三種防腐蝕抽油桿在CO2驅(qū)采條件下的腐蝕評(píng)價(jià)與優(yōu)選

喬 琦,管英柱,王長(zhǎng)權(quán),劉文博

(長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，武漢 430100)

CO2是一種有效的驅(qū)油劑，CO2驅(qū)采油技術(shù)已成為近年來(lái)油田提高采收率的主要技術(shù)之一[1-2]。但是，在CO2注入過(guò)程和CO2突破后在生產(chǎn)井產(chǎn)出的過(guò)程中，CO2會(huì)與水接觸形成弱酸，易對(duì)注入井和生產(chǎn)井的井筒管柱及井下附件工具造成較嚴(yán)重的腐蝕，從而影響油田的正常生產(chǎn)，也會(huì)造成安全隱患[3]。

將塑料或耐腐蝕金屬包覆或電鍍?cè)诔橛蜅U表面制成防腐蝕抽油桿，可以減緩腐蝕。目前，市面上常用的防腐蝕抽油桿有鍍鉻或鎢型防腐蝕抽油桿、合金鋼防腐蝕抽油桿、包覆型防腐蝕抽油桿[4]，而關(guān)于這些防腐蝕抽油桿的腐蝕評(píng)價(jià)與優(yōu)選研究較少，故本工作選取鍍鎢型、KH型合金鋼和聚乙烯包覆型三種具有代表性的防腐蝕抽油桿，以X區(qū)塊為背景，通過(guò)室內(nèi)動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)等模擬三種材料在CO2腐蝕條件下的耐腐蝕性能和力學(xué)性能。在多組試驗(yàn)條件下得到三種材料在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和腐蝕前后抽油桿強(qiáng)度的變化，以期篩選出耐磨、耐蝕的抽油桿。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)材料采用KH型、聚乙烯包覆層和鍍鎢鋼型防腐蝕抽油桿，其表面化學(xué)成分見(jiàn)表1。KH型抽油桿采用鎳鉻系合金鋼制成，該材料通過(guò)降低含碳量和加入少量鎳鉻耐腐蝕元素，達(dá)到防腐蝕效果；聚乙烯包覆型抽油桿桿體采用常規(guī)鋼材，桿體表面防腐蝕層采用高分子聚乙烯，包覆厚度為1.96～2.00 mm，該材料具有較強(qiáng)的耐蝕性和耐磨性，可以提高抽油桿的使用壽命；鍍鎢型抽油桿是表面電鍍耐蝕且高硬度金屬元素的抽油桿，鍍層厚度為176～248 μm，該鍍層具有抗高溫氧化性好、耐磨耐蝕性佳及與桿體結(jié)合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文中試樣為采用三種防腐蝕抽油桿制得試樣。

表1 抽油桿表面的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the surface of sucker rods %

動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)用試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm；力學(xué)試驗(yàn)用試樣依照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將三種防腐蝕抽油桿材料加工成長(zhǎng)小于等于270 mm，直徑25 mm，基面偏差小于2.5%的不同標(biāo)準(zhǔn)比例試件[5]。

1.2 試驗(yàn)

利用高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕結(jié)垢評(píng)價(jià)儀，模擬了CO2驅(qū)采出井的腐蝕環(huán)境，考察了CO2含量對(duì)三種抽油桿腐蝕速率的影響。CO2含量指在常溫常壓下注入CO2的體積占整個(gè)油水體系的體積百分?jǐn)?shù)，本工作中CO2含量為20%、50%、80%。

室內(nèi)動(dòng)態(tài)腐蝕模擬試驗(yàn)的流程如圖1所示。X區(qū)塊地層溫度為60 ℃，地層壓力為19 MPa，故設(shè)定試驗(yàn)溫度為60 ℃、試驗(yàn)壓力為19 MPa，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間為72 h。X區(qū)塊采出液為含CO2的高礦化度(70 611.36 mg/L)油水混合液，試驗(yàn)溶液為油田采出水與凝析油的混合液，為研究礦化度對(duì)三種抽油桿腐蝕速率的影響，將礦化度為0的溶液記為溶液1，礦化度為70 000 mg/L的溶液記為溶液2。

圖1 動(dòng)態(tài)腐蝕模擬試驗(yàn)的流程圖Fig. 1 Flow chart of dynamic corrosion simulation test

試驗(yàn)結(jié)束后，取出掛片，用石油醚、自制酸液、無(wú)水乙醇清洗后吹干[6-7]，腐蝕速率rc的計(jì)算方法參照SY/T 5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》，使用精度為0.1 mg的電子天平稱(chēng)量[8-10]，按式(1)計(jì)算腐蝕速率：

(1)

