CO?利用與封存作為CCUS技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，前者包括地質(zhì)利用、化工利用和生物利用等，后者一般分為陸地封存與海洋封存。現(xiàn)階段大型CCUS項目多以EOR的地質(zhì)利用為主，將CO?注入地下，在實現(xiàn)碳減排目標的同時還可以提高油氣等地質(zhì)資源的采收率，提升CCUS項目的經(jīng)濟效益。井筒作為CO?注入、封存的關(guān)鍵設(shè)施，井筒的完整性對于確保CCUS的安全性非常重要。

CO?一般以液態(tài)或超臨界態(tài)的形式注入地層中進行驅(qū)油或者封存。隨著井下溫度與壓力的變化，腐蝕相態(tài)也會發(fā)生變化；同時，CO?驅(qū)油利用過程若采用液態(tài)注入可能產(chǎn)生液態(tài)CO?腐蝕、冷脆。

除了密相CO?腐蝕特性、氣源雜質(zhì)、溫度與壓力等影響外，井筒材料面對的腐蝕環(huán)境相對于輸送管線更為苛刻，還受到高礦化度地層水、復(fù)雜地層應(yīng)力和微生物等因素的影響，進一步增加管材的結(jié)垢、垢下腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕等風(fēng)險。

一、井筒管材的主要腐蝕失效形式

應(yīng)力腐蝕開裂

在復(fù)雜的應(yīng)力載荷、高礦化度的地層水以及井下一定含量的H?S和微生物的協(xié)同作用下，井筒管材極易發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）。通過對部分油田井管失效分析也發(fā)現(xiàn)，不同管材（P110、3Cr、N80 等）的油套管的主要斷裂原因均為 SSCC，其關(guān)鍵誘因是硫酸鹽還原菌（SRB）。有相關(guān)研究表明，盡管微量的H?S對超臨界CO?體系中C1018碳鋼腐蝕速率的影響較小，但H?S分壓的增高將會提高SSCC敏感性。此外，通過對應(yīng)力作用下高壓CO?–H?S–Cl?體系的13Cr鋼進行研究也得到了類似結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)此時的腐蝕開裂行為受氫致開裂與陽極溶解機理共同作用。在井下環(huán)境應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)侵蝕的作用下，金屬基體表面鈍化膜完整性失效或者無法穩(wěn)定存在時，均會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。在早期應(yīng)用CO?驅(qū)提高采收率的過程中也發(fā)現(xiàn)了CO?注入井管材會在CO–CO?–H?O體系下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，其成因是金屬基體表面產(chǎn)物膜失穩(wěn)導(dǎo)致的陽極侵蝕。硫化物應(yīng)力腐蝕開裂以及其他應(yīng)力腐蝕開裂也受到注入的碳源雜質(zhì)的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，X65、X70和X80在含SO?的超臨界CO?條件下，管線鋼在137小時的測試周期下沒有應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，而是出現(xiàn)了顯著的均勻腐蝕特征。近期的研究表明，在480小時的周期下，X65鋼在含SO?、O?和H?O的超臨界CO?中SSCC的敏感性仍然很低。近期有研究表明，SO?與NO?均會提高X65鋼在水飽和的超臨界CO?中應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，而O?并未促進；在含SO?體系中，腐蝕開裂行為受局部陽極溶解、氫脆和應(yīng)力共同作用，而在含NO?體系下則受局部陽極溶解與應(yīng)力共同作用。

縫隙腐蝕

由部分油氣田現(xiàn)場油套管失效案例可知，螺紋接頭是極易發(fā)生腐蝕造成管柱失效的位置，且該處存在較大的縫隙腐蝕風(fēng)險。同時，井下管柱處于一種受自重、內(nèi)壓、地層壓力影響但以拉應(yīng)力為主的特征應(yīng)力狀態(tài)，因此存在應(yīng)力作用下的縫隙腐蝕問題。部分研究也表明，拉應(yīng)力的存在會提高13Cr的縫隙腐蝕敏感性。盡管在超臨界CO?條件下的相關(guān)研究較少，但在腐蝕環(huán)境更為苛刻的CCUS的利用與封存子系統(tǒng)下的螺紋接頭處縫隙腐蝕問題更不容忽視，尤其是在長周期的封存條件下。除應(yīng)力影響外，在長周期封存條件下注采井的管材均會與地層水接觸，高礦化度的地層水、可能存在的腐蝕性微生物以及注入的含雜質(zhì)CO?會形成一種復(fù)雜的多介質(zhì)耦合腐蝕環(huán)境，均有可能對縫隙腐蝕產(chǎn)生影響。此外，在長周期封存條件下，一旦第一界面處受到侵蝕，也極易形成金屬-非金屬的縫隙腐蝕環(huán)境，進而產(chǎn)生劇烈的縫隙腐蝕行為，導(dǎo)致井筒的完整性被破壞，致使CO?從井筒區(qū)域泄漏。

