熱采井常用油套管材料在酸性介質中的腐蝕行為

計 玲

(中國石油新疆油田分公司 工程技術研究院,克拉瑪依 834000)

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熱采井常用油套管材料在酸性介質中的腐蝕行為

計 玲

(中國石油新疆油田分公司 工程技術研究院,克拉瑪依 834000)

通過模擬工況下的腐蝕試驗，對不同油套管材料的腐蝕行為進行分析和研究，同時結合腐蝕預測軟件進行數據分析。結果表明：在50 ℃及150 ℃下，N80、BG80-3Cr、P110、BG90H四種材料的均勻腐蝕速率大于0.2 mm/a，腐蝕較嚴重；BG90H-9Cr和BG90H-13Cr在試驗溫度范圍內具有良好的抗CO2+H2S+O2均勻及局部腐蝕能力；溫度對油套管用鋼的腐蝕影響較為復雜，隨溫度升高，腐蝕速率上升，但溫度較高時，當金屬表面生成致密的腐蝕產物膜后，腐蝕速率隨溫度升高而降低。

火驅；油套管材料；腐蝕行為；影響因素

火燒驅油作為一種頗具特點的熱力采油工藝，具有能量利用率高、技術限制少、適應性廣等特點，綜合了熱驅、氣驅、混相驅和非混相驅的驅油機理，是一種理想的提高采收率的方法。新疆油田陸續(xù)開展了火驅先導試驗，由于火驅的特殊開采機理，生產井中存在高溫、高壓、高礦化度地層水、富氧、CO2及H2S酸性氣體等復雜的腐蝕因素，油井管材在這種腐蝕環(huán)境中的腐蝕規(guī)律尚不明確。本工作通過模擬火驅生產過程中極限工況下的腐蝕試驗，對不同油套管材料的腐蝕規(guī)律進行分析和研究，同時結合腐蝕預測軟件進行數據分析，初步明確油套管材料在極限工況下的腐蝕影響因素，為注氣井、生產井材料的篩選提供依據，對于新疆油田火燒驅油的安全生產及順利開展具有十分重要的意義。

1　試驗

1.1試驗材料

試驗采用熱采井常用油套管材料N80、BG90H、BG80-3Cr、P110、BG90H-9Cr及BG90H-13Cr。

1.2試驗方法

所有試樣均為φ72 mm的1/6圓環(huán)。將試樣分別用400號、600號、1 000號砂紙逐級打磨以消除加工的刀痕，清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱量。然后，將試樣相互絕緣地安裝在特制的試驗架上，放入高壓釜內的腐蝕介質中(腐蝕介質為產出液，pH為6.90，化學成分見表1)在模擬工況條件下進行腐蝕試驗，確定不同油套管的均勻腐蝕速率。

表1　腐蝕介質的化學成分(質量濃度)Tab. 1　Chemical composition of corrosive medium (mass concentration)　mg/L

試驗模擬工況條件：壓力為3 MPa，腐蝕介質流速2 m/s，試驗溫度分別為50、150、250 ℃，試驗時間168 h。試驗前，先通入高純氮除氧，然后，通入N2、CO2、O2、H2S混合氣體(總壓3 MPa、N2分壓2.541 MPa、CO2分壓0.42 MPa、H2S分壓0.009 MPa、 O2分壓0.03 MPa),升壓升溫到設計要求。試驗結束后，將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質、無水酒精除水后烘干待用。

2　結果與討論

2.1腐蝕試驗結果

表2為不同溫度下油套管材料的均勻腐蝕速率。由表2可見，N80、BG80-3Cr、P110、BG90H的均勻腐蝕速率明顯高于BG90H-9Cr和BG90H-13Cr的；在50 ℃及150 ℃下，N80、BG80-3Cr、P110、BG90H四種材料的均勻腐蝕速率均高于0.2 mm/a，腐蝕較嚴重,在使用過程中需采取一定的防護措施；鉻的添加并沒有明顯改善BG80-3Cr的抗CO2+H2S+O2均勻腐蝕能力，50 ℃及150 ℃下，均勻腐蝕速率分別為0.323 9、0.378 8 mm/a，顯著高于0.2 mm/a；在試驗溫度范圍內，BG90H-9Cr和BG90H-13Cr的均勻腐蝕速率都低于0.2 mm/a，具有良好的抗CO2+H2S+O2均勻腐蝕能力。另外，溫度對六種油套管材料CO2+H2S+O2均勻腐蝕的影響較為顯著，其均勻腐蝕速率均在100～250 ℃呈現先上升后下降的趨勢，140 ℃時腐蝕速率最大，250 ℃時腐蝕速率最小。

