模拟CO2驱工况下N80钢油管腐蚀行为研究

李辉，马振鹏，迟九蓉，罗江云，张馨予，刘星悦

(1．陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075；2.延长油田股份有限公司下寺湾采油厂，陕西 延安 716105)

CO2驱油是CO2减排的重要途径，同时也是油田提高采收率的重要手段。向低渗油田中注入 CO2能有效降低原油黏度，减少残余油的饱和度，溶解储层中胶质，提高渗透率，有利于出油；还能够减少空气污染，降低温室效应，有利于环境保护[1-2]。

在CO2驱油注采过程中，随着温度、压力的变化，CO2将处于不同的相态。低于31.06 ℃时，根据压力不同分为固相、液相和气相；当温度高于31.06 ℃、压力超过7.39 MPa时，为气、液平衡的混相；当CO2中含有水分，水分会均匀分布。因此，在湿CO2环境下，管柱的运行会存在腐蚀隐患[3-6]，导致服役油套管及地面管线的局部或全面腐蚀[7-10]。

本工作模拟某油田不同温度、不同CO2分压下的工况条件，研究其对N80钢油管的腐蚀行为的影响，对CO2驱的安全长效实施提供有力保障。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氯化钠、氯化钙、氯化钡、硫酸钠、碳酸氢钠、无水乙醇、石油醚均为分析纯；N80挂片，尺寸：50 mm×10 mm×3 mm，其化学成分见表1。

表1 N80钢的化学成分Table 1 Chemical composition of N80 steel

PARR-4578高温高压反应釜；DSX-500光学显微镜；JSM6360LV扫描电镜。

1.2 实验方法

对标SY/T 5273—2014处理试片，并配制CO2驱地层水模拟水样，其配制见表2。

表2 地层水离子浓度Table 2 Ion concentration of formation water

将模拟水装入PARR-4578高温高压反应釜(见图1)。固定试样夹具、装釜、除氧、升温、通CO2至预定压力，通N2至10 MPa，v为0.2 m/s，实验周期为168 h。实验结束后，对试样进行清洗、干燥、称量处理，而后对试片表面腐蚀产物膜、形貌变化、腐蚀产物成分分析。

图1 PARR-4578高温高压反应釜Fig.1 PARR-4578 High temperature and high pressure reactor

1.3 腐蚀表征

通过扫描电镜、光学显微镜观察腐蚀试片形貌特征及腐蚀产物膜。

2 结果与讨论

2.1 温度对N80管材腐蚀影响

2.1.1 平均腐蚀速率 研究了温度对N80管材的腐蚀影响，PCO2为10 MPa，v为 0.2 m/s，实验介质按表2配制，测试周期为168 h，计算的腐蚀速率对比见表3。

表3 不同温度下N80的平均腐蚀速率Table 3 Average corrosion rate of N80 at different temperatures

由表3可知，随着温度的升高，材料腐蚀速率呈现先增大后降低的趋势，当温度达到80 ℃时，平均腐蚀速率达到最大值，温度高于80 ℃时腐蚀速率又逐渐降低。

2.1.2 腐蚀形貌 由图2可知，随着温度的上升，试样表面均发现点蚀现象。试样表面均形成腐蚀产物膜，随温度的上升，腐蚀产物膜发生破裂、脱落，腐蚀速率急剧上升，在80 ℃时，试样厚度减薄严重，腐蚀速率较大，100 ℃时，表面腐蚀产物膜层致密,腐蚀速率降低。

图2 不同温度下N80管材微观腐蚀形貌Fig.2 Microscopic corrosion morphology of N80 pipe at different temperatures

2.2 CO2分压对N80管材腐蚀影响

2.2.1 平均腐蚀速率 研究了N80管材在不同PCO2的腐蚀变化情况,实验结果见表4。

表4 不同PCO2下N80的平均腐蚀速率Table 4 Average corrosion rate of N80 at different PCO2

由表4可知，随着PCO2的增大，腐蚀速率先增大后减小，当PCO2为7 MPa时，腐蚀速率相对较低。根据CO2相态变化条件，CO2分压7.39 MPa、温度31 ℃时为超临界状态，在7 MPa、80 ℃时，气、液、固相基本达相态平衡，相比前面实验条件，液相中的CO2溶解量小一些，腐蚀相对有所减小，随着分压的继续增大，腐蚀又逐渐加大。因此，超临界状态下CO2相态的变化会影响腐蚀反应速率。

2.2.2 腐蚀形貌 通过扫描电镜(SEM)对腐蚀挂片进行微观形貌观察，由图3可知，地层水本身对材料存在一定的侵蚀性。在PCO2为5 MPa时，该膜疏松不致密，局部存在脱落现象，不能有效地阻隔腐蚀介质对试片的腐蚀；PCO2为10 MPa时，试片表面的腐蚀产物膜厚实，试片均匀减薄严重，并存在有结垢的痕迹。

图3 不同CO2分压下试样表面微观腐蚀形貌(液相)Fig.3 Microscopic corrosion morphology of sample surface under different CO2 partial pressures(liquid phase)

2.2.3 腐蚀产物分析 由图4 XRD衍射仪分析结果可知，腐蚀产物膜由亚铁盐组成。

图4 10 MPa CO2条件下N80腐蚀产物XRD图Fig.4 XRD diagram of N80 corrosion products under 10 MPa CO2 condition

由图5可知，能谱分析(EDS)显示，基体产物膜内侧、中间、最外层点均主要由C、O、Fe 元素组成，推断产物膜为碳酸盐，结合XRD 分析结果，推断腐蚀产物主要组分为FeCO3。

图5 PCO210 MPa条件下挂片的EDS图Fig.5 EDS diagram of hanging pieces under 10 MPa PCO2 condition

3 结论

(1)随着实验温度的增大，N80管材在80 ℃出现腐蚀极大值，在100 ℃时腐蚀产物膜层致密，腐蚀速率降低。

(2)随着CO2分压的增大，N80管材的平均腐蚀速率出现波动，呈先增大后减小趋势。腐蚀后的挂片表面存在局部点蚀，腐蚀产物主要组分为FeCO3，表面覆盖有疏松的白色晶体可能为结垢产物。

(3)基于N80试片腐蚀严重的特点，需要优化匹配缓蚀剂及涂镀层等其他防腐措施。