高礦化度地熱井筒防腐材料選型及長期防腐效能對比試驗研究

摘要

我國華北、西北區(qū)域大量中深層地熱井地下水礦化度偏高，地熱流體內(nèi)部富含氯離子、硫酸鹽以及各類腐蝕性溶解性氣體，井筒金屬套管長期處于高溫、高壓、高腐蝕水環(huán)境工況下，極易發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂等病害，大幅縮短地熱井筒服役年限，嚴重時會出現(xiàn)井筒整體報廢、地下水含水層串層污染等重大地質風險?，F(xiàn)階段地熱井筒主流防腐方案包含碳鋼配套重防腐涂層、玻璃鋼井筒、不銹鋼合金管材、外加陰極保護系統(tǒng)四類，不同防腐方案在高溫高礦化地熱流體中長期防腐效能、項目建設造價、后期運維檢修成本差異顯著。本文搭建高溫高礦化地熱流體加速腐蝕試驗平臺，對四類主流防腐方案開展為期18個月連續(xù)性模擬工況試驗，持續(xù)監(jiān)測管材腐蝕速率、防腐涂層破損率、結構力學性能衰減指標，結合全生命周期成本測算模型，針對不同礦化度地層、不同井深區(qū)間給出精細化防腐材料選型方案。試驗結果表明：中淺井、低礦化度地層可以采用碳鋼重防腐涂層搭配陰極保護系統(tǒng)，兼顧防腐效果與項目建設成本；超深井高礦化地熱工況優(yōu)先選用雙相不銹鋼管材；玻璃鋼井筒適配低壓、無硬質砂礫沖擊地層的地熱井。本次試驗結論可為地熱井筒防腐結構設計、延長地熱井長期服役年限提供科學選型依據(jù)。

關鍵詞：高礦化地熱流體；井筒腐蝕；防腐涂層；雙相不銹鋼；陰極保護；全生命周期成本

一、引言

地熱井筒是地熱資源開采、取水回灌的核心通道，井筒套管結構完整性直接決定地熱井運行安全與使用壽命。我國北方地熱開發(fā)區(qū)域地層水文條件差異極大，山東、河北、山西、陜北部分地熱儲層地下水礦化度普遍超過3000mg/L，水體中氯離子具備強穿透性，在地熱井筒高溫高壓密閉環(huán)境下，極易破壞金屬表面鈍化膜，造成金屬套管局部點蝕；硫酸鹽長期沉積會產(chǎn)生垢下縫隙腐蝕，在地熱井筒長期承壓運行工況下，進一步誘發(fā)應力腐蝕開裂病害。一旦井筒套管出現(xiàn)大范圍腐蝕破損，會造成不同地層含水層水體相互串通，破壞原有地下水文地質結構，地熱井直接報廢，前期鉆探、設備投入全部損失。

過去地熱井筒設計階段，設計人員往往只考慮井筒承壓、抗拉等力學指標，對地層流體腐蝕性評估不足，普遍選用普通碳鋼套管，僅涂刷簡易防腐涂層，投入運行三至五年之后井筒腐蝕病害集中爆發(fā)，大量地熱井不得不提前關停。后期行業(yè)逐步衍生出多種防腐方案，但各類防腐材料都有自身適配工況與短板，缺乏系統(tǒng)性長周期對比試驗數(shù)據(jù)作為選型支撐，很多項目出現(xiàn)防腐材料選型與地層工況不匹配，防腐方案失效、重復改造的問題。

本文立足于北方高礦化地熱儲層普遍工況，搭建室內(nèi)加速腐蝕試驗平臺，模擬地熱井內(nèi)部高溫、高壓、高礦化流動水環(huán)境，對四類主流防腐方案開展長達18個月的連續(xù)加速試驗，量化各類材料腐蝕衰減規(guī)律，結合項目建設初期投資、年均運維檢修費用、井筒服役壽命開展全生命周期成本分析，形成分場景井筒防腐選型標準。