式中：rc為均勻腐蝕速率，mm/a；m和m1分別為試驗(yàn)前后試片的質(zhì)量，g；S為試片的總面積，cm2；ρ為試片的密度，g/cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，h[11]。

1.3 力學(xué)試驗(yàn)

為模擬試樣在真實(shí)井下環(huán)境中的受力情況，在力學(xué)性能測(cè)試前，將試樣浸泡在含有CO2原油(含水50%、礦化度70 000 mg/L、壓力19 MPa)中1個(gè)月，與未浸泡試樣的拉伸測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試包括：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率。拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)儀上完成。

將拉伸試樣置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心，調(diào)整好軸向位移傳感器；采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?，根?jù)具體情況設(shè)定拉伸破壞上限值，以某一恒定速率施加軸向荷載或者卸載，直至試樣破壞或達(dá)到拉伸破壞限值為止。將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾頭中，然后開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)，緩慢增加拉力，直至試樣拉斷[12]。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄；設(shè)備歸位，存放好試樣[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖2可見(jiàn)：隨著CO2含量和礦化度的增加，KH型抽油桿在2種溶液中的動(dòng)態(tài)腐蝕速率均增大，且在含80% CO2、70 000 mg/L礦化度試驗(yàn)溶液(溶液2)中的腐蝕速率最大，為1.678 mm/a，該試樣在不同條件下的腐蝕速率均超過(guò)0.076 mm/a，屬于嚴(yán)重腐蝕，說(shuō)明該試樣不耐CO2腐蝕。鍍鎢型抽油桿在溶液1(礦化度為0)中的腐蝕速率隨著CO2量的增加而增大；在溶液2(礦化度為70 000 mg/L)中的腐蝕速率隨著CO2量的增加逐漸減小，且鍍鎢型抽油桿材料的最大腐蝕速率僅為0.052 mm/a，耐CO2腐蝕。

(a) KH型抽油桿 (b) 鍍鎢型抽油桿 (c) 聚乙烯包覆型抽油桿圖2 三種抽油桿材料在含不同量CO2的試驗(yàn)溶液中的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rates of three sucker rod materials in test solutions containing different amounts of CO2:(a) KH sucker rod; (b) tungsten-plated sucker rod; (c) polyethyene-coated sucker rod

由圖2還可見(jiàn)：在不同試驗(yàn)條件下，聚乙烯包覆型抽油桿試樣的動(dòng)態(tài)腐蝕速率均為負(fù)值，說(shuō)明該試樣在不同條件下均未發(fā)生腐蝕。試驗(yàn)后掛片質(zhì)量增加的主要原因有兩個(gè)：一是試驗(yàn)過(guò)程中可能有部分流體進(jìn)入聚乙烯包覆層與抽油桿桿體的空隙中導(dǎo)致其質(zhì)量增加;二是試驗(yàn)過(guò)程中,在高溫高鹽等條件下聚乙烯材料性質(zhì)發(fā)生變化所致。因此單純從耐腐蝕性能方面分析，該材料可作為CO2驅(qū)產(chǎn)出井的防腐蝕抽油桿備選材料。

2.2 腐蝕形貌

由圖3可見(jiàn)：在含80% CO2的試驗(yàn)溶液中腐蝕后，KH型和鍍鎢型2種抽油桿材料腐蝕最嚴(yán)重，而聚乙烯包覆抽油桿沒(méi)有腐蝕發(fā)生。由圖3還可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)后，鍍鎢型抽油桿表面呈2種變化趨勢(shì)，一種是有明顯的油跡或油漬，此時(shí)掛片表面變暗或有斑點(diǎn)出現(xiàn)，另一種是掛片變紅且顏色明亮?？傮w上看，鍍鎢型抽油桿料的耐蝕性較好，沒(méi)有出現(xiàn)大量的腐蝕產(chǎn)物或坑蝕；而KH型抽油桿經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后，掛片表面暗淡，并有明顯銹蝕，其腐蝕產(chǎn)物膜相對(duì)均勻，部分掛片出現(xiàn)斑蝕，有不均勻腐蝕現(xiàn)象；聚乙烯包覆抽油桿經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的表面顏色發(fā)生了變化，清洗后有少數(shù)結(jié)垢物和黏滯原油，有變黃的趨勢(shì)，未發(fā)現(xiàn)腐蝕點(diǎn)。

(a) 溶液1

(a) 溶液1圖3 3種抽油桿材料在含80% CO2試驗(yàn)溶液中浸泡后的表面宏觀形貌Fig. 3 Surface morphology of three sucker rod materials after soaking in test solution containing 80% CO2

