新型相變壓裂液對鋼材的腐蝕行為研究

劉義剛，趙立強，劉長龍，朱艷華，徐 昆

(1 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2 油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室，西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

水力壓裂技術(shù)作為一種重要的低滲透油藏增產(chǎn)技術(shù)，在國內(nèi)外油田得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)的壓裂技術(shù)是通過壓裂打開儲層，而壓裂液中含有固體支撐劑進入儲層形成“砂壩”支撐裂縫[4-6]。本課題組開發(fā)了一種新型的溫度誘導(dǎo)自轉(zhuǎn)變壓裂液——相變壓裂液[7-9]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種擺脫攜砂概念的自支撐壓裂技術(shù)[10]。

在室溫條件下，該壓裂液具有良好的注入能力，在不添加其他材料的情況下，可轉(zhuǎn)化為具有地層加熱功能的凝膠。裂縫會被有效地堵塞，隨后液體會自動分流，從而產(chǎn)生新的裂縫。在注射過程中，不再是只注射一種液體，而是同時注射兩種液體。支撐劑的流動行為由兩相之間的流動控制，以獲得不連續(xù)和非均勻的支撐劑分布。因此，將有限滲流轉(zhuǎn)化為無限滲流，大大提高了油氣產(chǎn)量。

在前期工作中，對新型相變壓裂液配方體系的相容性、穩(wěn)定性、濾失性、摩阻力、損傷性能和表面張力進行了研究和評價。結(jié)果表明，該相變壓裂液能夠滿足施工要求，是一種可以替代固體支撐劑的液體支撐劑。然而，眾所周知，油氣田增產(chǎn)改造施工中使用的液體在儲運、泵送等過程中不可避免地會與鋼設(shè)備發(fā)生接觸，因此研究液體對鋼的腐蝕性能十分重要。本論文通過靜態(tài)腐蝕試驗和電化學(xué)測試研究了壓裂液對不同鋼的腐蝕作用，研究結(jié)果將為相變壓裂液的存儲、運輸、泵送和其它設(shè)備材料的提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材 料

由中國成都科龍化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的無水乙醇(≥99.75%)和丙酮(≥99.5%)，本課題組在實驗室制備的由油相和水相組成的新型變相壓裂液。全浸實驗所用試樣為尺寸為50 mm×10 mm×3 mm的13Cr不銹鋼、N80鋼和P110鋼試樣，表面預(yù)處理分別用400、600、800、1000、1200粒度砂紙打磨，再用雙蒸餾水洗滌，最后用丙酮脫脂，室溫干燥，鋼試樣的化學(xué)成分(wt%)見表1。試驗溶液為新型相變壓裂液，所有實驗均在未攪拌的溶液中進行。

表1 不同鋼的化學(xué)成分

1.2 設(shè) 備

DZKW-4恒溫水浴(±0.1 ℃)，中興微業(yè)；FA2204電子分析天平(±0.1 mg)，上海安亭；CHI600電化學(xué)工作站，上海晨華儀表有限公司；掃描電鏡(SEM)，Apreo S。

1.3 實驗方法

1.3.1 失重法

鋼試樣經(jīng)丙酮和乙醇清洗后，在干燥器中干燥，精確稱量。通過在不同溫度下將鋼試樣完全浸入壓裂液，測試溫度采用恒溫水浴控制。經(jīng)過4 h的全浸實驗后將試樣取出，用蒸餾水、丙酮和無水乙醇清洗，在干燥器中干燥并重新稱重。用下式計算腐蝕速率[11]：

(1)

式中，CRi為鋼試樣的腐蝕速率，g·m-2·h-1；Ai為鋼試樣的表面積，mm2；Δt為腐蝕反應(yīng)的時間，h；Δmi為鋼試樣的失重，g。

1.3.2 電化學(xué)法

極化曲線和電化學(xué)阻抗譜是研究鋼在壓裂液中腐蝕行為的兩種電化學(xué)技術(shù)。所有的電化學(xué)實驗都是在一個有三個電極連接到電化學(xué)工作站的電化學(xué)電池中進行的。其中以標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極，工作電極為鋼(10 mm×10 mm)。所有的電化學(xué)實驗都是在達到穩(wěn)定的開路電位后進行的。在掃描速率為0.1 mV·s-1的情況下，通過自動改變電極電位從相對于Eoc的-250到+250 mV進行掃描，得到電位動態(tài)極化曲線[12]。

電化學(xué)阻抗譜的測量采用開路電位(Eoc)頻率范圍為105Hz到10-2Hz的5 mV幅值的交流信號。

1.3.3 表面形貌分析

用掃描電鏡觀察在新型壓裂液水相和油相中經(jīng)過全浸試驗以后鋼試樣表面的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

相變壓裂液由油相和水相組成，分別儲存。在現(xiàn)場施工時，兩相混合均勻，以液態(tài)注入地層。隨著注入過程的進行，混合液體在地層中由液相向固相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時間隨地層溫度的變化而變化。研究相變壓裂液對鋼的腐蝕行為對儲層設(shè)備的選擇具有重要意義。本文研究了油相和水相對不同鋼的腐蝕行為。