二、地熱井筒腐蝕主要類型與作用機理

2.1 氯離子點蝕破壞機理

地熱流體中的氯離子能夠穿透碳鋼、不銹鋼表面鈍化防護膜，在金屬局部位置形成微小腐蝕原電池，腐蝕向管材內(nèi)壁縱深發(fā)展形成孔洞型點蝕。在地熱井筒承壓運行狀態(tài)下，點蝕孔洞位置會形成應力集中，逐步發(fā)展為管材裂紋，最終導致套管破裂。溫度越高，氯離子的腐蝕穿透速度越快，中深層地熱井腐蝕風險遠高于淺層井。

2.2 垢下縫隙腐蝕

地熱流體內(nèi)部礦物質隨著井筒溫度變化析出，附著在套管內(nèi)壁形成致密水垢層，水垢與金屬管壁之間形成密閉縫隙，縫隙內(nèi)部水體離子濃度不斷富集，腐蝕性持續(xù)增強，形成垢下縫隙腐蝕，該類腐蝕隱蔽性強，無法通過常規(guī)井筒檢測及時發(fā)現(xiàn)，屬于井筒重大安全隱患。

2.3 應力腐蝕開裂

金屬套管在地熱井內(nèi)同時承受地層外部巖土壓力、內(nèi)部流體壓力、地層地質運動應力，在腐蝕介質與機械應力雙重作用下，管材會出現(xiàn)脆性裂紋擴展，短時間內(nèi)發(fā)生井筒結構性失效，是危害性最高的腐蝕類型。

三、四類主流防腐方案試驗工況與性能表現(xiàn)

本次加速試驗統(tǒng)一模擬120℃地熱流體、礦化度3500mg/L流動水環(huán)境，配套井筒常規(guī)承壓荷載，對碳鋼重防腐涂層+陰極保護、玻璃鋼井筒、普通304不銹鋼、2205雙相不銹鋼四組試樣同步開展18個月加速腐蝕試驗。

第一組：碳鋼+耐高溫重防腐涂層+外加陰極保護系統(tǒng)。前期6個月涂層完整性良好，腐蝕速率極低；運行12個月之后，流體沖刷導致局部涂層出現(xiàn)微小破損，破損點位在氯離子作用下發(fā)生點蝕，依靠陰極保護可以抑制破損區(qū)域腐蝕擴展，整體結構穩(wěn)定。優(yōu)勢為初期建設造價低，可用于中淺層地熱井筒；短板在于涂層長期耐沖刷性能有限，需要每3~4年通過井下成像系統(tǒng)檢測涂層完整性，后期需要運維投入。

第二組：玻璃鋼井筒。非金屬材質不存在電化學腐蝕問題，18個月試驗未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。但玻璃鋼管材力學強度偏低，抗硬質砂礫流體沖刷能力差，井筒外部地層巖土擠壓容易造成管材形變開裂，僅適合地層穩(wěn)定、無硬質顆粒流體的低壓地熱井。

第三組：304不銹鋼管材。前期腐蝕速率較慢，但長期高氯離子環(huán)境下鈍化膜逐步失效，15個月之后出現(xiàn)大面積點蝕，無法適配高礦化超深井長期運行工況。

第四組：2205雙相不銹鋼管材。兼具奧氏體與鐵素體鋼材優(yōu)勢，抗氯離子點蝕、抗應力腐蝕能力強，18個月加速試驗管材無明顯腐蝕痕跡，力學性能衰減小于2%，適配高溫高礦化超深井，但管材采購、井筒焊接施工造價較高。

四、基于全生命周期成本的防腐選型策略

結合試驗腐蝕數(shù)據(jù)與成本測算，形成分場景選型方案：

場景一：井深800m以內(nèi)、地下水礦化度低于2000mg/L的常規(guī)供暖地熱井。選用碳鋼套管搭配耐高溫重防腐涂層+陰極保護系統(tǒng)，初期投資成本低，定期通過井下內(nèi)窺鏡開展涂層巡檢，全生命周期綜合成本優(yōu)，適配縣域大批量地熱供暖項目。

