流動條件下油套管材料腐蝕行為的影響因素

流動條件下油套管材料腐蝕行為的影響因素

1油田腐蝕環(huán)境n80、p15和sm110是塔里木油田常用的油條鋼。油田油層埋深3500m6000m。油田的自然條件差，地下地質(zhì)條件復(fù)雜。b2油壓高達3.5mpa，cl-含量高達150g。井底溫度為120140，侵蝕環(huán)境差。隨著油田的開發(fā)，油水的開采和腐蝕變得越來越嚴(yán)重。在油田工作中，發(fā)現(xiàn)管道壁嚴(yán)重腐爛，管道外壁腐蝕較小。除了液位差異外，管道內(nèi)外壁的腐蝕環(huán)境基本相同。因此，在對三種常用油管材料（n80、磷酸酯、sm110）的靜態(tài)腐蝕后，研究了一些環(huán)境因素的流動侵蝕條件下對這些材料的腐敗現(xiàn)象的規(guī)律，并為油田運行和co腐蝕理論的建立提供了依據(jù)。2腐蝕介質(zhì)及試樣的制備試驗所用材料均取自塔里木油田現(xiàn)場使用的油套管,經(jīng)化學(xué)成份分析和金相組織分析后確定其材料種類,分析結(jié)果見表1和表2.將各種材料分別加工成86mm(O.D)×80mm(I.D)×3mm的全尺寸動態(tài)圓環(huán)試樣后,用砂紙逐級打磨至600號,用丙酮清洗除油,清水沖洗,冷風(fēng)吹干后,將試樣相互絕緣安裝在特制的防腐試樣架上,放入高壓釜內(nèi),加入腐蝕介質(zhì).腐蝕介質(zhì)的成份見表3.試驗采用美國Cortest公司生產(chǎn)的34MPa動態(tài)高壓釜.試驗前通入高純氮2h以除氧,隨后將高壓釜密封,再通入高純CO2,升溫升壓,待溫度壓力達到試驗參數(shù),開始旋轉(zhuǎn)試樣以達到試驗要求的流速.試驗結(jié)束后,將試樣連同試樣架取出用自來水沖洗約10min,去掉試樣表面殘留的溶液.隨后將試樣放入清洗液中劇烈攪拌至腐蝕產(chǎn)物除凈為止.清洗液配方為:鹽酸(1.19g/cm3)1L、三氧化二銻20g、氯化亞錫50g.酸洗后去除腐蝕產(chǎn)物的試樣立即在自來水中沖洗,并通過在飽和碳酸氫鈉溶液中浸泡約2min～3min進行中和處理,之后自來水沖洗并用濾紙吸干后置于無水酒精或丙酮中浸泡3min～5min脫水.脫水后試樣經(jīng)熱風(fēng)吹干后,用FR-300MKII電子天平(精度1mg)稱重并計算其失重腐蝕速率.3結(jié)果與討論3.1co分壓對腐蝕速率的影響研究結(jié)果表明,CO2腐蝕最嚴(yán)重的溫度范圍在100℃左右,根據(jù)國際上廣泛采用的以最惡劣情況下的腐蝕速率作為油套管壽命預(yù)測的基礎(chǔ)的理論,在各種因素對材料腐蝕速率的影響研究時,均采用90℃作為試驗溫度.圖1是溫度為90℃、流速為1.5m/s和試驗時間為48h條件下,CO2分壓的變化與3種材料的腐蝕速率關(guān)系圖.可知,隨著CO2分壓的升高,腐蝕速率先升后降,在CO2分壓為2.5MPa時,除N80鋼外,其它兩種材料的平均腐蝕速率均達到峰值,之后,隨著CO2分壓的升高,腐蝕速率開始下降.這和金屬表面的腐蝕產(chǎn)物膜的形成有關(guān).通常而言,隨著CO2分壓的升高,溶液對金屬的腐蝕性增強,平均腐蝕速率應(yīng)該升高,但是由于此時的平均腐蝕速率不僅反映了各種材料自身的抗蝕性,同時反映出其腐蝕產(chǎn)物在金屬表面的成膜性.CO2分壓升高后,材料表面膜增厚,保護性增強,兩方面協(xié)同作用使得在CO2分壓為3.5MPa時,腐蝕速率反而降低了.3.2沖刷-腐蝕反應(yīng)在溫度為90℃、CO2分壓為2.5MPa和試驗時間為48h條件下,N80、P105、SM110油管鋼的腐蝕速率隨流速變化(圖2)表明,隨著流速的增加,腐蝕速率呈上升趨勢,在流速達到1.5m/s時,腐蝕速率達到最大值,之后,隨著流速的增長,腐蝕速率又下降了.因為流動的氣體或液體將對油管內(nèi)壁構(gòu)成強烈的沖刷,除了使管壁承受一定的沖刷應(yīng)力、促進腐蝕反應(yīng)的物質(zhì)交換外,還將抑制致密保護膜的形成;尤其是在油管內(nèi)壁已被腐蝕而不再光滑的條件下,某點處的流速可能遠遠高于整體流速,而且還可能出現(xiàn)紊流,這必然會加劇腐蝕狀況.