低cr油管鋼在無砂環(huán)境下的腐蝕行為

低cr油管鋼在無砂環(huán)境下的腐蝕行為

在石油開采過程中，對于一些弱固結或中等固結的砂巖儲層，應采取防砂措施防止砂粒進入井筒，一部分砂粒（10.50m）。基于上述原因,本文研究了粉砂對1%Cr和3%Cr油管鋼CO1實驗材料及方法(ⅰ)實驗材料.實驗選用含Cr量分別為1wt%和3wt%的2種油管鋼作為實驗材料(以下簡稱1Cr鋼和3Cr鋼),由天津鋼管集團股份有限公司提供,其化學成分見表1.(ⅱ)實驗溶液.實驗溶液為模擬油田采出水溶液,pH6.8,離子濃度見表2.(ⅲ)實驗砂粒.實驗用的粉砂粒徑為13~45μm,采用325目(45μm)和1000目(13μm)組合篩網進行粉砂取樣.實驗前對粉砂的化學組成進行了檢測,能譜(energydispersivespectrometer,EDS,FEIQuanta200F,俄勒岡州,美國)分析表明粉砂主要由O,Al,Si,Mg和Ca等元素構成,X射線衍射(X-raydiffraction,XRD,D/MAX2500,理學公司,日本)分析表明粉砂為鈣鎂鋁硅酸鹽(化學式為CaO-MgO-Al(ⅳ)腐蝕模擬實驗設備及實驗方法.實驗儀器為磁力驅動高溫高壓動態(tài)腐蝕反應釜,試樣夾具由中國石油大學(北京)巖石力學實驗室設計,整套設備由海安縣石油科研儀器有限公司(CWYF-1,南通)加工完成,結構如圖1所示.實驗試樣為一端帶有圓孔的長方形鋼片,尺寸為50mm(長)×10mm(寬)×3mm(厚).同一測試條件下,每種材料有5個測試試樣,其中3個用于計算平均腐蝕速率,1個用于腐蝕產物膜XRD,SEM和EDS分析(包括截面SEM和EDS),1個用于電化學測試.在進行腐蝕模擬實驗時,用于電化學測試的試樣只暴露1個主面(50mm×10mm),其余部分用704硅膠密封.實驗前,用SiC水磨砂紙將試樣表面逐級打磨至600目,清水沖洗、丙酮除油、干燥后稱重.將試樣安裝在聚四氟乙烯支架上,放入腐蝕反應釜中,然后將配置好的溶液和稱量好的粉砂按照實驗設計加入釜中.釜蓋密封后,先升溫至45℃(便于氧氣溢出)然后通入高純氮2h以除氧,再通入CO實驗結束后,將掛片取出.(1)用于計算腐蝕速率的試樣用清水沖洗掉表面的附著物后,放入清洗液(水/濃鹽酸=10/1,同時加少量緩蝕劑,以保護基底)中,并用棉球反復擦拭,清除表面腐蝕產物,然后用清水沖洗、丙酮除油后干燥,拍攝微距照片(EX-H30CASIO,東京,日本),記錄表面的腐蝕情況,最后用電子天平(精度為0.1mg)稱重,按照NACERP0775-2005標準規(guī)定的平均腐蝕速率計算公式進行計算(2)用于XRD,SEM及EDS測試的試樣用蒸餾水反復浸泡3~5次(不宜用水直接沖洗,防止腐蝕產物膜被損壞),溶解除去試樣表面結晶的鹵鹽,再用丙酮浸泡20~30s,待干燥后進行相關測試;(3)用于電化學測試的試樣,需將腐蝕后的試樣切成10mm長的小塊,用銅導線焊在沒有腐蝕產物膜的一面,然后用704硅膠將腐蝕產物膜以外的部位封住,進行電化學測試.(ⅴ)電化學交流阻抗測試.為研究不同環(huán)境條件下腐蝕產物膜的離子通透性能,測試了成膜試樣的交流阻抗譜.