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
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
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
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。
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。
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。
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。
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