钻井液对钻具的腐蚀性规律研究

段梦宇 荣继光 潘 一 等

摘 要：从化学的角度分析了目前造成井下钻具腐蚀的主要原因，归纳得出了钻井液对井下钻具的电化学腐蚀、氧腐蚀、硫化氢腐蚀等腐蚀方式，阐述了上述方式的腐蚀机理与腐蚀速率的影响因素，对比了钻具腐蚀影响因素的实验数据，得出了钻井液体系变化对钻具腐蚀速率的影响规律。给出了钻具腐蚀的保护措施。其中电化学腐蚀对钻具的危害远远大于单纯的化学腐蚀，在进行防腐措施时应予特别重视。

关 键 词：腐蚀；钻井液；规律；钻具；防腐

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0573-03

Abstract： Main reasons to cause the corrosion of drilling tools were analyzed， and several corrosion ways were summarized， such as electrochemical corrosion， oxygen corrosion and hydrogen sulfide corrosion. Principles and influencing factors of the corrosion were explained， and effect rule of the drilling fluid system on corrosion speed was obtained by contrasting the test data. Some protective methods of drilling tools were put forward. Its pointed out that damage of electrochemical corrosion is greater than that of chemical corrosion.

Key words： Corrosion； Drilling fluid； Drilling tools； Pattern； Anti-corrosion

钻具腐蚀是钻井工程中普遍存在的问题，在工程实践中，由于钻具腐蚀最终造成大量的钻具报废，甚至危及到了井下安全，导致井的报废。这是因为在钻井过程中加入的各种钻井液体系及钻井液中添加的处理剂在井下条件下对于钻具金属往往具有强烈的腐蚀性[1]。钻具的主要成分是含碳钢，其腐蚀种类有很多，以下从钻井液对钻具的电化学腐蚀、氧腐蚀、硫化氢腐蚀等方式及腐蚀速度的相关影响因素进行分析。

1 钻井液对钻具的腐蚀方式

目前钻井液对钻具的腐蚀主要表现在电化学腐蚀、氧腐蚀、硫化氢腐蚀等方面。

钻具腐蚀的最主要形式是电化学腐蚀，过程中发生电子转移。其实质是钻具金属在井下被氧化失电子转化为金属氧化物而失去原有的机械强度，导致了钻具的报废[2]。

钻井液中的溶解氧是钻具氧腐蚀的主要原因。其中，氧的去极化腐蚀比氢的去极化腐蚀更加常见，这是因为氧原子的还原反应比氢原子更加容易进行，与氧原子还原反应相比，氢原子发生还原反应所要求的电位条件更苛刻。多数金属钻具在中碱性溶液中以及少数电性金属在含有氧的弱酸性溶液中的腐蚀都是以氧的还原反应作为阴极过程而进行的。

钻井液中硫化氢主要来源于地层及钻井液处理剂。钻井液中的硫化氢在井下高温条件与钻井液的复合作用下，既是钻具腐蚀的氧化剂，也是使钻具发生氢脆现象的主要原因[3]。

2 钻井液对钻具的腐蚀规律研究

2.1 电化学腐蚀对钻具的腐蚀作用

金属的电极电势在腐蚀及其控制中起决定性作用。不同金属在电解质溶液中，电极电势低的金属易被腐蚀，电极电势较高的比较难腐蚀，具体参数见表1。

钻杆的材料为铁和碳化铁的（Fe-FeC3）的合金钢，碳化铁以微粒形式分散在铁基质中。铁和碳化铁同时浸泡在钻井液中时，钻杆中发生的腐蚀反应为：FeFe2++2e-。Fe2+暴露在钻井液中转化成氢氧化铁，在钻杆表面就会出现无数个腐蚀凹坑，降低其在工作条件下的机械强度，甚至造成事故。

2.2 氧腐蚀对钻具的腐蚀作用

氧腐蚀原理为溶解在溶液里的氧在阴极去极化作用而引起的金属腐蚀，也就是氧的去极化腐蚀（吸氧腐蚀）。造成钻具腐蚀的主要原因是钻井液中的溶解氧。其作用机理有两方面：钻井液中的溶解氧直接腐蚀钻具；加快硫化氢、二氧化碳等对钻具金属的腐蚀速率[4]。因此钻井液中的溶解氧对钻具腐蚀的速率有着至关重要的作用。下面对氧腐蚀影响因素进行分析。