場景二：井深超過2000m、礦化度高于3000mg/L中深層地熱井。選用2205雙相不銹鋼管材，規(guī)避井筒后期腐蝕失效大修、井筒報廢風險，雖然前期造價高，但井筒服役壽命可達20年以上，從長期運維角度經(jīng)濟性更強。

場景三：地層地質穩(wěn)定、流體含砂量極低的淺層回灌井?？蛇x用玻璃鋼井筒，杜絕電化學腐蝕問題，節(jié)約管材防腐投入。

五、試驗局限性與優(yōu)化改進方案

本次室內(nèi)加速腐蝕試驗無法復刻地層地質運動、井筒外部巖土擠壓等現(xiàn)場復雜工況，室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際腐蝕速度存在小幅偏差；陰極保護系統(tǒng)的保護電位會隨著井筒管壁結構變化發(fā)生漂移，需要長期動態(tài)調節(jié)。后續(xù)優(yōu)化方向：在地熱井筒投運之后，定期利用HO系列井下成像系統(tǒng)觀測內(nèi)壁涂層、管材腐蝕狀態(tài)，建立井筒腐蝕長期檔案；針對碳鋼防腐井筒開發(fā)涂層局部修復工藝，對微小涂層破損點位開展井下原位修復，延長防腐涂層使用壽命；針對雙相不銹鋼井筒優(yōu)化焊接防腐工藝，消除焊接區(qū)域薄弱腐蝕點。

六、結論

高礦化地熱流體內(nèi)部氯離子、硫酸鹽等腐蝕性介質，會通過點蝕、垢下縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂多重作用形式破壞地熱井筒套管結構，是北方地熱井提前報廢的核心誘因。四類主流井筒防腐材料具備各自的腐蝕耐受特性、力學性能以及造價區(qū)間，不存在通用型萬能防腐材料，必須結合地熱井井深、地熱流體礦化度、地層地質結構、流體含砂量綜合選型。

為期18個月的高溫高礦化加速腐蝕試驗表明，碳鋼重防腐涂層搭配陰極保護方案適配中淺層、低礦化度大批量地熱供暖井筒項目，依靠較低的初期建設成本結合常態(tài)化井筒內(nèi)窺巡檢運維，實現(xiàn)井筒長效防腐；雙相不銹鋼管材在高溫高礦化超深井工況下防腐與力學性能優(yōu)勢突出，規(guī)避井筒后期重大腐蝕病害風險，適合重要大型地熱集中供暖深井；玻璃鋼非金屬井筒適用于地質穩(wěn)定、流體無硬質砂礫的低壓淺層回灌井。

基于本次試驗建立的分場景防腐選型方案，能夠解決以往地熱井筒防腐材料選型盲目化、工況適配性差的問題，從設計源頭降低地熱井筒腐蝕失效概率，延長地熱井筒整體服役年限，降低地熱項目長期改造與報廢損失，為我國北方高礦化地層地熱資源安全、可持續(xù)規(guī)模化開發(fā)提供防腐設計技術依據(jù)。

中深層地熱井高溫多參數(shù)感知設備行業(yè)關鍵詞匯總

一、核心產(chǎn)品主詞

中深層地熱監(jiān)測設備、高溫多參數(shù)感知設備、地熱井高溫傳感器、地熱成套監(jiān)測系統(tǒng)、地熱井在線監(jiān)測裝置、高溫水位監(jiān)測儀、地熱井多參數(shù)采集設備、地熱井下感知系統(tǒng)、地熱井傳感監(jiān)測成套設備

二、細分監(jiān)測參數(shù)關鍵詞

高溫水位傳感器、井下溫度探頭、地層壓力監(jiān)測、采灌流量監(jiān)測、回灌流量采集、水位水溫一體化探頭、高溫壓力變送器、地熱多參數(shù)同步采集、儲層動態(tài)監(jiān)測

