崔明月，王青華，溫寧華，李大朋，鄒春梅，李慧心，張雷

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院工程技術(shù)中心，北京，100083；2.安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京，100083；3.新材料技術(shù)研究院，北京科技大學(xué)，北京，100083）

哈法亞油田的主力油藏采用注水開發(fā)，在注水先導(dǎo)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)注水井油管在一年內(nèi)發(fā)生腐蝕穿孔問題，給現(xiàn)場生產(chǎn)帶來了較大的影響。在注水井注水過程中，注水水質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境多變，造成注水井腐蝕和結(jié)垢較為嚴(yán)重。失效分析表明，造成井下管柱腐蝕結(jié)垢的機(jī)理主要是電化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕、溶解氣腐蝕和垢下腐蝕的協(xié)同作用[1-7]。影響井筒腐蝕和結(jié)垢的因素也較多，如注入水的水質(zhì)成分、氣體成分以及溫度、壓力、pH、溶解氧、硫化氫、CO2和SRB（Sulfate Reducing Bacteria，硫酸鹽還原菌）等[8-12]。文中主要研究溫度、壓力和pH對注水井油管材L80鋼腐蝕過程的影響，為井筒選材和防腐工作提供一定的技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為井下管材L80鋼，將其加工成50 mm ×13 mm×3 mm的掛片試樣，實(shí)驗(yàn)前用砂紙將試樣打磨至 800#，并進(jìn)行清洗、除油、冷風(fēng)吹干后稱量和尺寸測量，放置干燥器中待用。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)模擬現(xiàn)場注水水樣，按現(xiàn)場注水比例1∶1∶1進(jìn)行配置，見表1，通過HCl調(diào)節(jié)溶液pH。

表1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)組成 mg/L

利用動態(tài)高壓釜進(jìn)行腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前通過除氧儀對模擬介質(zhì)進(jìn)行除氧，并向釜中通入氮?dú)獬酢?shí)驗(yàn)開始時，向釜中放入已處理好的掛片試樣，再加入除氧的模擬介質(zhì)，加蓋密封后通入配置好的氮氧混合氣體，以模擬注水中的溶解氧，升溫加壓到試驗(yàn)預(yù)定的溫度和壓力后開始計(jì)時。試驗(yàn)中設(shè)定流體流速為2.5 m/s，實(shí)驗(yàn)周期均為168 h。試驗(yàn)結(jié)束后，用去膜液對試樣進(jìn)行去膜、清洗、干燥和稱量，用失重法計(jì)算腐蝕速率。

利用JSM-5800型電子掃描顯微鏡觀察腐蝕試樣表面和截面的腐蝕形貌，并利用片狀腐蝕試樣對表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果與分析討論

2.1 溫度的影響

L80鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化情況如圖1所示?？梢钥闯觯S著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，L80鋼的腐蝕速率增大，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，其腐蝕程度均屬于嚴(yán)重腐蝕[13]。

圖2為試樣表面微觀形貌。由圖2可見，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，基體表面腐蝕產(chǎn)物越來越疏松，致密性變差，對基體的保護(hù)能力減弱，腐蝕越來越嚴(yán)重。其原因在于試樣表面腐蝕產(chǎn)物的不均勻性導(dǎo)致局部腐蝕的發(fā)生。圖3為L80鋼的腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜，由圖譜可以看出，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物和CaCO3結(jié)垢。

圖4為去膜后試樣表面的宏觀形貌。由圖4可見，在40 ℃和60 ℃時，試樣表面腐蝕相對均勻，即主要發(fā)生全面腐蝕。在80 ℃和120 ℃時，試樣表面部分區(qū)域的腐蝕相對較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)出有點(diǎn)不均勻性，表明有輕微的局部腐蝕。

2.2 壓力的影響

圖 5為 L80鋼在不同壓力下的腐蝕速率變化情況。由圖5可以看出，隨著總壓的升高，試樣的腐蝕速率明顯增大。各壓力下試樣的腐蝕速率均大于0.245 mm/a，屬于嚴(yán)重腐蝕。

圖6為不同壓力下試樣去膜前后的腐蝕形貌?？梢钥闯?，去膜前試樣表層為疏松的磚紅色產(chǎn)物，內(nèi)層為黑色腐蝕產(chǎn)物。去膜后的試樣，4 MPa時，試樣表面腐蝕較均勻，腐蝕形態(tài)為全面腐蝕；20 MPa和35 MPa時，試樣表面腐蝕不均勻，局部區(qū)域腐蝕明顯嚴(yán)重，可觀察到較大較深腐蝕坑，腐蝕形態(tài)為局部腐蝕。對試樣表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，其主要組成為鐵氧化物Fe3O4/Fe2O3，同時伴有結(jié)垢的CaCO3成分。根據(jù)亨利定律可知，總壓升高，氧氣在溶液中的溶解度升高，去極化作用增強(qiáng)，腐蝕速率升高，產(chǎn)物不均勻分布形成了氧濃差電池，加劇了局部腐蝕的發(fā)生。

