量的升高，SRB的活性逐漸增強(qiáng)[29]。S2-和SO42-為SRB的代謝產(chǎn)物，水質(zhì)分析中沒(méi)有檢出S2-，說(shuō)明SRB的活躍程度一般[30]，但酸性環(huán)境和Fe2+、Fe3+的存在有利于SRB的生長(zhǎng)，因此在中低礦化度的氣井中會(huì)存在一定量SRB。

3 結(jié)論

(1) 蘇里格氣田地層水與天然氣伴生，未受其他水系統(tǒng)影響，水型主要為CaCl2水型，陰離子中Cl-含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，平均礦化度為20 881 mg/L，呈結(jié)垢趨勢(shì)。氣質(zhì)屬低含H2S、低含CO2氣藏，其中含有C8～C10的中鏈烴的輕質(zhì)凝析油，碳數(shù)大于15的長(zhǎng)鏈烴含量均較少。

(2) 蘇里格氣田不同區(qū)塊之間地層水離子含量差異較大，極化曲線和阻抗譜圖表明，在低含Cl-的水樣中，產(chǎn)生了較大的電化學(xué)腐蝕阻抗，在高Cl-的水樣中均勻腐蝕加速，腐蝕電位向負(fù)方向移動(dòng)，電化學(xué)阻抗劇減，由于Cl-特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致其會(huì)對(duì)腐蝕產(chǎn)生十分積極的影響。

(3) 蘇里格氣田的腐蝕主控因素為CO2。H2S和Cl-的存在加速了均勻腐蝕和局部腐蝕；下古生界的氣藏中，少部分高含H2S氣井可能以H2S腐蝕為主。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)到掛片表面的沖蝕凹槽，說(shuō)明固體顆粒對(duì)油套管產(chǎn)生了磨損/腐蝕協(xié)同破壞，同時(shí)垢下腐蝕和SRB腐蝕產(chǎn)物的去極化作用也不容忽視。