论文摘要
油田钻具和管道系统腐蚀是油田工程中普遍存在的问题。钻具的腐蚀主要源自于钻井液中的氧气、各种离子及温度等。管道的腐蚀最主要是因为输送的流体中含有CO2,尤其是在高温和高压下,CO2腐蚀更严重。根据钻井液的组成成分,选择十种盐水钻井液常用的单一盐（NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、ZnCl2、NaBr、CaBr2、ZnBr2、CHOONa和CHOOK）和复合盐作为研究对象,分析单一盐和复合盐对钻具钢（G105）的腐蚀机理。结果表明:腐蚀速率随着盐浓度的增加而降低,G105钢在无机盐中的腐蚀速率大于有机盐的腐蚀速率。在无机盐中, ZnBr2溶液中腐蚀速率最大;CaBr2溶液和NaCl溶液中的腐蚀速率都较小。ZnBr2和ZnCl2溶液中主要发生的阴极反应为氧和H+的去极化反应。溶解氧含量基本随盐浓度增加呈线性降低。瞬时腐蚀速率表明G105钢在各种单一盐中的腐蚀产物膜对腐蚀速率基本没有影响。复合盐中各种离子及温度是影响腐蚀速率最重要的因素,所以采用拉丁正交实验研究离子和温度对腐蚀速率的影响。拉丁正交实验表明:Cl-对腐蚀速率影响最大,温度次之,而Br-对腐蚀速率的影响最小,Ca2+对腐蚀速率的影响较Mg2+稍大。G105钢在复合盐水中腐蚀速率最低的配方为:温度40°C、5mol/LCl-、0.04mol/LCa2+、0.008mol/LMg2+、0.016mol/LBr-,此时腐蚀速率为0.0197g/m2·h（0.022mm/a）。拉丁实验中1、2、10号实验腐蚀产物主要为β-FeOOH。根据地层特性和钻井深度的要求,复合盐钻井液中常采用加入ZnBr2增加复合盐的密度。采用失重实验研究了G105钢在复合盐中加入不同量ZnBr2的腐蚀规律。结果表明G105钢在不同密度复合盐中的腐蚀速率随着密度的增加先降低再增加;随着温度的增加而增加。添加缓蚀剂是抑制腐蚀的一种有效、经济的防护措施。60℃时缓蚀剂QA在复合盐水钻井基液中缓蚀剂浓度为200mg/L时对G105钢缓蚀率为94%。QA对阴、阳极反应都有抑制,腐蚀电位负移,对阳极极化Tafel斜率影响较大,而阴极极化曲线Tafel斜率没有发生明显变化。80℃四元和五元复配缓蚀剂对G105钢在23.7%NaCl溶液中缓蚀率都达到80%以上。四元缓蚀剂对阴、阳极极化Tafel斜率的改变都较大,尤其是阳极极化Tafel斜率,复配缓蚀剂是以控制阳极反应为主的混合型缓蚀剂。四元缓蚀剂在不同浓度时的作用类型发生改变。五元复配缓蚀剂主要是控制阳极反应为主的混合型缓蚀剂,缓蚀率随着缓蚀剂浓度的增加而增加。在中性溶液中QA、四元和五元缓蚀剂有较好的缓蚀性能,而抑制CO2腐蚀应用最广且效果较好的是咪唑啉类缓蚀剂。失重法和电化学方法表明自制两种咪唑啉缓蚀剂（HSJ-1和HSJ-2）对管道钢（Q235）在饱和CO2盐水中都有优异的缓蚀性能,缓蚀率都随着温度和缓蚀剂浓度增大而增大。在相同的缓蚀效果下,缓蚀剂HSJ-2的用量（摩尔浓度）更低。两种缓蚀剂都使腐蚀电位变化不大,都对阴、阳极极化Tafel斜率的影响比较大。缓蚀剂HSJ-2的缓蚀率稍好于HSJ-1,HSJ-2出现缓蚀剂脱附现象,298K和328K时两种缓蚀剂作用方式是几何覆盖效应。缓蚀剂HSJ-1和HSJ-2在Q235钢上的吸附符合Frumkin吸附等温式。对于HSJ-1,Frumkin吸附等温式（kc=（θ/（1-θ））EXP（-fθ））中吸附平衡常数k值在20000左右,f值在2.4～2.8之间;而对于HSJ-2,采用matlab拟合得到k在46000和63000之间, f在2左右,采用最小二乘法计算结果相差较大,k值在35000左右,f值在2.4～2.9。HSJ-2的吸附平衡常数（k）大于HSJ-1的吸附平衡常数,HSJ-2吸附反应（Fe+HSJ（缓蚀剂）（?） Fe（HSJ）ads）比HSJ-1更倾向于向右移动,故HSJ-2的缓蚀效果稍好。缓蚀剂之间是相互吸引的。两种缓蚀剂的吉布斯自由能（ΔGoads）均为负值。分子动力学模拟表明两种咪唑啉类缓蚀剂分子以咪唑啉环和杂原子与Fe表面发生相互作用,HSJ-1的烃基链与金属面平行,而HSJ-2的烃基链大致与金属面垂直。表面技术分析表明298K下Q235钢在饱和CO2盐水中腐蚀产物主要成分为γ-FeOOH、FeCO3、Fe3O4;而在328K时腐蚀产物主要成份为FeCO3、Fe3O4和Fe2O3。