表2　不同溫度下油套管材料的腐蝕速率Tab. 2　Corrosion rates of oil casing materials at different temperatures　mm/a

在溫度較低條件下(50 ℃)，油套管材料均為CO2+O2腐蝕，腐蝕產物為FeCO3，致密性、保護性較差，腐蝕速率較高。在溫度較高條件下(150 ℃)，O2腐蝕占主導作用，且含Fe3O4的FeCO3腐蝕產物膜的保護性下降，均勻腐蝕速率增大。在高溫條件下(250 ℃)，腐蝕機制轉為氧腐蝕控制，油套管材料的腐蝕產物均為Fe3O4，加之高溫堿性介質中Fe3O4水化物膜的保護性較強,故腐蝕速率顯著降低。

2.2腐蝕預測軟件模擬

運用Predict 2.0鋼鐵腐蝕預測軟件對碳鋼、低合金鋼材料(N80、BG80-3Cr、P110、BG90H、)進行均勻腐蝕速率的理論模擬，運用Socrates 9.0腐蝕預測軟件對高合金鋼和不銹鋼材料(BG90H-9Cr、BG90H-13Cr)進行均勻腐蝕速率的理論模擬。

理論模擬的環(huán)境介質條件來自新疆油田火驅采油生產井產出液(見表1)，碳鋼、低合金鋼、高合金鋼和不銹鋼材料具體模擬參數選擇范圍如表3所示。

表3　模擬參數選擇范圍Tab. 3　Selection scope of simulation parameters

2.2.1 溫度的影響

(1) 碳鋼和低合金鋼

圖1為模擬得到兩種工況條件下碳鋼和低合金鋼材料的腐蝕速率隨溫度的變化。從圖1中可以看出：在溫度很低時(20 ℃)，由于腐蝕產物的溶解度較大，腐蝕速率較高；隨著溫度的升高，腐蝕產物的溶解度下降，在材料表面沉積，一定程度上降低了金屬的溶解反應，因此腐蝕速率降低；當溫度超過60 ℃后，金屬的腐蝕作用大于腐蝕產物膜的保護作用，所以腐蝕速率上升；當溫度升高到120 ℃附近時，由于金屬表面FeCO3、FeS形核數目的減少，核周圍結晶增長較慢和不均勻，在基材上生成一層疏松、多孔、厚的腐蝕產物膜，所以腐蝕速率出現最大值；當溫度超過150 ℃時，溶液的pH顯著升高，而pH的升高將有益于大量的腐蝕產物均勻地在金屬表面上結晶形核，生成一層致密的、附著力好、均質的腐蝕產物保護膜，所以腐蝕速率顯著下降，金屬表面基本沒有腐蝕[1]；當溫度很高時(200 ℃左右)，金屬材料在高溫下可與水發(fā)生反應，其腐蝕產物可降低腐蝕產物膜的保護性，因此腐蝕速率上升。

(2) 高合金鋼和不銹鋼

圖2為模擬得到兩種工況條件下高合金鋼和不銹鋼的腐蝕速率隨溫度的變化。從圖2中可以看出：當溫度低于60 ℃時，隨著溫度的升高，腐蝕速率呈稍微降低趨勢；當溫度繼續(xù)升高，由于鈍化膜的溶解加速，所以腐蝕速率上升，當溫度升高到一定程度時，鈍化膜表面活性點顯著增多，在活性點位置，鈍化膜受到破壞，發(fā)生點蝕，所以腐蝕速率出現極大值；當溫度繼續(xù)升高，已發(fā)生的點蝕二次鈍化，腐蝕速率降低；在高溫下(200 ℃以上)，隨著溫度升高，發(fā)生再鈍化的鈍化膜再次受到破壞，腐蝕速率上升。

2.2.2 流速的影響

金屬材料的腐蝕速率和腐蝕形態(tài)在很大程度上取決于液體流動的影響[2]。圖3～4為模擬得到兩種工況條件下碳鋼和低合金鋼、高合金鋼和不銹鋼材料均勻腐蝕速率隨流速的變化。從圖中可以看出：當流速為1 m/s時，腐蝕速率出現最小值，當流速超過4 m/s后，腐蝕速率恒定；在較低流速條件下(0～1 m/s)，由于流速增大，導致靜止層水膜厚度增大，電化學腐蝕過程受物質傳遞控制，所以腐蝕速率較低；當流速增大到一定值以后(1 m/s)，靜止層水膜厚度隨流速增大反而減小，界面陰、陽極電化學反應所需物質的傳遞速率加快，因此腐蝕速率增大；當流速增大到4 m/s時，靜止層水膜厚度足夠小，致使電化學腐蝕過程受界面化學反應速率控制，因此腐蝕速率為一恒定值，與流速無關，這也與Denpo等[3]的研究結果較為一致。

