齊光峰 李 風(fēng) 張 瑾 時(shí) 憲

（1. 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000；2. 中國石油化工股份有限公司勝利油田檢測評價(jià)研究有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

抽油桿是有桿泵采油的關(guān)鍵連接、承載工具，其安全可靠是油井高效、長壽運(yùn)行的基本保障之一[1-3]。然而，隨著油田開發(fā)到了高含水期，抽油桿腐蝕疲勞斷裂（如圖1所示）成為制約油井免修期的主要問題。有研究表明，鋼材腐蝕與工作介質(zhì)類型、礦化度（各種電解離子）、溫度、流速、細(xì)菌以及CO2、H2S等侵蝕性氣體含量（或溶解度）有關(guān)[4,5]。本文針對不同抽油桿材料，開展了不同礦化度（CL等電解質(zhì)含量）、溫度、CO2分壓下的模擬腐蝕試驗(yàn)研究，為抽油桿選材、防腐技術(shù)改進(jìn)提供研究基礎(chǔ)。

圖1 腐蝕疲勞斷口形貌

1 試驗(yàn)方法和步驟

1.1 試驗(yàn)材料

收集常用7種材質(zhì)成品抽油桿作為試驗(yàn)對象。各種材質(zhì)化學(xué)成分如表1所示。

表1 抽油桿及接箍化學(xué)成份（%）

1.2 試驗(yàn)介質(zhì)及條件

根據(jù)油田采出介質(zhì)組分分析統(tǒng)計(jì)，確定試驗(yàn)介質(zhì)和試驗(yàn)條件，如表2所示。腐蝕試驗(yàn)按照三因素、三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。以分析純NaCl、CaCl2和NaHCO3配置模擬介質(zhì)，HCl酸調(diào)節(jié)pH值。

表2 試驗(yàn)介質(zhì)和條件

1.3 試樣制備及試驗(yàn)內(nèi)容

將成品抽油桿制成35×15×3mm的標(biāo)準(zhǔn)試片，經(jīng)金相砂紙逐級打磨拋光后，以95%分析純乙醇清洗、干燥、稱重后，至于干燥器中備用。試樣測試內(nèi)容如下：

（1）高溫高壓腐蝕試驗(yàn)

將試樣安裝在高溫高壓釜內(nèi)，加入試驗(yàn)溶液，密封后通人高純氮?dú)獬?h以上，升溫至試驗(yàn)溫度，按預(yù)定分壓通入高純CO2，并加壓水壓至10MPa總壓開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣以乙醇沖洗、干燥待用，每種材料進(jìn)行2平行試驗(yàn)；

（2）微觀分析和能譜分析

將沖洗、干燥試樣在掃描電子顯微鏡（SEM）下掃描微觀形貌，EDX能譜儀掃描腐蝕產(chǎn)物；

（3）腐蝕率分析

將完成微觀分析和能譜分析否的試樣以酸洗液清除腐蝕產(chǎn)物、干燥后，用分析天平稱重后，計(jì)算腐蝕速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌及產(chǎn)物

掃描電鏡觀察可見，低CO2分壓（≤0.02MPa）下，腐蝕產(chǎn)物細(xì)密、輕薄，呈均勻腐蝕特征；高CO2分壓、中溫時(shí)，腐蝕產(chǎn)物粒度較大、堆積厚度大，呈局部腐蝕特征；高CO2分壓、高溫時(shí)，腐蝕產(chǎn)物粒度大、附著稀松，介于均勻腐蝕和局部腐蝕之間。這與前人研究結(jié)論一致，腐蝕形貌如圖2所示。

圖2 腐蝕形貌

EDS能譜線掃描結(jié)果如圖3所示。含CO2時(shí)表層腐蝕產(chǎn)物主要成分時(shí)FeCO3，次表層含有深入的Ca、Cl等離子。

圖3 EDS線掃描結(jié)果（Fe-綠色；C-紅色；O-黃色）

2.2 腐蝕規(guī)律

（1）溫度對抽油桿材料腐蝕的影響

當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)CO2分壓為0MPa時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示；

圖4 CO2分壓為0MPa時(shí)的腐蝕速率

由圖4可見，在30～90℃范圍內(nèi)、礦化度60000mg/L、介質(zhì)CO2分壓為0MPa時(shí)，所有試驗(yàn)材料的腐蝕速率均隨溫度的升高而增大。其中，常用材料20CrMoA的腐蝕速率和變化率均最小，KD（3130）次之，而含碳量高的AI4138HS、4142等材料普遍腐蝕率高，多鉻合金Cr9材料幾乎不腐蝕，腐蝕速率最大的AI4138HS材料的腐蝕速率也僅為0.25mm/a，根據(jù)中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)出版的《金屬防腐蝕手冊》，均屬于尚耐腐（6級：0.1～0.5mm/a）級別?？梢姡贑O2分壓極低時(shí)，應(yīng)選用成本低的常用材料20CrMoA作為抽油桿材料。

上述變化規(guī)律表明，礦化水中，無侵蝕性氣體作用時(shí)，材料腐蝕受到溫度控制。當(dāng)溫度提高時(shí)，電解質(zhì)離子活度提高，腐蝕率上升，需要在高溫區(qū)采取適當(dāng)措施控制腐蝕；

（2）CO2分壓對抽油桿材料腐蝕的影響

當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)CO2分壓為0.3MPa以上時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 在用材料CO2分壓為0.3MPa時(shí)的腐蝕速率

圖6 在用材料CO2分壓為1.0MPa時(shí)的腐蝕速率

在30～90℃范圍內(nèi)，當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)CO2分壓為0.3Mpa、1.0MPa時(shí)，腐蝕速率普遍在低溫區(qū)（60℃以下）均持續(xù)較高，并高于0.6mm/y，而高溫區(qū)（60℃以上）降低趨勢明顯，這與腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果相一致，高溫區(qū)腐蝕產(chǎn)物疏松、易脫落，趨于均勻腐蝕，腐蝕率相對較低。但是，含CO2時(shí)，在用各種材料的腐蝕率均較高，各溫度下均達(dá)到《金屬防腐蝕手冊》欠耐腐（8級：1.0～5.0mm/a）級別，即上述材料不適用于試驗(yàn)工況條件。而新材料OOCr9合金鋼，在所有模擬條件下的腐蝕率均小于0.05mm/a，屬于耐腐（4級：0.01～0.05mm/a）級別，是可以優(yōu)先選用的材料。

3 結(jié)語

目前，油田采出液含CO2含量一般在5%～10%之間，換算油井分壓約為0.05～2MPa之間。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在用抽油桿材質(zhì)均不具備耐腐蝕能力，在長期交變載荷作用下，必然發(fā)生腐蝕疲勞失效。而新材料00Cr合金鋼具有優(yōu)異的耐蝕性能，因此，應(yīng)該優(yōu)先選用，另外采取緩蝕劑批處理、定期投加等模式或在用材料表面防腐處理等措施也是可選方案，但是各類技術(shù)的選用應(yīng)通過防腐效果的試驗(yàn)評價(jià)和優(yōu)選。

根據(jù)本文的研究，含CO2礦化水介質(zhì)對在用抽油桿材料腐蝕嚴(yán)重，且最高腐蝕率出現(xiàn)在中溫區(qū)（60℃左右），在用材料不能滿足油井交變載荷下長期生產(chǎn)需要，建議推廣使用新材料00Cr合金鋼抽油桿，或試驗(yàn)優(yōu)選緩釋、表面防腐處理新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)安全、長效。