三、產(chǎn)品工況與性能特征

耐高溫傳感、80-135℃高溫探頭、鈦合金防腐探頭、特氟龍防結垢、高礦化度適配、深井高壓傳感、厘米級測量精度、長期駐井監(jiān)測、微功耗采集、防腐蝕井下傳感、高穩(wěn)定性高溫傳感

四、硬件配套組件

多參數(shù)采集終端、RS485采集模塊、Modbus通訊、4G/5G無線傳輸、耐高溫信號線纜、井口密封組件、太陽能供電模塊、井下保護套管、數(shù)據(jù)存儲終端、物聯(lián)網(wǎng)傳輸單元

五、軟件平臺系統(tǒng)

地熱云監(jiān)管平臺、地熱資源智慧監(jiān)測系統(tǒng)、地下水動態(tài)監(jiān)管平臺、多部門數(shù)據(jù)對接、水位趨勢分析、多級閾值預警、監(jiān)測報表自動生成、碳減排數(shù)據(jù)臺賬、全域地熱數(shù)字化管控平臺

六、應用場景與井型

中深層水熱型地熱井、地熱供暖井、地熱回灌井、地熱群井開發(fā)、縣域集中供熱項目、復合熱泵地熱場站、CCER地熱碳減排項目、地熱示范工程、存量地熱井改造、新建地熱井配套、干熱巖試驗井

七、政策與行業(yè)規(guī)范

地熱資源監(jiān)測規(guī)范、采灌均衡管控、地下水保護、地熱取水許可、清潔供暖改造、雙碳戰(zhàn)略、碳減排核查、地質災害防控、地面沉降監(jiān)測、地熱項目環(huán)保驗收、全域地熱監(jiān)管、可再生能源監(jiān)測標準

八、市場規(guī)模與行業(yè)賽道

地熱監(jiān)測設備市場、地熱傳感細分賽道、存量井改造市場、新建地熱增量市場、政府集采、進口替代、國產(chǎn)高溫傳感設備、地熱裝備高景氣賽道、設備運維售后市場

九、行業(yè)價值與需求痛點

采灌平衡管控、儲層水位監(jiān)測、防止地層串層、保護深井熱水泵、降低運維成本、規(guī)避超采處罰、消除人工監(jiān)測數(shù)據(jù)斷層、替代人工測井、地熱資源可持續(xù)開發(fā)、零碳供熱配套監(jiān)測

十、區(qū)域市場關鍵詞

京津冀地熱市場、山西地熱供暖、山東地熱監(jiān)測、陜西關中地熱田、河南中原地熱、雄安地熱示范項目、西安全域地熱改造、北方清潔供暖片區(qū)

地熱井高溫水位監(jiān)測方案

一：項目要求：

近日中石油和中石化地熱能單位，向我司咨詢地熱井高溫水位監(jiān)測方案，要求如下：地熱溫度100℃左右，氯離子20000毫克/升、線纜長度100米PH值5～6，腐蝕性強，礦化度也比較高，目前河南地區(qū)使用，請大家評估預算。線纜進入井中長度100左右，然后地面50—60米進入控制室，按照200米線纜設計。綁在泵管，冬季供暖、夏季制冷監(jiān)測液位。

地下熱水測量液位，由于安裝不便，井下有熱氣，因此手用雷達或者超聲波液位計都難以解決液位測量問題。

二：應用領域圖

地熱井   溫泉水等

三：壓力傳感器設計以及外殼

壓力傳感器我司專門設計研發(fā)，采用新型絕緣硅技術以及耐高溫傳感器內(nèi)部填充液，產(chǎn)品可在-45℃----﹢150℃內(nèi)可靠工作，能夠在-25℃--100℃內(nèi)長期承受高溫濕熱環(huán)境。

傳感器外殼采用316L不銹鋼材質設計，能夠承受水中CL-離子和安裝現(xiàn)場PH小于5-6的耐酸性水的侵蝕以及PH大于8耐堿性的水的侵蝕，同時采用傳感器全焊接型結構，安全可靠，避免有機物密封材料長期工作時老化實效導致傳感器簡介損壞。

