HCO3-与SO42-离子共同作用下油井水泥石腐蚀机理.docVIP

HCO3-与SO42-离子共同作用下的油井水泥石腐蚀机理 　　[摘要]目前国内以聚驱、三元复合驱为主的三次采油矿场试验进入实施阶段，地层压力环境、储层流体介质再次发生较大变化，影响调整井固井质量主导因素已由以往的低渗高压层转为高渗低压层，流体对水泥浆以及水泥石的腐蚀已由中低矿化度的地层水转为中高矿化度富含SO42-和HCO3-的聚驱注入液或以弱碱为主的三元复合试验注入液，加剧了对井下水泥环的腐蚀。采出液中的矿化度及SO42-和HCO3-的含量有所增高，成为诱发水泥腐蚀和影响固井质量的重要原因之一，因此，本文以提高不同储层流体介质条件下的高渗低压层调整井固井质量为目标，开展有关采出液中SO42-和HCO3-对油井水泥腐蚀机理的研究，对开发防腐蚀水泥浆体系，延长油气井的生产寿命、提高生产效率以及含SO42-和HCO3-等离子的油气层的长效开发具有非常重要的意义。 　　关键词：SO42- HCO3-油井水泥腐蚀 　　 　　环空窜流是困扰各油田固井质量的主要问题，尤其是在调整井钻井区块，由于注采不平衡、注采液带有腐蚀性离子等因素，在水泥浆候凝期间或由于水泥石长期受地层采出液中腐蚀离子的腐蚀作用，导致水泥石性能发生变化及产生微裂纹等，造成封固失效。油井水泥环是支撑套管封固地层的重要物质，井下水泥环的封固效果不仅直接影响固井质量而且直接影响油气井的正常生产。大量的研究成果表明，用于封固地层的水泥石当与含有HCO3-、SO42-等成分的地层水接触时，水泥石会与有关成分发生化学作用，HCO3-、SO42-两种腐蚀离子的协同作用而使水泥石受到更加严重的腐蚀，导致水泥石内部物质组成、微观结构等发生变化，从而改变水泥石强度、渗透率等性能，影响水泥石的致密程度和封固效果。因此，本文以大庆油田采出液水质条件为基础，分析和评价含有HCO3-、SO42-等成分的环境条件下水泥环产生的共同腐蚀作用机理和规律，以及腐蚀作用的影响因素等问题，对于探索提高固井质量的途径具有重要意义。 　　扫描电镜和X衍射实验分析的结果表明，当CO32-、HCO3-、SO42-腐蚀性离子的混合溶液浸泡水泥石模块时，这些离子在对水泥的长期浸泡的过程中，会对油井水泥产生协同的腐蚀作用，其作用的机理与程度既与各单一离子的作用特点有关有与各离子的含量有关。因此，明确多种离子共同作用下腐蚀水泥的机理对于准确把混合腐蚀溶液对油井水泥的腐蚀规律，具有重要意义。 　　1.碳化引起硫酸根离子的迁移和浓缩 　　当水泥基体与含有大量HCO3-的水接触时，孔隙溶液被中和而导致结垢―即生成CaCO3，这一过程称为碳化作用。碳化对油井水泥环来说最低的危害是由于孔液的pH值下降破坏了套管表面的钝化膜使其产生锈蚀。实际上，水泥环碳化时由于二氧化碳对水泥基体和孔液中的硫酸盐、碱金属盐等的影响，使腐蚀因子在水泥石内部产生迁移和浓缩，腐蚀在碳化尚未达到套管表面时就可能已经发生。 　　研究结果表明，水泥石中所含有的硫酸钠、生成钙矾石或单硫型硫铝酸钙大致均匀分布。随着外界含有HCO3-和SO42-离子的地层水不断地侵入，水泥石的碳化反应不断进行，盐类分解后产生的SO42-和腐蚀溶液中的SO42-溶解在孔隙溶液中。溶解的SO42-通过浓度扩散作用向内部迁移达到未碳化区重新与C3A反应生成钙矾石和单硫型硫铝酸钙等。随着碳化反应的进行这种分解与生成的循环反应使碳化锋面向水泥环内部发展。随着外界含有SO42-和CO32-或HCO3-的腐蚀溶液不断侵入，SO42-随着碳化的进行不断向水泥环内部迁移并产生浓缩现象，且碳化前沿的SO42-浓度最高，约为平均浓度的2.5倍。所以可以认为，碳酸盐对水泥石的碳化作用可以引起SO42-的迁移和浓缩，加快SO42-向水泥石内部扩散速度；SO42-可以提高孔隙溶液中碱含量加快碳化速度，且碳化锋面产生其它离子浓缩促进碳化反应。 　　碳化区未发现钙矾石和单硫型硫铝酸盐的最强峰值及氢氧化钙峰值，而出现了碳酸钙的峰值；浓缩区既有钙矾石的最强峰值及次强峰值，也出现了单硫型硫铝酸钙的衍射峰；未碳化区出现钙矾石的最强峰和次强峰。浓缩区和未碳化区都发现了氢氧化钙的衍射峰存在。 　　2.碳硫硅钙石型腐蚀 　　一般认为钙矾石是碳硫硅钙石形成的基质，即碳硫硅钙石（thaumasite）是由钙矾石转变而成的。碳硫硅钙石的结构式为Ca6[Si(OH)6]2#8226;24H2O[(SO4)2#8226;(CO3)2]；钙矾石的结构式为Ca6[Al(OH)6]2#8226;24H2O[(SO4)3#8226;2H2O3],两者极为相似。 　　碳硫硅钙的基本单元结构为{Ca3[Si(OH)6]#8226;12H2O}4+,属六方晶系，晶胞参数α=10.054Aring;，c=10.410Aring;，呈