魏振祿，羅福建，趙景茂

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司，黑龍江 大慶 163453;2.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029)

CO2腐蝕是油氣田常見的一種腐蝕類型，而且往往是嚴重的局部腐蝕，如點蝕、癬狀腐蝕和臺面狀腐蝕。影響CO2腐蝕速率的因素有很多，如溫度、CO2壓力和各種離子的濃度等［1-4］。其中溫度對CO2腐蝕速率的影響主要體現(xiàn)在溫度對腐蝕產(chǎn)物膜性能的影響［5-8］，即在某些溫度下，形成的腐蝕產(chǎn)物膜軟而無附著力，某些溫度下膜層致密且附著力強，產(chǎn)物膜的這些性能直接決定了基體金屬的腐蝕速率［9-10］。

大慶油田徐深氣田氣井深度為3 300～4 300 m，地層壓力35～45 MPa，地層溫度138～145 ℃(最高地層溫度169 ℃)，產(chǎn)出氣中CO2體積分數(shù)為0.18%～3.54%，地層水礦化度6 000～12 000 mg/L，有些層位地層水礦化度達到15 000 mg/L。投入開發(fā)以來，部分氣井井下管柱腐蝕嚴重。如S2-17 井于2007 年8 月投產(chǎn)，到2009 年9 月，因腐蝕油管斷脫。該氣田由于腐蝕造成2 口井報廢，多口井油管斷脫，經(jīng)濟損失超過了3 000 ×104RMB ￥，腐蝕不僅造成了嚴重的經(jīng)濟損失，同時給天然氣生產(chǎn)帶來嚴重的安全隱患。

為了研究該氣田主要腐蝕影響因素，本文根據(jù)大慶徐深氣田產(chǎn)出水的水質(zhì)配制了模擬溶液，研究了溫度對CO2腐蝕速率的影響，并與氣井油管實際的腐蝕情況進行了對比。

1 研究方法

1.1 實驗材料和溶液

N80 試片鋼的尺寸為50 mm×10 mm×3 mm。根據(jù)徐深氣田產(chǎn)出水的水質(zhì)，配制實驗溶液，其中CaCl2為1.226 mol/m3，Na2SO4為1.647 mol/m3，NaHCO3為48.320 mol/m3，MgCl2·6H2O 為1.124 mol/m3，NaCl 為64.807 mol/m3。

1.2 動態(tài)質(zhì)量損失實驗

用Cortest 高壓釜進行失重實驗。實驗溫度60～160 ℃，CO2分壓為0.8 MPa，流速2.5 m/s，實驗周期為24 h。實驗結(jié)束后，將試片取出，放入后處理液(質(zhì)量分數(shù)為10%HCl +1% T-90 酸洗緩蝕劑)中浸泡5 min，然后用去污粉搓洗，并用自來水沖洗，再經(jīng)丙酮、無水乙醇清洗，熱風(fēng)吹干后稱重，由試片的失重來計算腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)質(zhì)量損失結(jié)果

溫度對N80 鋼腐蝕速率影響曲線見圖1。

圖1 溫度對N80 鋼腐蝕速率的影響

圖1 為CO2分壓0.8 MPa，流速2.5 m/s條件下，不同溫度下N80 鋼的腐蝕速率。由圖1 可見，隨著溫度的升高，腐蝕速率逐漸增加，80 ℃時，腐蝕速率達到最大值，超過80 ℃后，腐蝕速率逐漸減小，到160 ℃后，腐蝕速率更小。

圖2 為不同溫度下試片表面的腐蝕形貌，從圖中可以看出，溫度低于80 ℃時，腐蝕產(chǎn)物疏松，超過80 ℃后，腐蝕產(chǎn)物變得致密，這是導(dǎo)致N80鋼的腐蝕速率降低的主要原因。x 射線衍射(XRD)分析表明，各個溫度下形成的腐蝕產(chǎn)物均為FeCO3。

圖2 不同溫度下N80 鋼表面腐蝕形貌

溫度對CO2腐蝕的影響，很大程度表現(xiàn)在溫度對腐蝕產(chǎn)物保護膜生成的影響上。一些研究表明，在60 ℃附近，F(xiàn)eCO3溶解度隨溫度升高而下降［11］，故在60 ℃，鋼表面形成一種具有保護性的腐蝕產(chǎn)物，使腐蝕速率出現(xiàn)過渡區(qū)，此溫度區(qū)間內(nèi)局部腐蝕突出;在60 ℃以下，材料表面不能形成保護膜。根據(jù)溫度的影響，CO2腐蝕可分為3 種情況:

(1)小于60 ℃的低溫區(qū)，由于腐蝕產(chǎn)物膜疏松不致密，腐蝕速率隨溫度的增加而增大。

(2)在100 ℃左右的中溫區(qū)，由于FeCO3膜產(chǎn)生粗大的結(jié)晶，因而出現(xiàn)嚴重的局部腐蝕，腐蝕速率達到一個極大值。

(3)溫度高于l50 ℃，由于生成了附著力強的細致緊密的FeCO3和Fe3O4膜，抑制了腐蝕的進行，腐蝕速率下降。

值得一提的是，不同鋼種和環(huán)境介質(zhì)參數(shù)的差異可導(dǎo)致不同的腐蝕溫度規(guī)律，所以研究應(yīng)具體問題具體分析。

2.2 氣井油管實際腐蝕情況

S2-17 井該井投產(chǎn)2 a 后，發(fā)現(xiàn)油管有兩處斷裂:第1 處是第73 根油管(694 m 處)，第2 處是第112 根油管(1 062 m)。從起出的油管發(fā)現(xiàn)穿孔共14 處，基本都集中在73 根以上部分。截取部分油管對其外貌、內(nèi)表面進行分析，并計算了腐蝕速率，結(jié)果見圖3。從圖3 可以看出:油管在井下80 m 處腐蝕程度輕微;而在137～1 062 m 各處，腐蝕較為嚴重，局部腐蝕突出;在1 235～2 700 m，油管的腐蝕程度再次變得輕微。從溫度分析，氣井管柱腐蝕嚴重的溫度區(qū)域主要是50～85 ℃。這一結(jié)果與室內(nèi)動態(tài)失重實驗基本一致，這對今后油管管柱的防腐蝕具有一定的指導(dǎo)意義。

圖3 腐蝕速率與S2-17 井深及溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)N80 油管的腐蝕速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在80 ℃時，腐蝕速率達到最大值;

(2)溫度對CO2腐蝕的影響，很大程度表現(xiàn)在溫度對腐蝕產(chǎn)物保護膜生成的影響上;

(3)S2-17 井在井口100 m 以下至1 400 m 腐蝕比較嚴重，對應(yīng)著溫度在50～85 ℃，實際的腐蝕情況與室內(nèi)失重實驗得到的結(jié)論基本一致。

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