摘　要：探讨CNG储气井外腐蚀的腐蚀机理和防范措施，分析了储气井外腐蚀的检测与修复技术。

关键词：CNG地下储气井  外腐蚀  腐蚀预防  缺陷检测  缺陷修复

Discussion on External Corrosion Protection of CNG Underground Storage Well

Abstract：The mechanism and protection measures of external corrosion of CNG underground storage well are discussed．The inspection and remediation technologies of external corrosion of CNG underground storage well are analyzed．

Key wrods：CNG underground storage well；external corrosion；corrosion prevention；defect inspection；defect remediation

CNG地下储气井是我国20世纪90年代中后期研制成功的一种新型高压储气方式。由于其储气量大、占地面积小、安全、经济、操作管理方便、建设工期短等优点，广泛地应用于CNG加气站、天然气调峰、工业储气中^[1]。由于CNG地下储气井主体部分深埋于地下，腐蚀可能导致套管穿孔、壁厚减薄甚至挤毁或爆裂，给整个储气系统带来安全隐患^[2]，因此探讨其外腐蚀原因和防范技术有着重要的现实意义。

1　地下储气井外腐蚀原因分析

CNG地下储气井由储气井、井口装置及配套管道组成，其结构见图1。为了方便检修和维护，以前建造的储气井没有固井或未完全固井，未固井部分被空气包围，固井部分周围也不同程度地存在氧气，而且地下构造透气性难以确定，且存在地下水，导致储气井外壁存在严重腐蚀的可能性。影响地下储气井外腐蚀的机理很复杂，但常见的主要有3种类型：电化学腐蚀、微生物腐蚀、杂散电流腐蚀。

1.1　电化学腐蚀

①析氢腐蚀

在地下储气井钻井过程中，伴随着地层的变化，CO2及H2S等组分也同时存在。当它们遇到地层水时会分别形成碳酸和氢硫酸，从而进一步电离形成H⁺。同时地层水中含有各种盐类离子和结垢、溶解氧等，这些粒子长期作用于储气井外表面，与套管中的Fe形成原电池。反应过程为：阴极反应：H⁺+e^-®H,2H®H2；阳极反应：Fe®Fe²⁺+2e^-

腐蚀产生的碳酸盐会在储气井外表面不同区域形成自催化极强的腐蚀电偶，氢硫酸的存在则会使地下储气井外表面的腐蚀产物更加活泼，形成FeS沉积，这些过程进一步促进了储气井的析氢腐蚀。

②吸氧腐蚀

氧气具有很强的腐蚀性，即使含量很低(体积分数在1×10^-6以下)，也可以引起严重的腐蚀^[3]。由于土壤透气性的差异会导致不同程度地存在氧气，且土壤中含有水分和各种盐类离子，储气井外表面会受到腐蚀介质的作用而产生不同程度地吸氧腐蚀。O2会得到电子形成OH^-，套管中的Fe失去电子形成Fe²⁺。反应过程为：阴极反应：O2+2H2O+4e^-®4OH^-；阳极反应：Fe®Fe²⁺+2e^-。

另外，在土壤环境中，水中的溶解氧也会对储气井产生氧化去极化腐蚀作用，从而加剧了储气井外表面的吸氧腐蚀。

电化学反应生成的Fe²⁺会与周围土壤介质中的OH^-结合，生成铁的氢氧化物，使储气井的外表面腐蚀，危害储气井系统的安全。储气井电化学腐蚀的特点为：储气井的电化学腐蚀普遍存在；均匀腐蚀、局部腐蚀同时存在；腐蚀形式主要为台地腐蚀坑或连片穿孔。

1.2　微生物腐蚀

储气井外腐蚀是多种因素共同作用的结果。其中，微生物腐蚀是不容忽视的，有统计表明，约有20％的腐蚀是由微生物引起的。储气井外壁周围存在硫酸盐还原菌、嗜氧菌等，它们或者消耗氧气造成氧差电池引起腐蚀(如嗜氧菌)，或者需要电化学反应产生的氢进行新陈代谢，从而促进析氢腐蚀(如硫酸盐还原菌)。

微生物腐蚀并非微生物本身对金属的作用，而是维持生命活动的结果。其一方面为电化学腐蚀创造了必要条件，另一方面又对电化学腐蚀过程产生影响。主要特点为^[4]：是新陈代谢产物作用的腐蚀结果；微生物生命活动影响腐蚀微电池反应动力学过程；微生物生命活动的结果改变储气井套管所处的环境状况；微生物所致腐蚀部位总是产生孔蚀现象。

