蔡 斌,羅 剛,李三喜,李艷飛,郭士生,葛俊瑞,舒福昌,3,任坤峰

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司,上海 200335;2.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司,湖北 荊州 434000;3.長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434001)

隨著石油勘探技術(shù)的發(fā)展,越來越多的油氣田開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向高溫深井[1-3]。高溫深井的地層壓力系數(shù)一般都比較高,完井作業(yè)后,為了填充油管和套管之間的環(huán)空,必須使用高密度環(huán)空保護(hù)液[4-7]。環(huán)空保護(hù)液是填充于油管和套管之間的液體,在保證平衡地層壓力的合適密度的同時(shí),必須具備較低的腐蝕性及較好的高溫穩(wěn)定性[8-12]。目前,為保證環(huán)空保護(hù)液的高溫穩(wěn)定性,一般采用可溶性鹽來調(diào)節(jié)密度,但可溶性鹽在高溫下對(duì)井下管材和工具易造成比較嚴(yán)重的腐蝕,所以,研究環(huán)空保護(hù)液抗高溫緩蝕劑意義重大[13-15]。基于此,作者以海上某高溫深井井下管柱鋼材為研究對(duì)象,以磷酸鹽環(huán)空保護(hù)液為腐蝕介質(zhì),采用掛片失重法和電化學(xué)極化曲線法考察抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量、溫度、環(huán)空保護(hù)液密度對(duì)腐蝕速率的影響,為高溫深井的高效安全開發(fā)提供技術(shù)支持和保障。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

環(huán)空保護(hù)液基液:淡水+0.5%除氧劑OSY+磷酸鹽加重至合適密度;不同材質(zhì)(N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80)掛片,使用現(xiàn)場(chǎng)井下管柱鋼材加工而成。

磷酸鹽、碳酸鈉、除氧劑OSY,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;石油醚、無水乙醇,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;抗高溫緩蝕劑HSJ-M,自制。

抗高溫陳化釜(聚四氟乙烯內(nèi)襯),荊州塔林機(jī)電設(shè)備制造有限公司;101-1BS型電熱鼓風(fēng)干燥箱,廣州大祥電子機(jī)械設(shè)備有限公司;CorrTest型電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng),武漢科思特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 掛片失重法

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》中靜態(tài)均勻緩蝕率測(cè)定部分的規(guī)定,采用掛片失重法測(cè)定掛片在環(huán)空保護(hù)液中的腐蝕速率。腐蝕時(shí)間為7 d。

1.2.2 電化學(xué)極化曲線法

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕 電化學(xué)試驗(yàn)方法 恒電位和動(dòng)電位極化測(cè)量導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定,使用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定掛片在環(huán)空保護(hù)液中的電化學(xué)極化曲線。實(shí)驗(yàn)電極為三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為Pt電極,工作電極為待測(cè)掛片。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛片失重法結(jié)果

2.1.1 抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量對(duì)腐蝕速率的影響

以密度為1.65 g·cm-3的環(huán)空保護(hù)液作為腐蝕介質(zhì),在160 ℃下,考察抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)對(duì)4種材質(zhì)掛片腐蝕速率的影響,結(jié)果見表1。

表1 抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量對(duì)腐蝕速率的影響

由表1可知,隨著抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量的增加,4種材質(zhì)掛片在環(huán)空保護(hù)液中的腐蝕速率均逐漸降低,且當(dāng)HSJ-M加量為3.0%時(shí),腐蝕速率均可以降至0.076 mm·a-1以下;掛片材質(zhì)對(duì)腐蝕速率的影響較大,在相同條件下,4種材質(zhì)掛片的腐蝕速率大小為:N80>1Cr-L80>3Cr-L80>13Cr-L80。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),在HSJ-M加量為3.0%時(shí),N80和1Cr-L80掛片腐蝕后外觀雖有明顯變黑,但表面光滑,無明顯點(diǎn)蝕或坑蝕;3Cr-L80和13Cr-L80掛片腐蝕后外觀并無明顯變化。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M起到了良好的緩蝕作用,當(dāng)其加量為3.0%時(shí),可有效降低4種材質(zhì)掛片的腐蝕速率,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 溫度對(duì)腐蝕速率的影響

以密度為1.65 g·cm-3的環(huán)空保護(hù)液作為腐蝕介質(zhì),加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M,考察溫度對(duì)4種材質(zhì)掛片腐蝕速率的影響,結(jié)果見表2。

