腐蚀介质浓度对油井管材料的电化学腐蚀影响的研究

雷太斌，张吉鼎，杨晓冬

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

腐蚀介质浓度对油井管材料的电化学腐蚀影响的研究

雷太斌，张吉鼎，杨晓冬

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

基于腐蚀电化学理论，以油井管材料为研究对象，在CS电化学工作站实验装置上，利用电化学方法，测试不同温度、不同Cl-浓度环境对油井管材料的电化学腐蚀。结果表明，Cl-在较低浓度下促进了腐蚀，但在高浓度下抑制腐蚀，在浓度为3.5%的NaCl溶液中，腐蚀效果最明显。P110钢在同一种氯离子浓度下，随着温度的增加腐蚀速率也逐渐增大，可见温度促进P110钢的腐蚀，温度越高腐蚀速率越快。

电化学腐蚀；油井管材料；腐蚀介质

1 油井管材料的电化学腐蚀研究现状

目前，油井管的腐蚀问题成为困扰油田生产的重要问题，针对油水井的套管、油管的腐蚀与防护，国内学者做了大量的研究[1]。P110钢在油气田生产过程中有着很广泛的应用，所以研究P110钢在油气田生产过程中的腐蚀规律，对降低油气田生产过程中的经济损失有很大的必要性[2]。

P110钢是美国石油学会标准套管和油管规范中的钢种，用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油田的运行，起固定石油和天然气井壁活井孔的作用。P110级石油套管具有良好的综合力学性能，还具有优异的抗腐蚀性，可应对复杂的地下环境。但目前看来，P110钢在使用中发生了不同程度的腐蚀失效现象。国内外有许多学者对P110钢的腐蚀行为进行了研究，但绝大多数是在CO2和H2S环境中进行的。如朱世东、白真权等[3]提出了P110钢的冲刷腐蚀，利用SEM、EDS和XRD技术，研究P110钢在不同条件下的CO2腐蚀速率的影响机理，包括研究了在流动腐蚀介质中温度、压力、浓度等因素对钢腐蚀速率的影响[4]。

在油田生产中，饱和盐水溶液是深探井试油完井液的主要成分，Cl离子的浓度很高，具有很强的腐蚀性。刘会、朱世东等[5]提出了Cl-对油套管用P110钢腐蚀速率的影响，采用SEM、EDS和XRD技术，辅以失重法，研究了油套管P110钢在流动的腐蚀介质Cl-含量不同时的腐蚀机理，得到Cl-浓度对P110钢腐蚀速率的影响规律。他们认为Cl离子可以降低材料表面钝化膜形成的可能性，或加速了钝化膜的破坏，从而促进局部腐蚀的发生。一般认为，Cl离子是促进金属材料发生点蚀的主要因素，Cl离子不是去极化剂，但在腐蚀过程中起着重要的作用。因此深入研究P110钢在含氯溶液中的腐蚀行为，对于防止或减缓其腐蚀失效的发生具有重要的理论意义和使用价值。

本文模拟油气田水环境，利用电化学方法测试不同温度、不同Cl-浓度环境下，油井管材料的电化学腐蚀的影响机理，以及造成这些影响的原因，对油气田生产有很重要的意义。

2 油井管材料的电化学腐蚀实验方案

2.1 实验装置及试样的制备

电化学试验台：选用恒温水浴箱一台，四口烧瓶，大烧杯。

三电极系统：工作电极为自制的P110工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。

工作电极的制备：先将P110钢制成长方体试样，用丙酮与酒精进行脱油脱脂处理，将试样的一端与有绝缘外皮的铜导线焊接到一起，并用环氧树脂包封非工作面，仅露出长方体的一个底面，以此作为工作电极。使用前用不同粒度的水磨砂纸将试件工作面打磨至0.019mm，放入干燥器以供备用。

参比电极的制备：先称取10g KCl和10g琼脂，用去离子水配置成50mL的溶液，加热溶液直到煮沸，等溶液中的KCl完全溶解为止。微晾一会，然后将提前准备好的鲁金毛细管插入到琼脂中，用吸耳球将琼脂吸进毛细管中，然后把甘汞电极插到琼脂中，最后滴入几滴KCl溶液，这样参比电极就制备好了。

