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油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

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基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

随着油气田开发的深入,为提高油田采收率、降低采油成本,各油田在注水开发中配套实施了二氧化碳驱采油工艺。

柳北区块是冀东油田二氧化碳驱的先导试验区块,2011年下半年开始实施二氧化碳驱,该区块油藏温度为93~116℃,油藏压力约为30MPa,CO2体积分数为0.11%~99%,CO2分压为0.001~13.29MPa。2012年至今,因腐蚀严重而检泵的油井逐年增多,大部分油管甚至由于腐蚀而报废,井下油套管存在严重的腐蚀问题。

本工作采用常用油套管材料和现场采出液进行了高温高压腐蚀试验,研究了油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度,以期为井下油套管的选材和设计提供依据。

试验

1.试样与溶液

试验材料采用油田现场常用4种油套管钢,其化学成分见表1。


表1试验材料的化学成分

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

试验溶液为油井现场采出液,含水率为90%(质量分数,下同),其主要离子含量如下:

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

将N80、P110、3Cr和5Cr钢等4种管材沿纵向切取,制成尺寸为50mm×10mm×3mm的试样。试验前,将试样先用滤纸擦净,然后放入盛有丙酮的器皿中,用脱脂棉除去试样表面油脂后,再放入无水乙醇中浸泡约5min,进一步脱脂和脱水。取出试样放在滤纸上,用冷风吹干后再用滤纸包好,贮于干燥器中,放置1h后再测量其尺寸和质量,精确至0.1Mg。

2.试验方法

将处理后的试样装在聚四氟乙烯材质的夹具上。向高温高压釜中加入试验溶液,再将试样安装在高压釜中指定位置,使其完全浸没在溶液中。密闭高温高压釜,采用高纯氮气除氧2h,升温至目标温度(40,60,80,90,100,110℃)。通入CO2气体至预定压力,调节转速使试片线速率达到0.2m/s,腐蚀时间为168h。

试验结束后:部分试样用清水冲洗掉试验介质并用滤纸吸干后,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段对试样表面腐蚀形貌及腐蚀产物成分进行观察分析。

部分试样置于酸清洗液中浸泡5min,同时用尼龙刷涮洗试片表面腐蚀产物,用清水冲去表面残酸后放入无水乙醇中浸泡约5min,清洗脱水后用冷风吹干,然后用滤纸将试片包好贮于干燥器中,放置1h后称量并测量尺寸,用失重法计算平均腐蚀速率。

结果与讨论

1.腐蚀速率计算

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

图1不同温度下,试样在CO2分压为8MPa的试验溶液中经过168h腐蚀试验后的腐蚀速率由图1可见:随着温度的增加,N80、P110、3Cr、5Cr等4种材料的腐蚀速率均呈现出先增加后减小的趋势,最大值出现在中温区,N80、P110、5Cr等3种材料在90℃时腐蚀速率达到最大,3Cr钢在80℃时腐蚀速率最大。

2.腐蚀产物分析

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

图2 4种试样在80℃试验溶液中腐蚀168h后,表面腐蚀产物膜SEM形貌

由图2可见:经80℃试验溶液中腐蚀168h后,N80、P110试样表面生成了致密的结晶状FeCO3,完全覆盖在基体表面;3Cr试样发生明显的台地腐蚀,表面最外层腐蚀产物非常厚重,且有明显的脱落,脱落处可发现不完全覆盖基体的晶态的FeCO3,FeCO3下的内层腐蚀产物膜由于脱水出现了龟裂现象;5Cr试样腐蚀产物覆盖不均匀,且有破损,暴露出的内层产物膜有龟裂现象。

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

图3 4种试样在90℃试验溶液中腐蚀168h后的表面腐蚀产物膜SEM形貌

由图3可见:4种试样在90℃试验溶液中腐蚀168h后,表面均形成了结晶状的FeCO3,只是Fe-CO3的分布及形态有所相同。N80和P110试样表面生成了完整、细小、致密的结晶状腐蚀产物,均匀地覆盖在基体表面,未发现破损脱落,此时N80、P1102种试样的腐蚀速率相对较低;3Cr、5Cr试样表面腐蚀产物分布不均匀,存在空隙。

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

图4 4种试样在100℃试验溶液中腐蚀168h后的表面腐蚀产物膜SEM形貌

由图4可见:在100℃试验溶液中腐蚀168h后,N80试样腐蚀产物分布不均匀,裸露出基体,P110试样腐蚀产物基本均匀覆盖基体表面,3Cr、5Cr试样腐蚀产物出现晶粒堆垛现象,晶粒大小不规则。

基于高温高压腐蚀试验研究油套管钢的腐蚀类型和腐蚀程度

图5 4种试样在110℃试验溶液中腐蚀168H后的表面腐蚀产物膜SEM形貌

由图5可知:110℃时,4种试样表面腐蚀产物晶粒大小不规则、分布不均匀,较100℃时更加明显,3Cr、5Cr试样也有明显的晶粒堆垛现象。


3.综合分析

综合图3~5可知:随着温度的升高(40~80℃)腐蚀产物膜逐渐生成、致密,对于3Cr来说,在80℃时外层腐蚀产物膜脱落最严重,而对于N80、P110和5Cr3种材料来说,温度达到90℃以上后,晶形变得越来越不规则,这主要是由于FeCO3的溶解度具有负的温度效应和其分解作用引起的。随着温度的增加,钢铁表面逐渐形成保护膜,并由疏松到致密,从而在一定的温度范围内有一个腐蚀速率过渡区,出现一个腐蚀速率极大值。温度达到110℃以上,由于保护膜的生成和加固,使腐蚀速率下降。

在本试验条件下,虽然在3Cr、5Cr试样表面的腐蚀产物膜内出现了Cr富集,一定程度上提高了腐蚀产物膜的稳定性,但是与碳钢相比,3Cr、5Cr试样表面腐蚀产物覆盖不均匀、疏松,含Cr的腐蚀产物膜与基体结合力弱、附着性不强,易脱落,因此整体上呈现较高的腐蚀速率。

在低温(40℃、60℃时)条件下,3Cr、5Cr试样表面腐蚀产物膜完整,未脱落,腐蚀速率较低,与已有的研究结果一致,低Cr钢具有良好的抗CO2均匀腐蚀及局部腐蚀性能,但目前低Cr钢使用温度有待进一步提高。

结论

(1)随着温度的增加,N80、P110、3Cr、5Cr等4种材料的腐蚀速率均呈现出先增加后减小的趋势,最大值出现在中温区,N80、P110、5Cr等3种材料在90℃时腐蚀速率达到最大,3Cr钢在80℃时腐蚀速率最大。

(2)在试验条件下,4种钢材腐蚀类型主要为均匀腐蚀,未发现局部腐蚀,腐蚀产物主要为Fe-CO3,含Cr钢腐蚀产物出现多层结构,主要成分除了FeCO3,还有非晶态Cr(OH)3。N80、P110腐蚀产物为结晶状的FeCO3,细小致密,均匀地覆盖在基体表面,腐蚀速率较低,3Cr、5Cr钢的腐蚀产物覆盖不均匀、与基体结合力弱、附着性不强,易脱落,造成整体腐蚀速率较高。

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!


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