2.1 鋼試樣在壓裂液油相中的腐蝕速率

13Cr不銹鋼、N80鋼和P110鋼在333～363 K不同溫度下壓裂液油相中的腐蝕速率如圖1所示。在研究溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，腐蝕速率逐漸增大。即使在363 K時，鋼試樣的腐蝕速率仍然小于0.1 g/(m2·h)。

圖1 不同溫度下不同鋼試樣在壓裂液油相中的腐蝕速率

2.2 鋼試樣在壓裂液水相中的腐蝕速率

13Cr不銹鋼、N80鋼和P110鋼在333～363 K不同溫度下壓裂液水相中腐蝕速率如圖2所示。在研究溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，腐蝕速率逐漸增大。鋼試樣在水相中的腐蝕速率比在油相中的腐蝕速率更高，這是由于溶解離子在水相中的擴散速率要比在油相中的擴散速率大得多。

圖2 不同溫度下不同鋼在壓裂液水相中的腐蝕速率

2.3 鋼在水相的電化學(xué)行為

由于缺乏活性離子的情況下，鋼試樣在油相中的電化學(xué)行為不能確定。因此，本文只研究鋼試樣在水相中的電化學(xué)行為。

2.3.1 不同鋼試樣的開路電位

不同鋼試樣在333 K壓裂液水相中的開路電位如圖3所示。

圖3 不同鋼在333 K壓裂液水相中的開路電位

從圖3可以看出，三種鋼在壓裂水相中的開路電位非常接近。實驗開始時，鋼試樣的開路電位振蕩幅度為10～15 mV，13Cr不銹鋼、N80鋼和P110鋼的振蕩中心分別在-420 mV、-412 mV和-416 mV左右。三種鋼在壓裂液水相中需要240 s左右才能達到穩(wěn)態(tài)，所以工作電極在每次電化學(xué)測量前至少要浸泡5 min。

2.3.2 不同鋼試樣的極化曲線

圖4 不同鋼在333 K壓裂液水相中的極化曲線

不同鋼試樣在333 K壓裂液水相中的極化曲線如圖4所示，由圖4所得的不同鋼試樣在壓裂液水相中的極化參數(shù)如表2所示。

表2 不同鋼在333 K壓裂液水相中的極化參數(shù)

鋼試樣在333 K壓裂液水相中的腐蝕電流密度很小，說明鋼的腐蝕速率較慢。壓裂液水相為中性溶液，溶液中不存在大量的腐蝕性離子，只有一定量的氫離子和氫氧根離子，因此，該溶液中鋼的腐蝕規(guī)律與水相似。

2.3.3 不同鋼試樣的電化學(xué)交流阻抗

不同鋼試樣在333 K壓裂液水相中的阻抗光譜和波特曲線如圖5和圖6所示。當(dāng)腐蝕體系達到平衡時，13Cr不銹鋼、N80鋼和P110鋼的電化學(xué)行為是相同的，因此可以得出結(jié)論，這三種鋼的腐蝕機理是相同的[13-14]。

圖5 不同鋼在333 K壓裂液水相中的Nyquist曲線

圖6 不同鋼在333 K壓裂液水相中的Bode曲線

值得注意的是，圖5所示的所有阻抗譜都在研究的頻率范圍內(nèi)顯示了一個單一的電容半圓，這表明溶解過程與電荷轉(zhuǎn)移過程有關(guān)[15]。這些阻抗環(huán)并不是完全的半圓形，稱為頻散效應(yīng)，是由金屬電極表面的粗糙度和非均勻性造成的。三種鋼試樣在壓裂液水相中的波特曲線表明，在中頻范圍內(nèi)只能觀測到一個相位峰，這說明只有一個時間常數(shù)[16]。

表3 不同鋼試樣在333 K壓裂液水相中的EIS參數(shù)

2.4 鋼試樣表面的腐蝕形態(tài)

通過掃描電子顯微鏡觀察在壓裂液油相和水相中經(jīng)過全浸以后的鋼試樣表面腐蝕形態(tài)，如圖7和圖8所示。

圖7 不同鋼試樣在333 K壓裂液油相浸泡4 h后表面的掃描電鏡圖

圖8 不同鋼試樣在333 K壓裂液水相浸泡4 h后表面的掃描電鏡圖

觀察試樣表面的掃描電鏡圖可知，在壓裂液油相中經(jīng)過全浸實驗以后，三種鋼的表面都無明顯的腐蝕，且能看到試樣在加工過程中造成的劃痕。在壓裂液水相中經(jīng)過全浸實驗以后，試樣表面因加工造成的劃痕依然可見，但試樣表面粗糙度增加，說明水相對鋼試樣表面有輕微的腐蝕作用。

3 結(jié) 論

(1)新型相變壓裂液油相在工作溫度范圍內(nèi)對不同鋼試樣的腐蝕作用都很??；

(2)新型相變壓裂液水相對不同鋼的腐蝕作用比油相的腐蝕作用更嚴重；

(3)鋼在壓裂液水相中的腐蝕為氧還原腐蝕，其腐蝕規(guī)律與中性水相似；

(4)鋼在水相中電化學(xué)腐蝕的主要原因是水相中溶解氧的存在。