圖4所示為力學(xué)試驗(yàn)用聚乙烯包覆型抽油桿試樣經(jīng)原油(含80% CO2)腐蝕1個(gè)月前后的表面形貌。由圖4可見(jiàn)：拉伸試驗(yàn)用試件的兩頭采用聚乙烯包覆，試件中間為包覆聚乙烯的抽油桿桿體，桿體材料為碳鋼，其耐蝕性較差。經(jīng)過(guò)原油腐蝕后，桿體顏色暗淡沒(méi)有光澤，有明顯的腐蝕現(xiàn)象。

2.3 力學(xué)性能

由圖5可見(jiàn)：對(duì)于未浸泡試樣，鍍鎢抽油桿試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，斷口有明顯頸縮現(xiàn)象(圖略)，表現(xiàn)出韌性斷裂；聚乙烯包覆抽油桿的抗拉強(qiáng)度與KH抽油桿試件的接近，屈服強(qiáng)度低于鍍鎢抽油桿試件的。KH抽油桿試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略低于鍍鎢型抽油桿試件的，且測(cè)試過(guò)程中KH抽油桿試件出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象并且發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，但未發(fā)生斷裂，表明其彈性較大。

(a) 腐蝕前

(b) 腐蝕后圖4 聚乙烯包覆型抽油桿試驗(yàn)經(jīng)原油腐蝕前后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of polyethylene coated sucker rod test before (a) and after (b) crude oil corrosion

(a) 鍍鎢型抽油桿 (b) 聚乙烯包覆型抽油桿 (c) KH型抽油桿圖5 三種試樣在含80% CO2原油中浸泡前后的力學(xué)性能Fig. 5 Mechanical properties of three samples before and after soaking in 80% CO2 crude oil:(a) tungsten-plated sucker rod; (b) polyethyene-coated sucker rod; (c) KH sucker rod

浸泡后，試件的力學(xué)性能下降，這是由于試件在高濃度CO2和高礦化度介質(zhì)中浸泡后，試件基體鋼與氫接觸發(fā)生氫脆[14]，導(dǎo)致浸泡后試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率等下降。

3 防腐蝕抽油桿材料的優(yōu)選

動(dòng)態(tài)循環(huán)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：KH型抽油桿試件在試驗(yàn)環(huán)境中發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，且腐蝕速率較高，耐CO2腐蝕性能很差，因此該材料若要應(yīng)用于CO2驅(qū)采出井中，需在使用前采取防護(hù)措施。鍍鎢型和聚乙烯包覆型抽油桿試件在試驗(yàn)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)腐蝕速率能滿(mǎn)足要求。其中，鍍鎢型抽油桿試件具有良好的機(jī)械性能，同時(shí)又具有耐磨、耐蝕性和抗高溫氧化性，與基體結(jié)合能力較強(qiáng)[15]，這些優(yōu)點(diǎn)延長(zhǎng)了抽油桿的使用壽命，一般工況下推薦使用該材料。聚乙烯包覆型抽油桿試件具有較強(qiáng)的防腐蝕性能，并且價(jià)格較鍍鎢型的便宜，但目前存在如下問(wèn)題：聚乙烯包覆層的耐熱溫度均小于150 ℃，若服役溫度為150 ℃，包覆層會(huì)快速老化，且由于黏附力不足使包覆層產(chǎn)生脫離并污染油井，脫離所產(chǎn)生的碎片易堵塞抽油泵，包覆材料雖然能隔絕井液和基體抽油桿，但是易破損從而失去防腐蝕效果。

綜上所述，防腐蝕抽油桿采用鍍鎢型較為合適。雖然聚乙烯包覆型抽油桿的耐蝕性很好，但因在高溫條件下會(huì)產(chǎn)生脫落，高溫工況下不推薦選用。KH型抽油桿的耐CO2腐蝕性能很差，一般不推薦使用。

4 結(jié)論

(1) KH型、聚乙烯包覆型和鍍鎢型抽油桿在CO2驅(qū)油田采出井條件下的耐蝕性由大到小依次為：聚乙烯包覆型>鍍鎢型>KH型。其中KH型抽油桿腐蝕嚴(yán)重，鍍鎢型抽油桿受到輕微CO2腐蝕，聚乙烯包覆型抽油桿在CO2驅(qū)采出井環(huán)境中沒(méi)有腐蝕發(fā)生。

(2) 三種抽油桿在含CO2原油中浸泡后，KH型的力學(xué)性能較未浸泡的大幅下降，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別下降6.2%和14.4%，聚乙烯包覆型抽油桿的力學(xué)強(qiáng)度降低較小，說(shuō)明浸泡對(duì)該材料的強(qiáng)度影響不大。

(3) 鍍鎢型抽油桿可用作CO2驅(qū)采出井井下防腐蝕抽油桿。聚乙烯包覆型抽油桿不建議在高溫地層條件下服役。