【摘要】本文提出了CO2對(duì)油井水泥腐蝕的評(píng)價(jià)方法，并從分析不同養(yǎng)護(hù)條件下腐蝕產(chǎn)物的形貌及微觀結(jié)構(gòu)、主要腐蝕作用形式和腐蝕作用過(guò)程等方面，深入研究分析了CO2對(duì)油井水泥產(chǎn)生腐蝕作用機(jī)理，揭示CO2對(duì)油井水泥的腐蝕作用規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】高溫 水泥石 評(píng)價(jià)方法 腐蝕系數(shù) 腐蝕規(guī)律

1 前言

二氧化碳（CO2）常作為天然氣或石油伴生氣的組分存在于油氣中。在井下適宜的濕度（相對(duì)濕度大于30%）及壓力環(huán)境條件下，CO2會(huì)對(duì)油井水泥產(chǎn)生腐蝕作用，降低水泥石的堿性，從而使水泥環(huán)強(qiáng)度下降，而且滲透率增大。隨著碳化程度的增加，水泥中膠結(jié)組分遭到破壞，孔隙度急劇變大，抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重衰退，并誘發(fā)套損、流體外竄、塑性地層的井壁垮塌等事故發(fā)生，從而縮短油氣井的使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 高溫下CO2對(duì)油井水泥的腐蝕評(píng)價(jià)方法2.1 儀器

高溫高壓CO2腐蝕評(píng)價(jià)儀、x射線衍射儀；高溫高壓氧護(hù)釜、滲透率儀、壓力試驗(yàn)機(jī)。

2.2 腐蝕評(píng)價(jià)方法

利用Φ×h為1″×1″的水泥試塊來(lái)評(píng)價(jià)水泥石的抗壓強(qiáng)度、滲透率、腐蝕程度和防腐蝕效果。將按GB/T19139—2003 油井水泥試驗(yàn)方法制備的水泥漿，置于高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜中養(yǎng)護(hù)，制備水泥試塊。將已制備好并編號(hào)的水泥試塊及腐蝕介質(zhì)放入CO2腐蝕儀內(nèi)，隨時(shí)觀察CO2腐蝕儀的壓力、溫度變化，并及時(shí)調(diào)整，在不同的腐蝕條件下，測(cè)定腐蝕試樣的抗壓強(qiáng)度、滲透率的變化規(guī)律及和腐蝕深度的關(guān)系；為了得到有關(guān)影響因素對(duì)腐蝕深度的影響規(guī)律，在不斷變化腐蝕溫度、CO2分壓及腐蝕時(shí)間的不同條件下，測(cè)定水泥石樣品的腐蝕深度。CO2對(duì)水泥石的腐蝕深度可以用濕CO2技術(shù)測(cè)得，首先在不同溫度、壓力條件下用定量的x射線衍射法來(lái)測(cè)出CO2的結(jié)晶態(tài)和其在水泥中的含量，然后通過(guò)一種特殊的電子探針微量分析法對(duì)腐蝕的水泥樣品進(jìn)行測(cè)試，從而測(cè)出水泥石樣品在不同條件下被CO2腐蝕后生成的碳酸鈣層的徑向分布厚度即腐蝕深度。

2.3 CO2緩蝕系數(shù)

同一溫度下，同一水泥試塊，經(jīng)過(guò)一定濃度的CO2腐蝕環(huán)境養(yǎng)護(hù)7d與常規(guī)養(yǎng)護(hù)7d的水泥石抗壓強(qiáng)度之比即水泥石的抗CO2緩蝕系數(shù)，可用CO2緩蝕系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水泥體系的防腐性能。

緩蝕系數(shù)=被CO2腐蝕后的水泥試塊強(qiáng)度/未被CO2腐蝕的水泥試塊強(qiáng)度

3 高溫下CO2對(duì)油井水泥的腐蝕作用

腐蝕與未腐蝕及不同齡期的腐蝕水泥石試塊的結(jié)構(gòu)及腐蝕深度都有所不同，從腐蝕水泥石試塊的剖面圖可以看出，水泥石腐蝕界面的表面為較硬的青色層，下面為結(jié)構(gòu)松散的黃色層，內(nèi)部為水泥石基體。

3.2 被腐蝕水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

濕相CO2與油井水泥水化產(chǎn)物之間在適宜的壓力和濕度環(huán)境下可以產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而改變?cè)械乃嗍a(chǎn)物組成，破壞水泥石原有的固定的密實(shí)的結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致水泥石的結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化，水泥石的強(qiáng)度下降，滲透率增加。3.3 水泥石碳化腐蝕產(chǎn)物