測試采用三電極體系,輔助電極選用大面積石墨電極,參比電極選用飽和甘汞電極,實驗儀器為CHI660C電化學測試系統(上海辰華儀器有限公司),玻璃電解池的容積為500mL,實驗介質為腐蝕模擬實驗中所用的模擬油田采出水溶液.工作電極為無砂和含粉砂條件下的1Cr鋼和3Cr鋼試樣,電極面積為1cm2結果與分析2.1腐蝕狀況及平均腐蝕速率無砂和含粉砂兩種條件下的測試試樣從釜中取出后,發(fā)現試樣表面均覆蓋有完整的產物膜,未見產物膜脫落現象.清除腐蝕產物膜后的試樣照片如圖2所示.無砂條件下(圖2(a)和(c)),1Cr鋼和3Cr鋼表現為全面腐蝕,試樣表面未見局部點蝕坑,但均較粗糙加粉砂后(圖2(b)和(d)),1Cr鋼試樣出現了多個腐蝕深坑及針狀蝕點,3Cr鋼試樣表面比無砂時變得更粗糙,亦可見細小針狀蝕點.圖3為1Cr鋼和3Cr鋼在無砂和含粉砂條件下的平均腐蝕速率,無砂條件下1Cr鋼和3Cr鋼的平均腐蝕速率分別為1.0296和1.2254mm/a,加砂后2種材質的平均腐蝕速率分別為4.1229和3.1882mm/a,1Cr鋼的腐蝕速率增加了3倍,3Cr鋼的腐蝕速率增加了1.6倍.2.2腐蝕產物膜截面形貌圖4(a)和(b)是1Cr鋼分別在無砂和含粉砂條件下的CO圖6(a)和(b)分別是1Cr鋼和3Cr鋼在含粉砂條件下的高倍產物膜表面電子顯微鏡照片,可以看出,腐蝕產物有堆垛現象(見圖6中標記),尤其是1Cr鋼表面的堆垛現象十分明顯.圖5是2種材料在無砂和含粉砂條件下的CO圖7(a)和(b)是1Cr鋼分別在無砂和含粉砂條件下的產物膜截面形貌,由圖可見,無砂環(huán)境中,腐蝕產物膜組織較均勻,而含粉砂環(huán)境中的產物膜夾雜有固體顆粒,厚度略大.對產物膜截面不同測點(1~6點)進行了EDS分析,見表3.無砂條件下1Cr鋼腐蝕產物膜主要由O,Fe和Cr等元素組成(測點1),為1Cr鋼在CO圖7(c)和(d)是3Cr鋼分別在無砂和含粉砂條件下的產物膜截面形貌,與1Cr鋼類似,無砂環(huán)境中產物膜組織較均勻,無異常顆粒夾雜,而含粉砂環(huán)境的產物膜中夾雜有固體顆粒.EDS分析(表3)表明,7點主要由O,Fe和Cr等元素組成,是3Cr鋼在CO2.3含粉砂環(huán)境下的低頻區(qū)容抗弧與表面活化溶解速率圖8(a)和(b)分別是成膜1Cr鋼和3Cr鋼在2種條件下的交流阻抗譜.在含粉砂條件下,成膜1Cr鋼的交流阻抗譜出現2個時間常數,即高頻區(qū)容抗弧和低頻區(qū)感抗弧,其中高頻區(qū)容抗弧與雙電層電容和反應傳遞電阻有關,而低頻區(qū)感抗弧與試樣表面活化溶解有關.無砂條件下的低頻感抗弧不明顯,這說明含粉砂條件下,1Cr鋼表面的活化溶解速率高于無砂環(huán)境中的活化溶解速率;從容抗弧半徑可知,含粉砂條件下,成膜1Cr鋼的極化電阻遠小于無砂條件下的極化電阻,說明含粉砂溶液中形成的腐蝕產物膜疏松,離子容易通過,對基體的保護性差.無砂條件下,成膜3Cr鋼的阻抗譜在低頻區(qū)呈現Warburg阻抗特征,這是由于3Cr在無砂環(huán)境中,表面會生成保護性較好的Cr(OH)2.4腐蝕產物膜的制備1Cr鋼和3Cr鋼腐蝕產物膜的測試及分析結果表明,粉砂沒有對腐蝕產物膜造成切削破壞,導致產物膜