金屬基體（白色固體材料，左）和波特蘭水泥（斑點材料，右）的第一界面縫隙腐蝕示意圖

點蝕及其他局部腐蝕

除上述兩種腐蝕失效形式外，CO?注采井油套管材料也容易產(chǎn)生點蝕穿孔、垢下腐蝕、電偶腐蝕和磨損腐蝕等局部腐蝕失效形式。在多種腐蝕失效形式耦合的條件下，腐蝕問題將變得更為復(fù)雜。現(xiàn)場大量的井筒失效分析數(shù)據(jù)表明，油套管的失效形式多是由于點蝕造成的管壁腐蝕穿孔。在CO?驅(qū)油、封存過程中CO?及雜質(zhì)與水結(jié)合形成的環(huán)境對管材具有較強的腐蝕性，高礦化度的地層水中的侵蝕性離子對管材表面產(chǎn)物膜產(chǎn)生強大的破壞性，進而促成了點蝕穿孔的發(fā)生。除地層水侵蝕性介質(zhì)影響外，CO?分壓升高也會增大13Cr和15Cr的點蝕速率。井下自身存在或者是SRB代謝產(chǎn)生的H?S也會對點蝕行為產(chǎn)生影響。因此，多因素耦合作用下的強腐蝕環(huán)境讓井筒材料發(fā)生點蝕穿孔的風(fēng)險顯著增加。

二、地層水成分對井筒腐蝕的影響

溫度、流動以及碳源雜質(zhì)等對井筒材料在密相CO?中腐蝕的影響與對CO?輸送管材的影響規(guī)律類似。在含水量方面，在CO?注入時會通過除水工藝嚴格控制含水量，但一般會采用注水和注CO?交替的工藝，因此管材交替的處于富CO?相和水相之中；然而，一旦停止注入后，注入井段會出現(xiàn)地層水上升，導(dǎo)致管材金屬基體完全暴露在溶解了CO?的高礦化度地層水的富水相中。采出井管材除了受地層水的影響外，還受到采出油氣的影響以及存在見氣和含水率提高的問題，同時還會面臨較為嚴重的結(jié)垢問題。此時，地層水成分對于這類富水相井筒腐蝕行為有著較大的影響。其中Cl?的大量存在會對金屬基體表面的產(chǎn)物膜造成破壞，導(dǎo)致井筒管材的點蝕敏感性增加，也更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕。此外地層水中大量存在的Ca2?、Mg2?等也會促進結(jié)垢行為導(dǎo)致管材更易發(fā)生垢下腐蝕等行為，也有研究表明Ca2?的存在會對N80鋼基體表面形成的產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性有負面作用。

三、微生物對井筒腐蝕的影響

井下存在的SRB等腐蝕性微生物可以將環(huán)境中的硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和單質(zhì)硫當做電子傳遞鏈的最終電子受體，還原生成H?S。當缺乏碳源時，SRB可以直接從金屬Fe中獲得電子，為生命活動提供能量，因而造成嚴重的點蝕。SRB本身會顯著增加管材發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。除此之外，有研究表明，SRB 能夠存活于縫隙內(nèi)部，具有破壞基體表面鈍化膜的能力，對超臨界CO?條件下井筒管材的縫隙腐蝕行為產(chǎn)生影響。在含碳源雜質(zhì)的密相CO?環(huán)境中，SRB的生物活性及腐蝕特性尚不明確，需進一步研究。

四、CO?分壓對井筒腐蝕的影響

關(guān)于低CO?分壓的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕速率與CO?分壓成正比，結(jié)合通過對比不含雜質(zhì)的低CO?分壓（1 MPa）與超臨界CO?富水相（9.5 MPa）中X65鋼的腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，盡管超臨界CO?條件下的腐蝕速率明顯高于低CO?分壓條件，但在腐蝕機理上兩者基本相同。超臨界CO?體系下的腐蝕速率可能也與CO?分壓正相關(guān)，對于超臨界富CO?相中CO?壓力與X65鋼腐蝕速率的相關(guān)研究也得到了類似結(jié)論。然而，井下的 CO?分壓一般可高達50 MPa以上，相關(guān)的超高CO?分壓條件下的管材腐蝕數(shù)據(jù)在已有研究中鮮有報道，需要開展更多相關(guān)研究工作。綜上，當CO?注入地層后，它與地層水的結(jié)合是無法避免的，在超高CO?分壓和雜質(zhì)氣體的耦合作用下，會形成一個腐蝕性非常強的腐蝕環(huán)境。井筒材料、水泥環(huán)以及巖石等在該環(huán)境下均可能出現(xiàn)較為嚴重的腐蝕問題。雖然人們可以使用耐蝕合金、緩蝕劑和涂鍍層等手段抑制井筒腐蝕，但考慮在封存環(huán)境下的長周期腐蝕問題，很難保證近井筒區(qū)域材料的長期完整性。因此，CO?在井筒區(qū)域的泄漏可能無法避免，需在井筒區(qū)域重點應(yīng)用CO?泄漏監(jiān)測技術(shù)。此外，由于密相CO?腐蝕環(huán)境的特點以及多種碳源雜質(zhì)的耦合影響，當前油氣領(lǐng)域使用的腐蝕防護技術(shù)并不能完全勝任CCUS系統(tǒng)的腐蝕防護工作。例如，可能出現(xiàn)緩蝕劑在有機胺捕集系統(tǒng)及在含雜質(zhì)的密相CO?環(huán)境的失效問題、有機防腐涂層在超臨界CO?環(huán)境因萃取作用失效的問題等。因此，適用于CCUS系統(tǒng)腐蝕特點的新防護技術(shù)也有待被開發(fā)，如在含多種碳源雜質(zhì)的密相CO?環(huán)境中使用的新型的耐腐蝕管材、緩蝕劑以及涂層縫隙新技術(shù)等。

五、夢能服務(wù)與支持

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