濕相CO2對(duì)水泥石產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，腐蝕后的主要產(chǎn)物為方解石、文石，均為無(wú)膠結(jié)性物質(zhì)的塊狀晶體，其中方解石和文石的分子式均為CaCO3，其晶體結(jié)構(gòu)只是因溫度不同而異，腐蝕后的主要產(chǎn)物中方解石常見(jiàn)的晶形呈棱面體、復(fù)三方偏三角面體，文石常形成雙晶，在水泥石中呈現(xiàn)出晶簇狀、鐘乳狀、致密大粒狀、隱晶質(zhì)塊狀及鮞狀等。

3.4 CO2對(duì)油井水泥石的腐蝕作用過(guò)程

在井下條件下，水泥石內(nèi)部有很多充滿水的孔隙和毛細(xì)孔，在二氧化碳環(huán)境中，水泥石中的氫氧化鈣組分就由此從水泥石的深層向其表面擴(kuò)散，并進(jìn)入周圍環(huán)境中去，生成碳酸氫鹽一碳酸鈣附著在水泥石的表面。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這種物質(zhì)就逐漸增多，直至Ca（OH）2的擴(kuò)散速度與碳化層的碳酸腐蝕速度相等為止。

4 CO2對(duì)水泥石的腐蝕規(guī)律 4.1 水泥石強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間和CO2分壓的變化規(guī)律

在120℃、150℃CO2分壓為5MPa的養(yǎng)護(hù)條件下，不同水泥漿體系（ρ=1.90g/ cm3），隨著腐蝕時(shí)間的增加，水泥試件的強(qiáng)度逐漸降低，各溫度下同一體系水泥石樣品的后期（7天以后）抗壓強(qiáng)度都比未腐蝕的的水泥石有所降低，其中未加防腐劑的水泥體系腐蝕前后的抗壓強(qiáng)度最大降幅可達(dá)10MPa以上。而加防腐劑以及同時(shí)加降失水劑的水泥樣品隨著腐蝕時(shí)間的增加抗壓強(qiáng)度降低的幅度較小，緩蝕系數(shù)都大于1，可見(jiàn)添加防腐填充劑、降失水劑的水泥體系增加了防腐性能?？梢杂行У刈柚笴O2對(duì)水泥環(huán)的腐蝕。另外，隨著防腐劑加量的增加，水泥漿體系防腐性能增強(qiáng)。同時(shí)抗壓強(qiáng)度都隨著CO2分壓（PCO2）的增大而下降，水泥石腐蝕環(huán)境中的酸度增加，也加快了水泥石的腐蝕。

4.2 腐蝕規(guī)律

（1）腐蝕后的水泥石樣品的抗壓強(qiáng)度比相同條件下未腐蝕的強(qiáng)度均有所降低，只是各個(gè)體系強(qiáng)度降低的程度不同，各個(gè)體系的強(qiáng)度后期發(fā)育趨勢(shì)也不同；

（2）腐蝕后的水泥石樣品的滲透率比相同條件下未腐蝕的滲透率均有所增大；

（3）水泥石的腐蝕深度與水泥石的抗壓強(qiáng)度的發(fā)育及滲透率有關(guān)，相同的腐蝕條件下，腐蝕深度小，則相對(duì)滲透率低、抗壓強(qiáng)度降低得也少；反之，相對(duì)滲透率高、抗壓強(qiáng)度降低得也多。

（4）從強(qiáng)度、滲透率上來(lái)說(shuō)CO2對(duì)普通純水泥漿（高密度、低密度體系） 腐蝕相對(duì)較嚴(yán)重。5 結(jié)論

（1）水泥石被CO2腐蝕后強(qiáng)度明顯降低，滲透率顯著增大。CO2對(duì)水泥環(huán)腐蝕速度及其對(duì)強(qiáng)度等的影響與水泥石的結(jié)構(gòu)尤其是水泥石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。水泥環(huán)的腐蝕機(jī)理主要表現(xiàn)在CO2與水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)上。

（2）建立的水泥石腐蝕評(píng)價(jià)方法能較好地反映出二氧化碳對(duì)水泥環(huán)的腐蝕程度，為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)準(zhǔn)確性提供了前提條件。

（3）添加防腐材料，提高水泥石的致密性，改善水泥水化產(chǎn)物的性質(zhì)及微觀形態(tài)是提高水泥抗CO2腐蝕重要途徑。

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作者簡(jiǎn)介

李國(guó)華，1963年出生，1986年畢業(yè)于承德石油學(xué)校油田化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院從事固井監(jiān)督工作。