表2 溫度對(duì)腐蝕速率的影響

由表2可知,隨著溫度的升高,4種材質(zhì)掛片在環(huán)空保護(hù)液中的腐蝕速率均逐漸升高,但升幅不大;在170 ℃時(shí),N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80掛片的腐蝕速率分別為0.074 mm·a-1、0.065 mm·a-1、0.061 mm·a-1、0.054 mm·a-1,均低于0.076 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M具有良好的耐溫性能,在高溫條件下仍能發(fā)揮較好的緩蝕作用,可以滿足目標(biāo)高溫油氣井對(duì)環(huán)空保護(hù)液防腐蝕性能的要求。

2.1.3 環(huán)空保護(hù)液密度對(duì)腐蝕速率的影響

以不同密度的環(huán)空保護(hù)液作為腐蝕介質(zhì),加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M,在160 ℃下,考察環(huán)空保護(hù)液密度對(duì)4種材質(zhì)掛片腐蝕速率的影響,結(jié)果見表3。

表3 環(huán)空保護(hù)液密度對(duì)腐蝕速率的影響

由表3可知,隨著環(huán)空保護(hù)液密度的增大,4種材質(zhì)掛片的腐蝕速率均逐漸升高,但升幅不大;在環(huán)空保護(hù)液密度增至1.75 g·cm-3時(shí),N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80掛片的腐蝕速率分別為0.070 mm·a-1、0.062 mm·a-1、0.058 mm·a-1、0.049 mm·a-1,均低于0.076 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M在不同密度環(huán)空保護(hù)液中均能發(fā)揮較好的緩蝕作用,使用范圍較廣,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

2.2 電化學(xué)極化曲線法結(jié)果

在掛片失重法的基礎(chǔ)上,采用電化學(xué)極化曲線法對(duì)抗高溫緩蝕劑HSJ-M的緩蝕作用進(jìn)行評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn),60 ℃下,1Cr-L80、13Cr-L80掛片在環(huán)空保護(hù)液中的腐蝕速率分別為0.403 5 mm·a-1、0.155 4 mm·a-1;在環(huán)空保護(hù)液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,腐蝕速率分別降至0.069 2 mm·a-1、0.062 5 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M能夠降低掛片的電化學(xué)腐蝕速率,起到較好的腐蝕防護(hù)效果。其電化學(xué)極化曲線見圖1。

圖1 1Cr-L80、13Cr-L80掛片在不同條件下的電化學(xué)極化曲線Fig.1 Electrochemical polarization curves of coupons 1Cr-L80 and 13Cr-L80 under different conditions

由圖1可以看出,在環(huán)空保護(hù)液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,1Cr-L80、13Cr-L80掛片的電化學(xué)極化曲線均發(fā)生一定程度的右移,自腐蝕電位升高,說明兩種掛片的耐腐蝕性能均逐漸增強(qiáng)。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M能夠顯著提高環(huán)空保護(hù)液在高溫條件下的抗腐蝕性能,可以確保高溫油氣井施工安全,與掛片失重法結(jié)論一致。

3 結(jié)論

抗高溫緩蝕劑HSJ-M對(duì)4種不同材質(zhì)的掛片均具有良好的腐蝕防護(hù)效果。隨著HSJ-M加量的增加,4種掛片的腐蝕速率均逐漸降低,當(dāng)HSJ-M加量為3.0%時(shí),均降至0.076 mm·a-1以下;隨著溫度的升高和環(huán)空保護(hù)液密度的增大,4種掛片的腐蝕速率均逐漸升高,當(dāng)溫度為170 ℃或環(huán)空保護(hù)液密度為1.75 g·cm-3時(shí),腐蝕速率仍低于0.076 mm·a-1。在環(huán)空保護(hù)液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,1Cr-L80、13Cr-L80掛片的電化學(xué)腐蝕速率均明顯降低,極化曲線均明顯右移,自腐蝕電位升高,耐腐蝕性能明顯增強(qiáng)?？垢邷鼐徫g劑HSJ-M能夠適用于不同材質(zhì)鋼材、不同井底溫度以及不同密度的環(huán)空保護(hù)液,明顯降低井下管柱及設(shè)備的腐蝕速率,可以有效保障高溫油氣井作業(yè)施工安全。