2.2 实验溶液的配制

采用去离子水配制5种不同浓度的NaCl溶液，浓 度 分 别 为 1.5%mol·L-1、2.5%mol·L-1、3.5%mol·L-1、4.5%mol·L-1、5%mol·L-1，分别标记为（1）、（2）、（3）、（4）、（5），然后向溶液中通入高纯氮气，达到驱赶溶液中氧气的目的，每L溶液的通气时间大于1h。

每次配液只需要500mL腐蚀液，所以需要的NaCl质量见表1。

表1 NaCl质量的分布

2.3 腐蚀产物的清除方法

每次做完试验后，取出工作电极，先擦干工作电极上的溶液，然后在细砂纸上打磨工作面直到腐蚀产物打磨干净，打磨时要注意只能从一个方向打磨，不可以来回打磨。

2.4 实验步骤

1）连接好电化学实验台和电脑，保证数据传输正常。

2）在工作电极上连接P110试样，蒸馏瓶中加入提前配置好的 1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5% 的NaCl溶液，依次在室温、30℃、40℃、50℃、60℃下完成实验。

3 实验结果与讨论

根据上面的实验设计，进行了不同温度、不同Cl-浓度环境下，油井管材料P110钢的电化学腐蚀研究，下面取浓度为1.5%、3.5%、5%的NaCl溶液进行研究。

3.1 P110钢的开路电位曲线

图 1、2、3分别为P110钢在 1.5%、3.5%、5% 的NaCl溶液中的开路电位图。由图1、2、3可以明显地观察出不同浓度的NaCl溶液中，自腐蚀电位随时间变化的趋势。相比之下，图2中的开路电位是向负极移动最快的，自腐蚀电位越负，腐蚀速率是最大的。图1中可以看出，同一浓度下，温度越高，开路电位越负，腐蚀速率越快。在图3中可以看出，P110钢在高浓度腐蚀液中，温度较高的条件下，开路电位有向阳极移动的趋势，腐蚀电位变小，P110钢腐蚀速率变小，说明在高浓度下抑制腐蚀的进行。

图1 P110钢在1.5%NaCl溶液中的开路电位

图2 P110钢在3.5%NaCl溶液中的开路电位

图3 P110钢在5%NaCl溶液中的开路电位

3.2 P110钢的极化曲线

极化曲线通常是表示极化电流密度或者是极化电位与极化电流之间的关系，从极化曲线可以非常清楚地看出电极的极化程度[6]。图4、5、6分别是P110钢在1.5%、3.5%、5%的NaCl溶液中的极化曲线。

由图4和图5可以明显地观察到不同浓度的NaCl溶液中，自腐蚀电位向负极移动的趋势。相比之下，3.5% NaCl溶液中自腐蚀电位向负极移动得最快，同时腐蚀电流密度也在增加，这些变化都说明了腐蚀速率在加快[7]，腐蚀最为严重。1.5% NaCl溶液中，极化曲线移动不明显，说明此浓度下的材料腐蚀速率不大。5% NaCl溶液中，极化曲线向正极移动，腐蚀电流密度在变小，说明腐蚀被抑制了，高浓度的氯离子阻碍了腐蚀的进行。

图4 P110钢在1.5%NaCl溶液中的极化曲线

图5 P110钢在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

3.3 P110腐蚀速率结果

图6 P110钢在5%NaCl溶液中的极化曲线

表2 P110腐蚀速率结果

3.4 不同环境温度下各质量分数的NaCl溶液中P110钢的腐蚀速率-温度图像

图7是不同环境温度下，各质量分数的NaCl溶液中P110钢的腐蚀速率-温度图像。由图7可知，在1.5%和5%的NaCl溶液中，随着温度的增加，P110钢的腐蚀速率在20～40℃先稳定不变；在1.5% NaCl溶液中，P110钢腐蚀速率在40～60℃时缓慢增大，但是在5% NaCl溶液中P110的腐蚀速率在40～60℃时基本保持不变。在3.5%的NaCl溶液中，随着温度的增加，P110的腐蚀速率明显增加，而且增加的趋势越来越快。在2.5%和4.5%的NaCl溶液中，随着温度的增加，P110的腐蚀速率缓慢增大。

