抗腐蚀油井水泥浆体系研究与应用

孙丽

摘要：目前CO2和H2S对管材的腐蚀问题已引起油田关注。通过研制一种机械耐用、耐化学腐蚀的水泥配方，通过改善弹性来承受井内压力变化引起的应力，从而有助于防止水泥环的损坏。从腐蚀机理出发，优化了水泥浆的设计、固井工艺以减轻水泥腐蚀。笔者针对井下管材的腐蚀情况，开展水泥环腐蚀机理和抗腐蚀水泥浆体系的研究，通过对水泥石抗压强度、渗透率和腐蚀深度的测试，优选出能达到治“本”效果的一套抗腐蚀性水泥浆体系。

关键词：酸性腐蚀性；低高密度水泥浆；固井封窜

针对CO2、H2S等酸性腐蚀性气体对油气井水泥环和套管腐蚀的问题，研制出了一种抗腐蚀剂FH-1。对水泥浆成型后的水泥石块进行CO2、H2S抗压强度、渗透率和腐蚀深度的测试，并分析其微观结构，同时对该抗腐蚀剂的腐蚀机理进行了探讨。试验结果表明，抗腐蚀剂FH-1抗CO2、H2S等气体的腐蚀能力强。优选出的低、高密度水泥浆配方具有良好的抗腐蚀性、防气窜性、稳定浆体等性能，可满足不同温度、压力条件下的固井及封窜作业需要。

1 抗腐蚀性水泥浆体系材料

1）微硅 微硅的主要成分为非晶态SiO2。在水泥石的孔隙中充填微硅颗粒，使水泥石变得密实，渗透率下降，强度提高，因此能够阻止外部腐蚀介质侵入，达到防腐蚀的目的。2）硅粉 硅粉的主要成分为92.37%SiO2、0.27%AL2O3、0.8%Fe2O3、1.4%CaO、0.41%MgO、0.26%P2O5 （配方中的百分数为质量分数），密度为2.6g/cm3。硅粉加入，可以使水泥石中Ca（OH）2含量降低，另外，也改变了水泥体系的钙硅比和水化产物的组分，使水泥石结构均匀、致密，孔隙孔径变小，孔隙度降低，强度增加，渗透率降低，从而提高了水泥石的抗腐蚀能力。3）抗腐蚀剂FH-1 抗腐蚀剂FH-1是通过聚合反应生成水溶性高分子聚合物（分子量在2×104以下）。抗腐蚀剂FH-1为白色固体粉末，耐弱酸、弱碱，抗H2S腐蚀能力强。

2 室内试验

1）试验材料 嘉华G级水泥、重晶石、钛铁矿、微硅、粉煤灰、硅粉、降失水剂和BFN、分散剂SXY、消泡剂SD52和抗腐蚀剂FH-1。2）试验配方 优选了10种水泥浆配方，见表1，该配方成型条件为常压，温度为60、90、120℃。3）研究方法 CO2和H2S环境下的腐蚀试验。先让水泥养护24H，然后水泥石再在CO2和H2S环境下腐蚀，即先成型后腐蚀。腐蚀环境中CO2质量浓度为50000Mg/L，H2S质量浓度为6000Mg/L，环境温度为60～120℃，压力为8～20MPa。试验考察的内容包括：渗透率、抗压强度的变化、腐蚀侵入深度、腐蚀后水泥石的微观形态等。

3 试验结果与分析

3.1 水泥浆体系基本性能及抗腐蚀性能测试

水泥浆体系综合性能测试数据见表。其共同特点：渗透率较低（<0.87mD），流变性能良好，水泥石抗压强度大（>18.2MPa），API失水量小（<10mL）。水泥石脱模进行腐蚀评价试验6D后，添加了抗腐蚀剂FH-1及防腐蚀外掺材料的水泥石形态差别是非常明显的。

3.2 水泥石微观形态及分析

水泥石配方1和配方4样品在CO2、H2S环境下腐蚀42D后，进行了电子显微镜测试。配方1的电子显微镜照片（未加入FH-1，密度为1.9g/cm3）。可以看出，没有添加抗H2S防腐蚀剂（FH-1）的水泥石经过42D的腐蚀后，腐蚀情况比较严重。腐蚀性气体（CO2、H2S）从水泥石的左侧开始对水泥石进行腐蚀，边沿的水泥石受腐蚀情况非常严重，质地变得疏松，水泥石受到腐蚀的深度约为1.64MM。水泥石左右两边的质地差别非常明显，右部质地紧密，受腐蚀小，左侧腐蚀严重。用100倍和500倍放大观察腐蚀部分，水泥石和腐蚀性气体CO2、H2S发生反应，产生了颗粒状的疏松物质，使水泥石结构发生变化，导致强度有明显损失。配方4的电子显微镜照片（加入FH-1，密度为2.21g/cm3）。可以看出，添加了抗H2S防腐蚀剂（FH-1）的水泥石经过42D的腐蚀后，腐蚀情况不明显。腐蚀性气体CO2、H2S从水泥石的左侧开始对水泥石进行腐蚀，边沿的水泥石受腐蚀情况比较严重，质地变得疏松，水泥石受到腐蚀的深度约为0.54mm。对界面放大50倍后可以清楚地看到，和腐蚀性气体反应后，水泥石质地变得疏松，产生了颗粒物质。在侵入深度约为0.72MM 的地方，有明显的膜状物质，当腐蚀性气体和水泥石反应到该界面时，产生的膜状物能阻止进一步腐蚀，提高水泥石自身的抗腐蚀能力。对生成的膜放大500倍后，可以看到生成的膜能够包覆在腐蚀后所生成的新界面上，保护水泥石不受腐蚀性气体的进一步腐蚀。

4 结论

1）室内试验研究表明，抗腐蚀剂FH-1和防腐蚀材料微硅和硅粉可提高水泥石密实度，使水泥渗透率下降，强度提高，阻止外部腐蚀介质侵入。2）该抗腐蚀水泥浆体系不但能够抗CO2、H2S等气体的腐蚀，还具有良好的防气窜、降自由水、浆体稳定等综合性能，不同温度、压力条件下的固井及封窜作业的需要。

参考文献：

[1]曾添.油氣井抗腐蚀性水泥浆体系的研究[J]；长江大学学报（自科版）；2017年15期