2.2.1 溶解氧浓度

钻井液中的氧气来源于大气、水和处理剂，而其中的氧气是影响钻具腐蚀的重要因素。随着氧浓度的增加，钻具腐蚀速度明显加快。使用从油田取来的盐水钻井液进行了DIN36Cr Ni Mo4 材质的氧腐蚀对比试验[5]。实验表明，相同外界条件下，在钻井液浸泡时不通氧的钻具试件基本无腐蚀；通入饱和氧的钻具试件有明显腐蚀。

2.2.2 pH值

由图1可知，当pH值在4～10时，由于氧的扩散作用，钻具表面形成水合氧化铁膜，腐蚀速率与pH值没有呈现出明显线性关系。当溶液pH值处于酸性小于4时，由于氢的还原反应，腐蚀速率急剧加快。pH值大于10时，氧在钢铁的表面形成致密的钝化膜而使腐蚀速率降低。

2.2.3 温度

图2为温度对钢在3%NaCl溶液中腐蚀的影响，表2为不同温度下碳钢在水介质中的腐蚀速度。由图2和表2综合分析可以得出，在低温（小于50 ℃）时，盐水的腐蚀性明显高于自来水；在温度升高到80 ℃的过程中，随着温度的升高碳钢在含氧量较高的自来水中腐蚀速率明显加快，而在温度超过继续升高超过80 ℃之后，由于溶液中溶氧量急剧减少，腐蚀速率会迅速降低人，如图2所示变化规律。

由表3中可以看出，蒸馏水中含有9.64 mg/L的氧气，但由于没有电解质，溶液导电性能差，即使含有较高浓度的氧，腐蚀速率仍较低。因此钻井液中氧对于金属钻具的腐蚀除与氧浓度有关之外，还与钻井液中的电解质浓度有关。电解质浓度越高，在含氧钻井液中钻具的氧腐蚀越明显。

2.3 硫化氢对钻具的腐蚀作用

钻井液中的硫化氢主要以两种方式对钻具产生破坏：腐蚀作用和氢脆作用。当硫化氢侵入钻井液中与水形成弱酸，对金属钻具造成一系列电化学失重腐蚀，大大降低了钻柱的强度及疲劳寿命；而腐蚀作用不断产生的氢气聚集在金属表面，以原子氢的形态渗入钻具材料内部在应力集中处结合成氢气产生很高的压力，造成晶体间的键断裂，最终造成钻具材料延展性减弱而呈脆性破坏的现象为氢脆[6]。下面对硫化氢腐蚀影响因素进行分析。

2.3.1 硫化氢浓度

经过实验证明[7]，在中性及碱性溶液中， 以 和 的形式存在，在钻井液中加入低浓度 时不会加快腐蚀速率，但加入高浓度 后会大幅度影响溶液pH值，加速氢的去极化作用，加速腐蚀。以Q235钢例，其腐蚀速率与 浓度关系见表4。

同时，硫化氢的存在会使氢维持原子形态，并且帮助氢原子被吸收金属晶格中，大大加快了氢脆作用，因此硫化氢的浓度越高，氢脆现象越明显。

2.3.2 pH值

pH值对钻井液中硫化氢含量的影响较大，如图3所示，在pH值为6～10的范围内，硫化氢含量急剧下降，说明参加反应的硫化氢随pH值得增加而减少。由此可知此范围内的腐蚀现象和氢脆作用也明显减轻。

图3 硫化氢浓度与pH值关系曲线

Fig.3 The curve of H2S concentration and pH

2.3.3 温度

Q235钢在硫化氢水溶液中的腐蚀速率如图4所示，可以看出在硫化氢水溶液中，温度越高，腐蚀速率越快，即温度升高会加快钻井液中硫化氢对钻具的腐蚀速率。这个规律也符合阿伦尼乌斯经验公式。

3 建议的钻具防腐措施

3.1 使用防腐涂层钻具

在钻具内壁涂以防腐涂层，将腐蚀介质与钻具金属分离，可有效减缓钻具的腐蚀[8]。

3.2 控制pH值

通常将钻井液的pH值控制在8～11之间，维持一个较弱的碱性环境是由于它可减轻对钻具的腐蚀；可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏[9]。

3.3 添加除氧剂

由于钻井液中的溶解氧是钻具氧腐蚀的主要原因，因此在钻井液中添加除氧剂可以有效降低钻具氧腐蚀造成的危害，国内外广泛使的除氧剂为亚硫酸盐。

3.4 添加除硫剂

在钻井液体系中添加除硫剂可以有效保持体系的稳定性，减缓其对钻具的腐蚀。目前主要的除硫剂有锌基和铁基两大类[10]。

4 结 论

由以上分析可得出如下结论：

（1）钻井液对钻具的腐蚀多种多样，主要可分为电化学腐蚀、氧腐蚀、硫化氢腐蚀等，其影响因素多种多样。