隨著油氣田開發(fā)的深入，為提高油田采收率、降低采油成本，各油田在注水開發(fā)中配套實(shí)施了二氧化碳驅(qū)采油工藝。

柳北區(qū)塊是冀東油田二氧化碳驅(qū)的先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)塊，2011年下半年開始實(shí)施二氧化碳驅(qū)，該區(qū)塊油藏溫度為93～116℃，油藏壓力約為30MPa，CO2體積分?jǐn)?shù)為0.11％～99％，CO2分壓為0.001～13.29MPa。2012年至今，因腐蝕嚴(yán)重而檢泵的油井逐年增多，大部分油管甚至由于腐蝕而報(bào)廢，井下油套管存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。

本工作采用常用油套管材料和現(xiàn)場(chǎng)采出液進(jìn)行了高溫高壓腐蝕試驗(yàn)，研究了油套管鋼的腐蝕類型和腐蝕程度，以期為井下油套管的選材和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

試驗(yàn)

1.試樣與溶液

試驗(yàn)材料采用油田現(xiàn)場(chǎng)常用4種油套管鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

試驗(yàn)溶液為油井現(xiàn)場(chǎng)采出液，含水率為90％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其主要離子含量如下：

Na++K+670Mg/L，Mg2+11Mg/L，Ca2+19Mg/L，CL-488Mg/L，SO42-10Mg/L，HCO3-1035Mg/L。

將N80、P110、3Cr和5Cr鋼等4種管材沿縱向切取，制成尺寸為50mm×10mm×3mm的試樣。試驗(yàn)前，將試樣先用濾紙擦凈，然后放入盛有丙酮的器皿中，用脫脂棉除去試樣表面油脂后，再放入無(wú)水乙醇中浸泡約5min，進(jìn)一步脫脂和脫水。取出試樣放在濾紙上，用冷風(fēng)吹干后再用濾紙包好，貯于干燥器中，放置1h后再測(cè)量其尺寸和質(zhì)量，精確至0.1Mg。

2.試驗(yàn)方法

將處理后的試樣裝在聚四氟乙烯材質(zhì)的夾具上。向高溫高壓釜中加入試驗(yàn)溶液，再將試樣安裝在高壓釜中指定位置，使其完全浸沒在溶液中。密閉高溫高壓釜，采用高純氮?dú)獬?h，升溫至目標(biāo)溫度（40，60，80，90，100，110℃）。通入CO2氣體至預(yù)定壓力，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使試片線速率達(dá)到0.2m/s，腐蝕時(shí)間為168h。

試驗(yàn)結(jié)束后：部分試樣用清水沖洗掉試驗(yàn)介質(zhì)并用濾紙吸干后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）和X射線衍射（XRD）等手段對(duì)試樣表面腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物成分進(jìn)行觀察分析。

部分試樣置于酸清洗液中浸泡5min，同時(shí)用尼龍刷涮洗試片表面腐蝕產(chǎn)物，用清水沖去表面殘酸后放入無(wú)水乙醇中浸泡約5min，清洗脫水后用冷風(fēng)吹干，然后用濾紙將試片包好貯于干燥器中，放置1h后稱量并測(cè)量尺寸，用失重法計(jì)算平均腐蝕速率。

結(jié)果與討論

1.腐蝕速率計(jì)算

圖1不同溫度下，試樣在CO2分壓為8MPa的試驗(yàn)溶液中經(jīng)過(guò)168h腐蝕試驗(yàn)后的腐蝕速率由圖1可見：隨著溫度的增加，N80、P110、3Cr、5Cr等4種材料的腐蝕速率均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在中溫區(qū)，N80、P110、5Cr等3種材料在90℃時(shí)腐蝕速率達(dá)到最大，3Cr鋼在80℃時(shí)腐蝕速率最大。

2.腐蝕產(chǎn)物分析

圖2 4種試樣在80℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后，表面腐蝕產(chǎn)物膜SEM形貌

由圖2可見：經(jīng)80℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后，N80、P110試樣表面生成了致密的結(jié)晶狀FeCO3，完全覆蓋在基體表面；3Cr試樣發(fā)生明顯的臺(tái)地腐蝕，表面最外層腐蝕產(chǎn)物非常厚重，且有明顯的脫落，脫落處可發(fā)現(xiàn)不完全覆蓋基體的晶態(tài)的FeCO3，F(xiàn)eCO3下的內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物膜由于脫水出現(xiàn)了龜裂現(xiàn)象；5Cr試樣腐蝕產(chǎn)物覆蓋不均勻，且有破損，暴露出的內(nèi)層產(chǎn)物膜有龜裂現(xiàn)象。