图7 不同环境温度下各质量分数的NaCl溶液中P110钢的腐蚀速率-温度图像

3.5 不同Cl-浓度对P110钢的电化学腐蚀规律研究

从上面各图的对比可以看出，温度对P110钢的腐蚀起到了促进的作用。随着温度升高，P110的腐蚀速率加快。现在以NaCl溶液浓度为变量，研究NaCl溶液浓度对腐蚀速率的影响。

图8是不同浓度Cl-对P110钢的电化学腐蚀速率图像。从图中5条折线可以看出，NaCl浓度对P110钢的腐蚀作用是先促进后抑制，在NaCl浓度为3.5%时腐蚀速率最大，所以Cl离子对P110腐蚀的影响是低浓度促进腐蚀，高浓度抑制腐蚀。Cl-对材料腐蚀的影响表现为：Cl-可以降低材料表面钝化膜形成的可能性，或加速了钝化膜的破坏，从而促进局部腐蚀的发生。

图8 不同浓度Cl-对P110钢的电化学腐蚀速率图像

4 结论

1）P110钢在氯离子浓度不断升高的情况下，腐蚀速率都呈现出一种先增加后减小的趋势；在浓度为3.5%的氯离子环境中腐蚀速率最大，低浓度的氯离子促进腐蚀，高浓度的氯离子抑制腐蚀。说明在高浓度氯离子的环境中，促使形成产物膜的阳离子增加了，使得P110钢试样表面形成了腐蚀钝化膜。2）P110钢在同一种氯离子浓度下，随着温度的增加腐蚀速率也逐渐增大，可见温度促进P110钢的腐蚀，温度越高腐蚀速率越快。

[1] 刘小燕.油井管材料流体诱导腐蚀研究[D].西安：西安石油大学，2013.

[2] 王倩，马云，屈撑囤，刘谊君.油气田水系统钢材腐蚀的电化学研究进展[J].油田化学，2013(3)：471-476.

[3] 朱世东，白真权，尹成先，等.P110钢抗冲刷腐蚀行为研究[J].材料工程，2009(8)：28-32.

[4] 徐哲.液固两相流条件下P110钢冲刷腐蚀研究[D].大庆：东北石油大学，2011.

[5] 刘会，赵国仙，韩勇，等.Cl-对油套管用P110钢腐蚀速率的影响[J].石油矿场机械，2008，37(11)：44-48.

[6] 闫康平，陈匡民.过程装备腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2009.

[7] 张旭昀，朱闯，孙丽丽，等.沙粒和氯离子对P110钢冲刷与腐蚀性能的影响[J].化工机械，2012(4)：447-451.

Abstract：Based on the electrochemical theory of corrosion, the electrochemical corrosion of oil well pipe material was studied by electrochemical method at different temperature and different concentrations of Cl-environment on the CS electrochemical workstation experimental device. The results showed that the corrosion was promoted at low chloride concentration, but the corrosion was inhibited at high chloride concentration. The corrosion effect was the most obvious in NaCl solution with concentration of 3.5%.P110 steel was the same. With the chloride ion concentration increased, the corrosion rate was also increased, showed temperature was promoted the corrosion of P110 steel, the higher the temperature, the faster the corrosion rate.

Key words:electrochemical corrosion; oil well pipe material; corrosion medium

Effect of Corrosive Medium Concentration on Electrochemical Corrosion of Oil Well Tubes

LEI Taibin, ZHANG Jiding, YANG Xiaodong
(Xi’an University of Petroleum, Xi’an 710065, China)

TG 174.3+6

A

1671-9905(2017)09-0060-04

雷太斌（1991-），男，研究方向：设备性能与压力容器管道安全方面。电话：15529659078，E-mail：1019812476@qq.com

2017-05-27