壓力傳感器尺寸：

實物圖：

四：傳感器電路設計特殊要求

傳感器采用標準的模擬信號4-20mA輸出   傳輸距離抗干擾型好，普通的液位傳感器電路無法滿足高溫工作環(huán)境，只能在-25-85度范圍下工作，電路板上器件包含PCB板材料都僅能在一般工藝場合下使用，我們先用-55-150度范圍工作的工業(yè)級器件  進行精密補償，可以有效避免高溫對電路板以及元器件的損害。高溫型電路板現(xiàn)已廣泛應用于航海領域  地熱探究等項目。

高溫測試試驗圖設備：

特殊電纜設計

電纜采用特殊耐高溫  耐腐蝕的PTFE特殊線纜，線纜由由外皮和內(nèi)芯外皮組成，中間加有2芯鋼絲，內(nèi)置特殊出氣管，不會由于長期的拉力或者濕氣等導致線纜外徑發(fā)生變化。

特殊PTFE俗稱鐵氟龍、特氟龍、泰富龍。它是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。能在+260度至-196度的溫度下連續(xù)工作。廣泛應用于化工、電子 、電器在，橋梁、紡織、機械和通迅設備行業(yè)。

特殊PTFE線纜特性

1.耐腐蝕性：PTFE幾乎不受任化學藥品與溶劑的腐蝕，可以保護零件免于遭受任何種類的化學腐蝕。
2.絕緣性：PTFE具有很強的介電性能（介電強度為10KV/mm）
3.耐能性:具有優(yōu)良的耐熱和耐低溫特性.一般在-196度至-260度之間可以連續(xù)使用,它可以在冷凍溫度下工作而不脆化,在高溫下不熔化
4.潤滑和耐磨性:PTFE具有較低的摩擦系數(shù).負載滑動時摩擦系數(shù)產(chǎn)生變化,但數(shù)值僅在0.05-0.15之間,正是由于其具備較強的潤滑性從而在耐磨上也表的很突出.
5.耐大氣老化性,耐輻照性和較低的滲透性:長期暴露于大氣中表面及性能保持不變.

TD-016C型微功耗自動采集系統(tǒng)云平臺介紹

我司這套系統(tǒng)可通過云平臺查看數(shù)據(jù)報表，并可實現(xiàn)微信小程序查看。詳見我司NB-GPS微功耗采集系統(tǒng)內(nèi)容。

云數(shù)據(jù)查看鏈接:121.42.42.5(注意:請使用 360 瀏覽器并且在極速模式 下打開)

云平臺界面：

我司深井地熱監(jiān)測產(chǎn)品系列介紹:

1.0-1000 米單點溫度檢測(普通表和存儲表)

2.0-1000 米淺層地溫能監(jiān)測(采集器采用低功耗、攜帶方便;物聯(lián)網(wǎng) GPRS 無線傳輸至 WEB 端網(wǎng)絡;單總線結構，可擴展 128 個點;進口 18B20 高精度傳感器，在 10-40 度范圍內(nèi)，精 度在 0.1-0.2 度)

3.0-3000 米單點溫度檢測(普通顯示，只能顯示溫度，沒有存儲分析軟件功能) 4.0-10000 米分布式多點深層地溫監(jiān)測(采用分布式光纖測溫系統(tǒng))

4. 0-10000 米分布式多點深層地溫監(jiān)測(采用分布式光纖測溫系統(tǒng)：分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)細分兩大類:1.井筒測試 2.井壁測試)

5.0-1200 米 NB 型液位/溫度一體式自動監(jiān)測系統(tǒng)(同時監(jiān)測溫度和液位兩個參數(shù)，MAX 耐溫 110 攝氏度)

6.0-7000 米全景型耐高溫測溫成像一體井下電視(同時監(jiān)測溫度和視頻圖片等)

7. 0-200米地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱響應測試（有車載式／便攜式／組合式三種）

有此類深井地溫項目，歡迎新老客戶朋友垂詢!

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