圖3 4種試樣在90℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后的表面腐蝕產(chǎn)物膜SEM形貌

由圖3可見：4種試樣在90℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后，表面均形成了結(jié)晶狀的FeCO3，只是Fe-CO3的分布及形態(tài)有所相同。N80和P110試樣表面生成了完整、細(xì)小、致密的結(jié)晶狀腐蝕產(chǎn)物，均勻地覆蓋在基體表面，未發(fā)現(xiàn)破損脫落，此時(shí)N80、P1102種試樣的腐蝕速率相對(duì)較低；3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產(chǎn)物分布不均勻，存在空隙。

圖4 4種試樣在100℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后的表面腐蝕產(chǎn)物膜SEM形貌

由圖4可見：在100℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168h后，N80試樣腐蝕產(chǎn)物分布不均勻，裸露出基體，P110試樣腐蝕產(chǎn)物基本均勻覆蓋基體表面，3Cr、5Cr試樣腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)晶粒堆垛現(xiàn)象，晶粒大小不規(guī)則。

圖5 4種試樣在110℃試驗(yàn)溶液中腐蝕168H后的表面腐蝕產(chǎn)物膜SEM形貌

由圖5可知：110℃時(shí)，4種試樣表面腐蝕產(chǎn)物晶粒大小不規(guī)則、分布不均勻，較100℃時(shí)更加明顯，3Cr、5Cr試樣也有明顯的晶粒堆垛現(xiàn)象。

3.綜合分析

綜合圖3～5可知：隨著溫度的升高（40～80℃）腐蝕產(chǎn)物膜逐漸生成、致密，對(duì)于3Cr來(lái)說(shuō)，在80℃時(shí)外層腐蝕產(chǎn)物膜脫落最嚴(yán)重，而對(duì)于N80、P110和5Cr3種材料來(lái)說(shuō)，溫度達(dá)到90℃以上后，晶形變得越來(lái)越不規(guī)則，這主要是由于FeCO3的溶解度具有負(fù)的溫度效應(yīng)和其分解作用引起的。隨著溫度的增加，鋼鐵表面逐漸形成保護(hù)膜，并由疏松到致密，從而在一定的溫度范圍內(nèi)有一個(gè)腐蝕速率過(guò)渡區(qū)，出現(xiàn)一個(gè)腐蝕速率極大值。溫度達(dá)到110℃以上，由于保護(hù)膜的生成和加固，使腐蝕速率下降。

在本試驗(yàn)條件下，雖然在3Cr、5Cr試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜內(nèi)出現(xiàn)了Cr富集，一定程度上提高了腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性，但是與碳鋼相比，3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋不均勻、疏松，含Cr的腐蝕產(chǎn)物膜與基體結(jié)合力弱、附著性不強(qiáng)，易脫落，因此整體上呈現(xiàn)較高的腐蝕速率。

在低溫（40℃、60℃時(shí)）條件下，3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜完整，未脫落，腐蝕速率較低，與已有的研究結(jié)果一致，低Cr鋼具有良好的抗CO2均勻腐蝕及局部腐蝕性能，但目前低Cr鋼使用溫度有待進(jìn)一步提高。

結(jié)論

（1）隨著溫度的增加，N80、P110、3Cr、5Cr等4種材料的腐蝕速率均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在中溫區(qū)，N80、P110、5Cr等3種材料在90℃時(shí)腐蝕速率達(dá)到最大，3Cr鋼在80℃時(shí)腐蝕速率最大。

（2）在試驗(yàn)條件下，4種鋼材腐蝕類型主要為均勻腐蝕，未發(fā)現(xiàn)局部腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe-CO3，含Cr鋼腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，主要成分除了FeCO3，還有非晶態(tài)Cr（OH）3。N80、P110腐蝕產(chǎn)物為結(jié)晶狀的FeCO3，細(xì)小致密，均勻地覆蓋在基體表面，腐蝕速率較低，3Cr、5Cr鋼的腐蝕產(chǎn)物覆蓋不均勻、與基體結(jié)合力弱、附著性不強(qiáng)，易脫落，造成整體腐蝕速率較高。

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