海洋及滩涂油气田的腐蚀与防护讲义

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1、第四章 海洋及滩涂油气田的腐蚀与防护,世界海洋石油业勘探现状,海洋油气的勘探开发是陆地石油勘探开发的延续，经历了一个由浅水到深海、由简易到复杂的发展过程。 1887年，在美国加利福尼亚海岸数米深的海域钻探了世界上第一口海上探井，拉开了海洋石油勘探的序幕。,海洋油气储量,全球海洋油气资源丰富。海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34，探明率30左右，尚处于勘探早期阶段。 据油气杂志统计，截至2006年1月1日，全球石油探明储量为1757亿吨，天然气探明储量173万亿立方米。全球海洋石油资源量约1350亿吨，探明约380亿吨；海洋天然气资源约140万亿立方米，探明储量约40万亿立方米。,海洋油气储

2、量,中国近海大陆架面积130多万平方公里，目前已发现7个大型含油气沉积盆地，60多个含油、气构造，已评价证实的油、气田30个，石油资源量8亿多吨，天然气1300多亿立方米。其中，石油储量上亿吨的有绥中361（2亿吨），埕岛（1.4亿吨），流花111（1.2亿吨），崖城131气田储量8001000亿立方米。,油气资源分布,海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%，但大陆坡的深水、超深水域的油气资源潜力可观，约占30%。 在全球海洋油气探明储量中，目前浅海仍占主导地位，但随着石油勘探技术的进步，将逐渐进军深海。水深小于500米为浅海，大于500米为深海，1500米以上为超深海。

3、20002005年，全球新增油气探明储量164亿吨油当量，其中深海占41，浅海占31，陆上占28。,油气资源分布,从区域看，海上石油勘探开发形成三湾、两海、两湖的格局。 “三湾”即波斯湾、墨西哥湾和几内亚湾； “两海”即北海和南海； “两湖”即里海和马拉开波湖。 其中，波斯湾的沙特、卡塔尔和阿联酋，里海沿岸的哈萨克斯坦、阿塞拜疆和伊朗，北海沿岸的英国和挪威，还有美国、墨西哥、委内瑞拉、尼日利亚等，都是世界重要的海上油气勘探开发国。,海洋油气田开发的蓬勃发展,海洋油气田开发的蓬勃发展,海洋油气田开发的蓬勃发展,海洋油气产量,海洋油气生产始于20世纪40年代，60年代为100万桶/天，2005年为

4、2500万桶/天。 在世界海洋石油产量中，北海海域石油产量及其增长速率，一直居各海域之首。2000年产量达到峰值，即3.2亿吨，随后逐渐下降。 波斯湾石油产量缓慢增长，年产量保持在2.12.3亿吨，而墨西哥湾、巴西、西非等海域石油产量增长较快，年均增长超过5.0，其中，墨西哥湾可能在未来数年超过北海，成为世界最大产油海域。,第一节 海洋及滩涂油气田开发设施,开采海底和滩涂石油资源，面临的共同问题是把钻井和生产设备安装在什么基础上。,第一节 海洋及滩涂油气田开发设施,人们在开发陆地油气田时，早已把脚步延伸到邻近的滩涂。为了安装钻机和建设油气生产、储运设施，用围堰造地和建造突堤这些较古老的办法已在

5、沿海的油田广泛地使用，在滩涂上开发出大量的石油和天然气。 随着科学技术的进步，利用各种类型的两栖交通运输工具，建造人工岛和使用座底式自升平台来勘探、开发滩涂石油。,第一节 海洋及滩涂油气田开发设施,随着开发规模的扩大以及开发海域水深的加大，桩基固定式平台在技术上和经济上都受到了限制。依据油田所处海域的水深和其他环境条件，以及离岸的远近、运输条件等因素，海上石油开发设施有各种不同的组合形式。,图4-1 半海半陆式石油开发设施,图4-2 固定平台与浮式装置结合的设施,图4-3 先进的深海石油开采设施,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,建造海洋及滩涂石油开发设施的材料绝大多数是钢铁。导致这些设施

6、破坏的原因有各种各样，然而。除了事故性的原因外，主要的破坏因素来自于海洋环境，而环境对设施的破坏原因又可以大致地归纳为作用力和腐蚀。研究钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀行为，对采取有效的防腐蚀措施，预防开发设施遭受意外破坏，具有重要的意义。,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,海水是含有3%-3.5% 氯化钠为主盐、pH值为8左右的良好电解质。,海水中很好解离的盐类总量很高 导电性很强！,氯化物最多，其次是硫酸盐！,海水中含氯量,氯离子使海水对大多数金属结构具有较高腐蚀活性！,影响海水腐蚀的主要因素,氧含量。海水的氧含量提高，腐蚀速度也提高。 流速。海水中碳钢的腐蚀速度随流速的增加而增加，但增加