2.3 pH的影響

圖7為不同pH下注水井管材的腐蝕速率變化情況。由圖7可見，隨著pH的降低，L80鋼的腐蝕速率增大。這是因?yàn)楫?dāng)pH減小時，腐蝕介質(zhì)中氫離子含量增加，氫的去極化作用增強(qiáng)，而氧去極化作用減弱。這時腐蝕反應(yīng)由原來的氧擴(kuò)散控制逐漸轉(zhuǎn)化為電化學(xué)活化控制，腐蝕過程的阻力減小，腐蝕反應(yīng)速率

急劇增加，導(dǎo)致材料的腐蝕程度加劇。低的pH值且含氧條件下，碳鋼表面是氫的去極化和氧的去極化反應(yīng)同時進(jìn)行，碳鋼表面進(jìn)行的是酸的作用過程。如圖8所示，試樣表面腐蝕均勻，腐蝕形態(tài)為全面腐蝕。

3 結(jié)論

通過在不同溫度、不同壓力和不同pH的注水條件下對井身材料L80腐蝕規(guī)律的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1）隨著溫度的升高，L80鋼的腐蝕速率越來越大，腐蝕產(chǎn)物致密性變差，CaCO3結(jié)垢增多。L80鋼主要發(fā)生全面腐蝕，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度高于80 ℃時，試樣表面出現(xiàn)輕微局部腐蝕。

2）隨著壓力的升高，腐蝕速率越來越大，當(dāng)壓力為20 MPa時，L80鋼的腐蝕速率達(dá)到1.68 mm/a，局部腐蝕明顯。腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化物 Fe3O4/Fe2O3，同時伴有結(jié)垢現(xiàn)象。

3）隨著pH升高，L80鋼的腐蝕速率逐漸降低。

[1]趙鳳蘭, 鄢捷年, 胡海紅. 注水系統(tǒng)腐蝕規(guī)律與防腐技術(shù)[J]. 油氣田地面工程, 2002, 21(6): 19-20.

[2]喬尚琪, 滕鳳云, 喬宏, 等. 油田注水系統(tǒng)微生物的腐蝕及其防治[J]. 山東科學(xué), 1999, 12(3): 61-64.

[3]黃國連, 孫潤泉, 劉麗, 等. 油田注水腐蝕問題研究[J].四川化工與腐蝕控制, 1999, 2(4): 25-27.

[4]柳言國. 勝利油田注水井管柱復(fù)合式防護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果分析[J]. 腐蝕與防護(hù), 2003, 26(1): 80-82.

[5]蒲仁瑞, 劉唯賢, 李敏, 等. 氣井管柱腐蝕機(jī)理研究及防治[J]. 鉆采工藝, 2003, 26(1): 80-82.

[6]張智, 施太和, 周理志, 等. 油氣田開發(fā)過程中的流暢誘導(dǎo)腐蝕[J]. 石油鉆探技術(shù), 2007, 35(3): 79-81.

[7]余昊, 等. 寶浪油田注水井油管內(nèi)壁腐蝕原因研究[J].石油與天然氣化工, 2004(4): 286-287.

[8]黎紅珍, 羅立然, 李婭, 等. 油管腐蝕原因分析及腐蝕評價[J]. 天然氣工業(yè), 2003, 23(s1): 107-111.

[9]江 放, 等. 油管在CO2和H2S共存時的腐蝕機(jī)理研究[J]. 石油與天然氣化工, 2005(3): 213-215.

[10]萬里平, 等. 西部油田油管腐蝕結(jié)垢機(jī)理研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2007(4): 247-251.

[11]謝先平, 等. 注污水井下油管腐蝕特點(diǎn)及防腐對策[J].試采技術(shù), 2007(s1): 158-160.

[12]Nace Standard RP0775—2005 Item No 21017, Preparation Installation, Analysis, and Interpretation of Corroison coupons in Oilfield Operations[S].

[13]孫偉, 施健, 鐘衛(wèi)修, 等. 注水井問題分析與措施治理[J]. 中國化工貿(mào)易, 2012(s): 205, 261.