1.3　杂散电流腐蚀

杂散电流是指设计或规定回路以外流动的电流。随着城市建设的发展，杂散电流对储气井外壁腐蚀的比例增长较快。其主要是由储气井套管外部的交流或直流电流引起的，直流电流对管壁腐蚀的影响最大。在电流大小相同时，直流电流造成的腐蚀比交流电流大100倍，阴极保护是最可能的杂散直流电源^[5]。

当杂散电流在管壁流动时，会形成电位差，从而建立腐蚀原电池^[6]。电流流入的管道部位为腐蚀原电池的阴极区，电流流出的金属部位为腐蚀原电池的阳极区。在阳极反应中，组成管道的铁单质失去电子变成游离态的Fe²⁺，从而造成储气井外壁的腐蚀。杂散电流腐蚀主要有以下特点^[7]：腐蚀强度大；腐蚀集中于局部位置，易造成点腐蚀；当储气井外管壁有防腐层时，杂散电流腐蚀主要集中在防腐层缺陷部位。

2　储气井外腐蚀的防范措施

2.1　储气井外壁涂防腐层

储气井外壁在有完整固井水泥包覆的情况下不会发生腐蚀，但在固井质量不合格因而没有水泥包覆的外壁部位则会发生严重的腐蚀。防腐层的防腐蚀原理是高电阻的涂层将管壁金属与腐蚀介质隔离，切断电化学腐蚀电池的电路，从而阻止管壁金属的腐蚀。建议在储气井外壁涂防腐层，可采用目前在埋地钢质管道中应用效果较好的3层PE防腐层博。，其具有机械强度高、施工性好、耐土壤应力好、柔韧性好等优点。

2.2　改进固井方式

CNG地下储气井施工时，一般采取将水泥直灌下去的方式来固定井筒。由于井筒与井壁之间的间隙很小，而井深一般有l00～500m，因此，水泥浆很难达到下部位置，井筒与井壁之间的地下水也无法排出。建议采用新的固井工艺——循环固井法^[9]，即水泥从套管注入，到达井底后，通过特殊的井底封头，从井底返到环空，水泥浆从井底向上逐步顶替环空中的钻井液，直到水泥浆从井口返出为止。该方法中的固井水泥浆与套管胶结程度高、井筒与井壁一体性好，从技术与工艺上保证了固井质量，防止了腐蚀。

2.3　阴极保护

阴极保护可有效减缓和防止储气井外壁的腐蚀，阴极保护分为牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护两种。牺牲阳极阴极保护虽然可以降低腐蚀速度，减少套管穿孔，但不能完全防止腐蚀。强制电流阴极保护则是利用外部电源对保护体施加阴极电流，为其表面上进行的还原反应提供电子，从而抑制被保护体自身的腐蚀过程。它具有保护能力强、施工简便、可延长套管的使用寿命、减少更换次数等优点。

2.4　化学防腐

化学防腐是指用化学方法除掉腐蚀介质或改变环境性质以达到防腐的目的，其主要方法包括使用缓蚀剂、杀菌剂和除氧剂。

缓蚀剂是一种在低浓度下能阻止或减缓金属在环境介质巾腐蚀的物质。CNG储气井建设过程中，常用的缓蚀剂有含磷类盐水缓蚀剂、含硫类无机盐水缓蚀剂、薄膜胺缓蚀剂等，它们各有特点，但都能在一定程度上减缓储气井外壁的腐蚀。

在缺氧情况下，储气井外壁的严重腐蚀往往是由硫酸盐还原菌引起的，它既降低了金属的氧化还原电位，又可产生腐蚀性H2S。注入氨，使氨渗入严重腐蚀的地层下部可以防止储气井外壁腐蚀。高碱性泥浆也可起到抑制细菌的作用。

除氧剂防腐是指在完井液中加入还原性物质(如氧化亚铁、氯化亚锡、肼等)，它们可以有效地除去储气井外壁周围的氧，从而防止储气井外壁的腐蚀。肼是一种强还原剂，它和氧发生反应生成氮气和水，除氧非常有效，并可降低阴极保护所需电流。

3　储气井外腐蚀的检测与修复

3.1　储气井外腐蚀检测

①漏磁检测(MFL) ^[10]

漏磁检测由磁化器、空气隙、井筒壁组成闭合回路，见图2。井筒壁被磁化后，在缺陷及其表面形成漏磁场，漏磁场的形状及强度和缺陷的形状有一定的对应关系。应用传感器测量这个漏磁场，得到测量信号，分析后可检测出管壁的缺陷。