7、到一定值后便基本不变。而饨化金属则不同，在一定流速下能促进高铬不锈钢等的饨化提高耐蚀性。当流速过高时，金属腐蚀将急剧增加。 温度。与淡水相同，温度增加，腐蚀速度将增加。 生物。生物的作用是复杂的，有的生物可形成保护性覆盖层，但多数生物是增加金属腐蚀速度。,在海水中影响腐蚀的因素,海洋环境材料腐蚀危害,海洋环境材料腐蚀危害,船底海生物污损情况,螺旋桨污损情况,海洋环境材料腐蚀危害,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,根据环境介质的差异以及钢铁在这些介质中受到的腐蚀作用的不同，一般将海洋腐蚀环境划分为海洋大气区，飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区五个区域。,海洋大气区,潮差区,海水全浸区,海底泥土区

8、,浪花飞溅区,海洋的腐蚀环境大致可分 为以下几类： 1.大气区 2.飞溅区 3.潮差区 4.全浸区 5.海泥区,滩涂一般指高潮时淹没，低潮时露出的海陆交界地带，除了没有全浸区以外，就腐蚀而言，其最重要的特征是海泥区周期性地暴露于大气 ，同时，受陆地环境因素影响，钢铁所受到的腐蚀以及相对应的防护措施，与低潮线以外的海洋环境，会有所不同。,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,一、海洋环境中普通碳钢的腐蚀 （1）海洋大气区 海洋大气不仅湿度大，容易在物体表面形成水膜，而且其中含有一定数量的盐分，使钢铁表面凝结的水膜和溶解在其中的盐分组成导电性良好的液膜，提供了电化学腐蚀的条件。因此，海洋大气中钢铁

9、的腐蚀速度，比内陆大气中要高4-5倍。 影响海洋大气中钢铁腐蚀的主要因素是大气中盐分的含量和大气的温度、湿度。日晒雨淋和微生物活动也是影响腐蚀的重要因素。,碳钢在海洋大气区的腐蚀机理 大气中水蒸气在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下容易附着在钢铁表面形成一层肉眼看不见的水膜，水膜中溶解有CO2、SO2和一些其他盐分，成为导电性很强的电解质溶液。 研究结果表明钢在相对湿度大于70%时腐蚀严重。,碳钢在海洋大气区的腐蚀机理 钢铁的主体元素铁和微量元素碳的标准电极电位不同，形成原电池，铁作为阳极被氧化而失去电子，变成铁锈。其反应如下式所示： 阳极反应：Fe Fe2+ + 2e- 阴极反应：2

10、H2O + O2 + 4e- 4OH- 海洋大气环境中的钢铁，白天经日光照射，水分蒸发提高了表面盐度，晚间又形成潮湿表面，这种干湿循环使得腐蚀速度大大加快。,碳钢在海洋大气区的腐蚀机理 另外，氯离子有穿透作用，它能加速钢铁的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。钢铁表面就难以形成保护性的长期稳定致密的锈层，腐蚀率急剧上升。,（2）飞溅区 飞溅区位于高潮位上方，因经常受海浪溅泼而得名，也叫浪花飞溅区。 飞溅区范围的大小，因不同海域海况条件的不同有很大的差异。飞溅区中钢铁构件的表面经常是潮湿的，而且它又与空气接触，供氧充足，因此这里便成为海洋石油开发设施腐蚀最严重的区域。,（2）飞溅区 影

11、响飞溅区腐蚀的因素有阳光、漂浮物等。 当海浪拍击结构物时，混在海水中的气泡与结构物表面撞击而破裂，形成“空泡”现象，对结构物表面有极大的破坏作用。,碳钢在浪花飞溅区的腐蚀机理 在飞溅区海水膜润湿时间长、干湿交替频率高、海盐粒子的大量积聚、飞溅的海水粒子冲击以及风浪影响造成的供氧充分是主要外部因素。 其内在因素是飞溅区中的钢铁在腐蚀过程中由于表面锈层自身氧化剂的作用而使阴极电流变大。 飞溅区的表面锈层在湿润过程中作为一种强氧化剂在起作用，而在干燥过程中，由于氧化作用，锈层自身的Fe2+又被氧化为Fe3+。,（3）潮差区 高潮位和低潮位之间的区域称为潮差区。位于潮差区的海上结构物构件，经常出没于潮