所以,一般情況,隨流速的增加,腐蝕速率急劇增加.但是,在本實驗中發(fā)現(xiàn),流速的影響決不是這么簡單.因為,在以CO2腐蝕為主的條件下,腐蝕速率不僅和材料的抗蝕性有關(guān),而且和腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)和形貌有關(guān),而腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì)和形貌不僅和材料的化學(xué)成分有關(guān),和流速也有關(guān).高流速影響Fe2+溶解動力學(xué)和FeCO3的形核,形成一個雖然薄但更具保護性的薄膜,因而提高流速反而使腐蝕速率降低了.3.3不同cl-濃度對腐蝕速率的影響圖3是溫度為90℃、CO2分壓為2.5MPa、流速為1.5m/s和試驗時間為48h條件下,N80、P105、SM110油管鋼的腐蝕速率隨氯離子濃度的變化.可知,在Cl-濃度為88g/L時,除N80鋼外,其他兩種材料的平均腐蝕速率最高.Cl-離子半徑小,穿透腐蝕產(chǎn)物膜容易,對鈍化膜有特別的局部破壞作用.而且,Cl-容易在金屬表面吸附而影響了腐蝕產(chǎn)物膜的吸附,所以在高Cl-離子濃度的溶液中,研究Cl-離子濃度的變化對腐蝕速率的影響具有重要意義.通常,隨Cl-濃度升高,材料表面形成溝槽狀腐蝕的狀況加劇,高速流動的液體隨即將溝槽沖垮,出現(xiàn)更為嚴(yán)重的局部腐蝕.但是,當(dāng)Cl-濃度高到一定程度,它將影響溶液中氫離子的活化程度,從而降低腐蝕速率.3.4腐蝕速率隨ph的變化在溫度為90℃、CO2分壓為2.5MPa、流速為1.5m/s和試驗48h條件下,通過加鹽酸調(diào)節(jié)pH值,N80、P105、SM110油管鋼的腐蝕速率隨pH的變化如圖4所示.一般情況,pH值增加,溶液的氫離子濃度降低,陰極去極化作用減弱,腐蝕速率降低.同時,pH值還通過影響FeCO3膜的性質(zhì)來影響腐蝕速率,在低pH值時,膜的保護性較差,pH值增加改善膜的保護性,降低腐蝕速率.但在試驗的pH值的范圍內(nèi),pH值的變化對平均腐蝕速率的影響不大.3.5不同含水率的油包水腐蝕速率隨水資圖5是溫度為90℃,CO2分壓為2.5MPa、流速為1.5m/s和試驗48h條件下,N80、P105和SM110油管鋼的局部腐蝕速率隨原油含水率的變化.CO2腐蝕只在水浸潤了鋼鐵表面后才會發(fā)生,其腐蝕的嚴(yán)重程度取決于水浸潤鋼鐵表面的時間和程度.因此,油井產(chǎn)出液中油水比是影響腐蝕速率的一個十分重要的原因.水在產(chǎn)出液中不同的存在形式會導(dǎo)致腐蝕速率發(fā)生巨大改變.水在產(chǎn)出液中存在形式主要有兩種,油包水和水包油,這兩種形式又與井筒中流體的流速密切相關(guān).一般而言,當(dāng)含水率達到30%～40%以上時,油包水會轉(zhuǎn)化成水包油的形式,腐蝕速率發(fā)生急變.試驗選用30%、70%及100%含水率,腐蝕速率變化見圖5,可知,隨著試驗介質(zhì)中水含量的提高腐蝕速率直線上升,以N80為例,含水100%模擬水介質(zhì)中局部腐蝕速率比含水30%的介質(zhì)中腐蝕速率高出近15倍,比含水70%的介質(zhì)中局部腐蝕速率也高出5倍以上.P105和SM110也有類似的結(jié)果,尤以P105變化為大,不含油的水介質(zhì)中局部腐蝕速率比含水30%的介質(zhì)中腐蝕速率高了50倍.可見油水比對油管內(nèi)壁腐蝕速率影響之大.4腐蝕速率的變化(1)在試驗溫度為90℃、流速為1.5m/s時,隨著CO2分壓的升高,材料的腐蝕速率先升后降.在CO2分壓為2.5MPa時,除N80外,其它材料的腐蝕速率皆達到峰值,之后,隨著CO2分壓的升高,腐蝕速率開始下降.(2)在試驗溫度為90℃、CO2分壓為2.5MPa時,隨著流速的增加,腐蝕速率先升后降,在流速達到1.5m/