隨著油田開發(fā)進入中后期,注水、注氣、氣舉等增產(chǎn)措施的應(yīng)用越來越廣泛。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),近年來天然氣中普遍含氧,尤其是應(yīng)用氮氣氣舉、注氣、注水、機械清蠟等作用的井,氧氣體積分數(shù)超過0.5%。水中的溶解氧將作為陰極去極化劑,影響金屬的腐蝕進程,目前溶解氧已誘發(fā)多起油套管[1-4]、井口裝置[5]、井下工具[6]、管道[7-10]的腐蝕失效,嚴重威脅油田注入井筒金屬材料的服役安全。因此,金屬材料在含氧環(huán)境中的腐蝕已成為油田面臨的普遍問題。
與工業(yè)鍋爐水中的氧腐蝕不同,油田注入井況（如注氣、注水、空氣泡沫驅(qū)等）的腐蝕問題更加復雜,注入的含氧介質(zhì)將與生產(chǎn)油氣中的二氧化碳、高礦化度地層水等產(chǎn)生耦合作用,顯著改變金屬的腐蝕行為。不僅如此,注入?yún)?shù)如注入方式[11]、氧含量[12-13]、井筒溫度[14]、地層水礦化度[15]、采出流體流速[16]等也會對金屬腐蝕造成顯著影響。目前,在油田注入井況中,氧與其他油氣井腐蝕介質(zhì)（如CO2、H2S、有機酸等）的耦合作用仍不清楚。
筆者模擬西部某油田注入井工況（O2-CO2共存環(huán)境）,研究了兩種油管鋼（P110鋼和3Cr鋼）在不同溫度模擬環(huán)境中的腐蝕行為,通過均勻腐蝕和點蝕試驗以及腐蝕產(chǎn)物膜的表征,探討了其在高溫高壓O2-CO2共存環(huán)境中的腐蝕機理,以期為油田注入井工況中管道的選材和防護設(shè)計提供指導。
1. 試驗
試驗材料為P110油管鋼和3Cr油管鋼,化學成分如表1所示。P110鋼的顯微組織為回火索氏體+上貝氏體,晶粒度為8.0級,非金屬夾雜物為A薄0.5、B薄0.5、D薄0.5。3Cr鋼的顯微組織為粒狀貝氏體,晶粒度為8.0級,非金屬夾雜物為A薄0.5、B薄0.5、D薄0.5。
| 油管鋼 | 質(zhì)量分數(shù)/% | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | P | S | Fe | |
| P110 | 0.25 | 0.20 | 1.28 | 0.27 | 0.061 | 0.14 | 0.012 0 | 0.007 0 | 余量 |
| 3Cr | 0.15 | 0.27 | 0.56 | 3.03 | 0.044 | 0.30 | 0.008 2 | 0.001 1 | 余量 |
依據(jù)JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》,在高溫高壓釜中模擬油田注入井況開展腐蝕試驗。試驗時,將尺寸為50 mm×10 mm×3 mm的板狀試樣浸泡在盛有模擬試驗溶液的高溫高壓釜中,按照工況條件要求,控制試驗溫度、總壓、O2分壓、CO2分壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。試驗溶液根據(jù)西部某油田地層水的離子組成（見表2）,采用分析純級化學試劑、去離子水配制而成。
| 離子 |
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Cl- |
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Ca2+ | Mg2+ | K+ | Na+ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 質(zhì)量深度/（mg·L-1） | 189 | 128 000 | 430 | 8 310 | 561 | 6 620 | 76 500 |
根據(jù)西部某油井生產(chǎn)工況,氧含量最高為0.5%（摩爾分數(shù),下同）,平均二氧化碳含量為3.0%,井底最高溫度為150 ℃?？紤]到管柱沿井深存在溫度梯度,試驗溫度設(shè)為90,120,150 ℃。試驗總壓為10 MPa,O2分壓為0.05 MPa、CO2分壓為0.3 MPa。根據(jù)井筒壁面剪切力計算出旋轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速為71 r/min,試驗周期為168 h。為保證試驗的可重復性,每組試驗使用5件平行試樣,其中3件試樣用于計算腐蝕質(zhì)量損失,另外2件試樣用于分析腐蝕產(chǎn)物成分。
試驗結(jié)束后,依據(jù)GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》,將試樣（用于腐蝕速率測試）置于超聲波清洗器中,依次用去離子水、無水乙醇清洗,再使用化學去膜液清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物,最后用去離子水、無水乙醇清洗,冷風吹干。試驗前采用游標卡尺測量試樣的尺寸,采用精度為0.1 mg的電子天平秤量試樣的質(zhì)量,試驗后再采用電子天平秤量去膜后試樣的質(zhì)量。按照式（1）計算均勻腐蝕速率。采用超景深光學顯微鏡觀察去膜后試樣表面3D形貌,按照式（2）計算最大點蝕速率。
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(1) |
式中：vC為均勻腐蝕速率,mm/a；ΔW為腐蝕前后試樣的質(zhì)量差,g；S為試樣的腐蝕面積,cm3；ρ為試樣的密度,g/cm3；t為試驗時間,h。
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(2) |
式中：vP為最大點蝕速率,mm/a；dmax為最大點蝕深度,mm。
使用去離子水、無水乙醇沖洗試樣,再冷風吹干。采用掃描電子顯微鏡觀察未去膜試樣表面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌,并利用附帶的能譜儀分析腐蝕產(chǎn)物的化學組成。為進一步明確腐蝕產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),利用環(huán)氧樹脂鑲嵌未去膜試樣,隨后按照金相制樣方法逐級打磨拋光試樣,采用掃描電子顯微鏡觀察試樣表面腐蝕產(chǎn)物的截面形貌,利用能譜儀面掃描分析腐蝕產(chǎn)物中的元素分布。利用X射線衍射儀確定腐蝕產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)。
2. 結(jié)果與討論
2.1 腐蝕速率
由圖1可見：隨著試驗溫度（T）從90 ℃升高至150 ℃,兩種鋼的均勻腐蝕速率均逐漸增大,P110鋼的增幅為79.7%,3Cr鋼的增幅為31.2%,可見在O2+CO2+地層水環(huán)境中,P110鋼的腐蝕行為與溫度密切相關(guān),當試驗溫度為90 ℃和120 ℃時,3Cr鋼的均勻腐蝕速率高于P110鋼,但在150 ℃時則相反,這種變化與腐蝕產(chǎn)物膜性質(zhì)的變化有關(guān)。
2.2 局部腐蝕形貌與速率
由圖2可見：在不同溫度模擬油田注入井況O2+CO2+地層水環(huán)境中腐蝕168 h后,P110鋼表面均觀察到局部腐蝕坑,并且隨著溫度升高試樣表面局部腐蝕坑連接成片,試樣表面粗糙度顯著增大；且隨著試驗溫度升高,試樣表面的最大點蝕深度