12、水，和饱和了空气的海水接触，会受到严重的腐蚀。,碳钢在潮差区的腐蚀机理 由于水下部位和潮差部位之间形成了宏观电池。潮差部位由于供氧充分形成宏观电池的阴极区，水下部分成为宏观电池的阳极区，阳极区向阴极区提供保护电流，使潮差区腐蚀减轻。 海洋生物能够栖居在潮差区的碳钢表面，如果附着均匀密布，可以在钢表面形成保护膜使得钢结构的腐蚀相对减轻。如果局部附着，会因附着部位的钢与氧难于接触而产生氧浓差电池，使得生物附着部位下面的钢产生强烈腐蚀。,（4）全浸区 长期浸没在海水中的钢铁，比在淡水中受到的腐蚀要严重，其腐蚀速度在0.07-0.18mm/a。海水中的溶解氧、盐度、pH以及温度、流速、海生物等因素，对

13、全浸区的腐蚀都有影响，其中尤以溶解氧和盐度影响程度最大。,碳钢在全浸区的腐蚀机理 根据海水深度不同将其分为浅水区（低潮位以下20m30m以内）、大陆架全浸区（在30m200m水深区）和深海区（200m水深区） 浅水区：海水流速较大，存在近海化学和泥沙污染，O2、CO2处于饱和状态，生物活跃、水温较高，以电化学和生物腐蚀为主。所形成的宏观电池的阳极面积,即全浸部分的面积较小与深海区相比较腐蚀速度更快。 大陆架全浸区：随着水的深度增加，含气量、水温及水流速度均下降，生物亦减少，钢腐蚀以电化学腐蚀为主，此水域的腐蚀较浅海区轻； 深海区：pH为7.68.2，压力随水的深度增加，矿物盐溶解量下降，水流、

14、 温度溶解空气均低，钢腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，化学腐蚀为次。,（5）海泥区 不同海区的海泥对钢铁的腐蚀也不同，尤其是有污染和大量有机质沉积的软泥，需要特别注意。 一般认为，由于缺少氧气和电阻率较大等原因，海泥中钢铁的腐蚀速度要比海水中低一些，在深层泥土中更是如此。,碳钢在海泥区的腐蚀机理 海底泥浆是一种良好的电解质，对钢铁的腐蚀比在陆地土壤中的强烈。 此外，海底泥土区中通常含有细菌，主要是厌氧的硫酸盐还原菌，它可以在缺氧的环境条件下生长繁殖，海水的静压力会提高细菌的活性。 由细菌作用而产生的气体如NH3、H2S等，也影响钢铁的腐蚀性。但钢铁在海底泥土区中的氧供给受到限制，其腐蚀速率远小

15、于其他四个区带的腐蚀速率。,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,影响海泥对钢铁腐蚀的因素有微生物、电阻率、沉积物类型(粒度)、温度等。 在SRB大量繁殖的海泥中，钢的腐蚀速度比无菌海泥要高出数倍到10多倍，甚至比海水中高2-3倍。 海泥的电阻率相对陆地土壤而言，是特强腐蚀环境。 沉积物颗粒越粗，越有利于透水和氧的扩散，腐蚀性越强。温度对海泥的腐蚀性也有相当重大的作用，其影响程度和海水中相似。,图4-6 钢铁在海洋环境各区域的腐蚀,海洋大气区,海洋大气区,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,二、不锈钢在海洋环境中的腐蚀 不锈钢通常指含Cr12%以上在大气条件下具有耐腐蚀性能的铁基合金。 许多

16、研究人员对马氏体、铁素体和奥氏体三种类型的不锈钢在海洋环境中的腐蚀，进行了多年的研究。 一般地说，三种不锈钢在海洋大气中都有极好的耐蚀性。即使在对碳钢有很强腐蚀性的飞溅区，不锈钢也表现出很好的耐蚀性能，这是由于虽然经常接触海水，但充气良好，使不锈钢表面得以保持钝态。,第二节 钢铁在海洋及滩涂环境中的腐蚀,在大气区或飞溅区，如果表面有污物沉积，特别是在缝隙处沉积，便会发生局部腐蚀，并且要比内陆大气中严重得多，因为沉积中含有盐分(Cl-)，对钝化膜有破坏作用。 在潮差区，虽然潮水充气良好，但此区域的一些因素却妨碍了不锈钢表面保持钝态。 在全浸区，当流速低于1.5m/s时，扩散到钢表面的氧不足以保持钝化膜的稳定，而且，此时海生物仍能附着，不锈钢的局部腐蚀是不可避免的 。 泥中缺氧，不锈钢表面饨态一旦受到破坏，便难以弥合，局部腐蚀是可以想像的。况且，碳钢在海泥中腐蚀率很低，还可以用阴极保护措施来保护，因此，在海泥中的结构，没有必要使用不锈钢。,第三节 海洋及滩涂石油平台的腐蚀防护,一、