2.2.3 CO2、H2S分壓的影響

圖5為CO2、H2S分壓對不同材料均勻腐蝕速率的影響。從圖中可以看出：對碳鋼和低合金鋼來說，CO2、H2S分壓并未影響到腐蝕速率極大值和極

小值出現的溫度范圍，但CO2、H2S分壓升高，會顯著促進了碳鋼和低合金鋼的陰、陽極反應過程，因此腐蝕速率增大；在高溫腐蝕條件下(高于200 ℃)，CO2、H2S分壓變化對碳鋼和低合金鋼的腐蝕速率沒有影響(兩曲線重合)。對高合金鋼和不銹鋼來說，在溫度較低的腐蝕條件下，CO2、H2S分壓增大，使高合金鋼和不銹鋼發(fā)生點蝕的傾向性增強，腐蝕速率最大值顯著向較低溫度方向移動；在高溫條件下，高合金鋼和不銹鋼腐蝕速率降低，二次鈍化電位向正方向移動[4]。

3　結論

(1) 在較低溫度下(50 ℃),4種金屬材料為O2+CO2的腐蝕，腐蝕產物為FeCO3，腐蝕產物膜保護性較差，腐蝕速率較高；在較高溫度下(150 ℃)，O2腐蝕占主導作用，腐蝕產物為Fe3O4的FeCO3，腐蝕產物膜的保護性下降，均勻腐蝕速率增大；在高溫下(250 ℃)，腐蝕機制轉為氧腐蝕控制，加之高溫堿性介質中Fe3O4水化物膜的保護性較強，腐蝕速率顯著降低。

(2) 在50 ℃及150 ℃下，N80、BG80-3Cr、P110、BG90H四種材料的均勻腐蝕速率均高于0.2 mm/a，腐蝕較嚴重,在使用過程中需采取一定的防護措施； BG90H-9Cr和BG90H-13Cr在試驗溫度范圍內具有良好的抗CO2+H2S+O2均勻及局部腐蝕能力。

(3) 在流速為1 m/s時，碳鋼和低合金鋼、高合金鋼和不銹鋼材料的均勻腐蝕速率出現最小值，當流速超過4 m/s后，腐蝕速率恒定。

[1]吳新民，邵秀麗，薛晨. pH值對碳鋼在高含硫油田水中腐蝕行為的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報，2013,33(2):159-163.

[2]范志剛，李翠楠，王燕，等. 流速對天然氣輸氣管道腐蝕的影響規(guī)律研究[J]. 鉆采工藝，2010,33(2)：88-90.

[3]DENPO K,OGAWA H. Fluid flow effects on CO2corrosion resistance of oil well materials[J]. Corrosion,1993,49(6):442-449.

[4]龍鳳樂，鄭文軍，陳長風，等. 溫度、CO2分壓、流速、pH值對X65管線鋼CO2均勻腐蝕速率的影響規(guī)律[J]. 腐蝕與防護，2005,26(7):290-286.

Corrosion Behavior of Oil Casing Materials Used Commonly in Thermal Production Well in Acid Medium

JI Ling

(Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company of Petro China, Karamay 834000, China)

The corrosion behaviors of different oil casing materials were studied in corrosion test under simulated working conditions, at the same time the data analysis was conducted with corrosion prediction software. The results show that uniform corrosion rates of N80, BG80-3Cr, P110 and BG90H at 50 ℃ and 150 ℃ were higher than 0.2 mm/a, the four materials corroded seriously. In the experimental temperature range， BG90H-9Cr and BG90H-13Cr had good resistance to uniform and localized corrosion in CO2+H2S+O2media. The effect of temperature on corrosion of oil casing steel was more complicated. With the increase of temperature, the corrosion rate rose first, and then declined at relatively high temperatures because corrosion product films generated on the surface of metal materials.

fireflood; oil casing material; corrosion behavior; influence factor

10.11973/fsyfh-201608006

2015-11-09

國家重大科技專項(2011ZX05012-002)

計 玲(1984-)，碩士，從事采油工程等方面的科研工作，13689969205，jl2008@petrochina.com.cn

TG172.8

A

1005-748X(2016)08-0635-04