漏磁检测系统由电源、磁化装置、检测探头、A／D模块、计算机等组成。井筒壁被磁化装置磁化后发出电磁信号，该信号被检测探头检出，再由A／D模块采集，最后在计算机中显示分析结果。该检测技术对突变缺陷敏感，无检测盲区，能对管壁进行全面检测，对表面光洁度要求低，不需要耦合剂。缺点是测量精度低，受管材限制，不能够测量渐变腐蚀。

②超声波检测(UT) ^[11]

超声波检测是利用套管及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化，来检验套管缺陷的无损检测方法。在超声波仪器示波屏上，横坐标表示声波的传播时间，纵坐标表示回波信号幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在；又可由回波信号出现的位置来确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位；通过回波信号幅度来判断缺陷的大小。

超声波的检测系统结构见图3，超声波检测系统主要以单片机为控制核心，数据的采集、处理、显示由微机完成。单片机控制发射电路发出窄脉冲，激励超声波探头发出超声波，并随之切换开关，切换到接收回路。然后启动数据采集卡进行数据采集，经过微机处理后显示分析结果。超声波检测技术测量精度高，能分辨管内壁和外壁腐蚀，不受管材约束，能够测量渐变腐蚀。但该检测技术存在检测盲区，且只能对光洁表面检测，还需要耦合剂。

3.2　储气井外腐蚀的修复

以下几种储气井修复技术均采用套管内修复方式。

①补贴修复技术

套管补贴修复技术是利用专用的补贴工具，通过液压挤胀的方式将膨胀管补贴在套管破损部位。通常在进行套管补贴修复工艺前，应进行机械整形及钻铣形成通径。该技术操作简便，且不改变原井筒尺寸；缺点是耐压强度低、悬挂能力差。

②套管加固技术

套管加固技术是指在小套管(相对原井套管)的两端加装密封支撑体，通过液压方式挤胀密封支撑体，使其将小套管密封固定在原井套管破损部位。这能够增加原套管强度，进而延长使用寿命。但该技术使井筒内径变小，且只适合于短井段加固。

③机械整形技术

机械整形技术是指对变形井段短且变形程度不大的储气井，采用梨形膨胀器或锥面胀管器对套管变形段进行机械整形，以达到修复套管的目的。其主要应用于不能实施补空、卡封等措施的井。该技术操作简便、费用较低，但使用寿命短，成功率较低。

④取套换套技术

取套换套技术是针对套管严重损坏的储气井，利用管外套铣、管内扶正、倒出损坏套管或上部小直径套管，重新更换新套管的一种技术。该技术不改变井身结构，能够满足储气井各种工艺要求，修复最彻底，使用寿命长；但只适合浅井管段，费用较高，施工期较长。

参考文献：

[1]肖平华．地下储气井储配站的设计与探讨[J]．上海煤气，2010(2)：7-9．

[2]杨冲伟，董事尔，翁应彬，等．高压气地下储气井的腐蚀机理研究[J]．煤气与热力，2010，30(3)：Bl6-B19．

[3]毛克伟，史茂成．油气井套管腐蚀原因与防腐措施[J]．石油钻探技术，l993，24(1)：31-36．

[4]徐桂英．金属微生物腐蚀的电化学机理[J]．辽宁师范大学学报：自然科学版，l994，17(2)：173-176．

[5]张智，吴优，付建红，等．井下套管外腐蚀机理与防护措施[J]．石油地质与工程，2007，21(3)：104-106．

[6]BRICHAU F，DECONINCK J，DRIESENS T．Modeling of underground catholic protection stray currents[J]．Corrosion，1996(52)：480-488．

[7]张庆杰，李福军，孙国军，等．油水井套管腐蚀及防护理论、实验与应用[J]．大庆石油学院学报，2004，28(4)：107-108．

[8]李远利．管道防腐涂层新发展[J]．涂料工业，2007，37(2)：55-57．

[9]吴小培．浅谈CNG储气井施工存在的问题[J]．科技资讯，2011(27)：129．

[10]张海锭，苏真伟，林仙土，等．CNG储气井井筒腐蚀的漏磁检测探索[J]．中国测试，2010，36(3)：11-14．

[11]邹毅，罗飞路，李政．基于C805F340多通道超声波无损检测系统的设计[J]．传感器世界，2007，13(10)：26-29．

本文作者：武维胜  臧子璇  黄小美  张琼雅

作者单位：珠海市规划设计研究院

  重庆大学城市建设与环境工程学院