徐深气田油管腐蚀与温度之间的关系研究

魏振禄，罗福建，赵景茂

(1.中国石油大庆油田有限责任公司采气分公司，黑龙江 大庆 163453;2.北京化工大学材料科学与工程学院，北京 100029)

CO2腐蚀是油气田常见的一种腐蚀类型，而且往往是严重的局部腐蚀，如点蚀、癣状腐蚀和台面状腐蚀。影响CO2腐蚀速率的因素有很多，如温度、CO2压力和各种离子的浓度等［1-4］。其中温度对CO2腐蚀速率的影响主要体现在温度对腐蚀产物膜性能的影响［5-8］，即在某些温度下，形成的腐蚀产物膜软而无附着力，某些温度下膜层致密且附着力强，产物膜的这些性能直接决定了基体金属的腐蚀速率［9-10］。

大庆油田徐深气田气井深度为3 300～4 300 m，地层压力35～45 MPa，地层温度138～145 ℃(最高地层温度169 ℃)，产出气中CO2体积分数为0.18%～3.54%，地层水矿化度6 000～12 000 mg/L，有些层位地层水矿化度达到15 000 mg/L。投入开发以来，部分气井井下管柱腐蚀严重。如S2-17 井于2007 年8 月投产，到2009 年9 月，因腐蚀油管断脱。该气田由于腐蚀造成2 口井报废，多口井油管断脱，经济损失超过了3 000 ×104RMB ¥，腐蚀不仅造成了严重的经济损失，同时给天然气生产带来严重的安全隐患。

为了研究该气田主要腐蚀影响因素，本文根据大庆徐深气田产出水的水质配制了模拟溶液，研究了温度对CO2腐蚀速率的影响，并与气井油管实际的腐蚀情况进行了对比。

1 研究方法

1.1 实验材料和溶液

N80 试片钢的尺寸为50 mm×10 mm×3 mm。根据徐深气田产出水的水质，配制实验溶液，其中CaCl2为1.226 mol/m3，Na2SO4为1.647 mol/m3，NaHCO3为48.320 mol/m3，MgCl2·6H2O 为1.124 mol/m3，NaCl 为64.807 mol/m3。

1.2 动态质量损失实验

用Cortest 高压釜进行失重实验。实验温度60～160 ℃，CO2分压为0.8 MPa，流速2.5 m/s，实验周期为24 h。实验结束后，将试片取出，放入后处理液(质量分数为10%HCl +1% T-90 酸洗缓蚀剂)中浸泡5 min，然后用去污粉搓洗，并用自来水冲洗，再经丙酮、无水乙醇清洗，热风吹干后称重，由试片的失重来计算腐蚀速率。

2 结果与讨论

2.1 动态质量损失结果

温度对N80 钢腐蚀速率影响曲线见图1。

图1 温度对N80 钢腐蚀速率的影响

图1 为CO2分压0.8 MPa，流速2.5 m/s条件下，不同温度下N80 钢的腐蚀速率。由图1 可见，随着温度的升高，腐蚀速率逐渐增加，80 ℃时，腐蚀速率达到最大值，超过80 ℃后，腐蚀速率逐渐减小，到160 ℃后，腐蚀速率更小。

图2 为不同温度下试片表面的腐蚀形貌，从图中可以看出，温度低于80 ℃时，腐蚀产物疏松，超过80 ℃后，腐蚀产物变得致密，这是导致N80钢的腐蚀速率降低的主要原因。x 射线衍射(XRD)分析表明，各个温度下形成的腐蚀产物均为FeCO3。

图2 不同温度下N80 钢表面腐蚀形貌

温度对CO2腐蚀的影响，很大程度表现在温度对腐蚀产物保护膜生成的影响上。一些研究表明，在60 ℃附近，FeCO3溶解度随温度升高而下降［11］，故在60 ℃，钢表面形成一种具有保护性的腐蚀产物，使腐蚀速率出现过渡区，此温度区间内局部腐蚀突出;在60 ℃以下，材料表面不能形成保护膜。根据温度的影响，CO2腐蚀可分为3 种情况:

(1)小于60 ℃的低温区，由于腐蚀产物膜疏松不致密，腐蚀速率随温度的增加而增大。

(2)在100 ℃左右的中温区，由于FeCO3膜产生粗大的结晶，因而出现严重的局部腐蚀，腐蚀速率达到一个极大值。

(3)温度高于l50 ℃，由于生成了附着力强的细致紧密的FeCO3和Fe3O4膜，抑制了腐蚀的进行，腐蚀速率下降。

值得一提的是，不同钢种和环境介质参数的差异可导致不同的腐蚀温度规律，所以研究应具体问题具体分析。

2.2 气井油管实际腐蚀情况

S2-17 井该井投产2 a 后，发现油管有两处断裂:第1 处是第73 根油管(694 m 处)，第2 处是第112 根油管(1 062 m)。从起出的油管发现穿孔共14 处，基本都集中在73 根以上部分。截取部分油管对其外貌、内表面进行分析，并计算了腐蚀速率，结果见图3。从图3 可以看出:油管在井下80 m 处腐蚀程度轻微;而在137～1 062 m 各处，腐蚀较为严重，局部腐蚀突出;在1 235～2 700 m，油管的腐蚀程度再次变得轻微。从温度分析，气井管柱腐蚀严重的温度区域主要是50～85 ℃。这一结果与室内动态失重实验基本一致，这对今后油管管柱的防腐蚀具有一定的指导意义。

图3 腐蚀速率与S2-17 井深及温度的关系曲线

3 结论

(1)N80 油管的腐蚀速率随温度的升高呈现先增后减的趋势，在80 ℃时，腐蚀速率达到最大值;

(2)温度对CO2腐蚀的影响，很大程度表现在温度对腐蚀产物保护膜生成的影响上;

(3)S2-17 井在井口100 m 以下至1 400 m 腐蚀比较严重，对应着温度在50～85 ℃，实际的腐蚀情况与室内失重实验得到的结论基本一致。

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