井下組合材質(zhì)防腐電偶腐蝕特征研究

邢希金，耿亞楠，馮桓榰

中海油研究總院鉆采研究院（北京100028）

■質(zhì)量安全論壇

井下組合材質(zhì)防腐電偶腐蝕特征研究

邢希金，耿亞楠，馮桓榰

中海油研究總院鉆采研究院（北京100028）

為了研究井下環(huán)境下常用油井管材間組合使用的電偶腐蝕特性，采用測量常用油井管材的開路電位、腐蝕電位及極化曲線獲得電偶腐蝕規(guī)律，并在實(shí)際油田井下環(huán)境進(jìn)行了實(shí)例研究，獲得了常用井下防腐材料的曲線。分析表明：隨著金屬材質(zhì)中鉻含量的增加，其電位增加明顯，金屬材質(zhì)的耐蝕性能增加；同一種金屬材質(zhì)，隨管材鋼級(jí)的增加其電位略有增加，耐蝕性能提高不明顯。通過對常用材質(zhì)的開路電位與腐蝕電位測試，對油田實(shí)例研究的方案進(jìn)行簡化，以中東某油田Asmari油層為實(shí)驗(yàn)井下腐蝕環(huán)境，研究了3Cr、9Cr、13Cr及Super13Cr之間的電偶腐蝕規(guī)律。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，3Cr材質(zhì)與超級(jí)13Cr混合連接后，接觸位置的腐蝕加重程度增加近50%，若是采用9Cr材質(zhì)過度，3Cr材質(zhì)腐蝕加速程度大幅降低至15%，9Cr材質(zhì)本身的腐蝕加重程度也低于15%。鋼級(jí)對電偶腐蝕影響較小，采用中間材質(zhì)過渡有利于保護(hù)低鉻合金，提高其使用壽命。

油井管；組合材質(zhì)；電偶腐蝕；極化曲線；開路電位；腐蝕電位

電偶腐蝕又稱接觸腐蝕，是指不同金屬在導(dǎo)電介質(zhì)中接觸后因各自電極電位差異形成腐蝕原電池現(xiàn)象，通常特指兩種金屬間的接觸腐蝕，其中一種金屬在腐蝕過程被加速[1]。電偶腐蝕與金屬自腐蝕電位相關(guān)，兩者自腐蝕電位相差越大，高電位的陰極越受保護(hù)，而低電位陽極越容易腐蝕[2,3]。目前研究人員對海水環(huán)境中常用的金屬偶對進(jìn)行了大量研究測量，形成了海水環(huán)境的電偶序[4,5]。油井管材近些年新產(chǎn)品日漸增多，油井管組合使用廣泛被油氣田接受，由于井下環(huán)境的電偶腐蝕研究相對較少，油井管電偶腐蝕通常被忽視。

從常用油井管電偶腐蝕研究相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究存在局限性，多為特定的兩種材質(zhì)。2006年艾俊哲[6]針對二氧化碳環(huán)境中電偶腐蝕探討了緩蝕劑抑制電偶腐蝕的作用機(jī)理。李君[7]等針對含硫環(huán)境研究了pH值對Q235碳鋼與304L不銹鋼間電偶腐蝕行為。2007年趙華萊[8]以酸性氣井油套管及封隔器鋼材為對象，研究了Inconel718-VM80SS及N08028-BG95SS兩個(gè)電偶對在封隔液環(huán)境下的電偶腐蝕行為，通過研究獲得認(rèn)為二者偶合后陽極腐蝕加劇。2007年劉東[9]等利用失重法、電偶電流測量、SEM、XRD分析研究了飽和CO2的1% NaCl水溶液中碳鋼與不銹鋼,以及碳鋼腐蝕產(chǎn)物膜之間的電偶腐蝕行為，研究認(rèn)為陰陽極面積比影響較大，溫度為90℃時(shí)腐蝕產(chǎn)物膜與碳鋼的電偶腐蝕最為嚴(yán)重。2009年嚴(yán)密林[10]等研究發(fā)現(xiàn)，井下環(huán)境G3油管和SM80SS套管鋼構(gòu)成的電偶對中，G3鋼為電偶腐蝕電池的陰極，而SM80SS鋼為電偶腐蝕電池的陽極。2010年陳華偉[11]等對電偶電位、陰陽極面積比和環(huán)境溫度等因素對電偶腐蝕行為的影響進(jìn)行了評(píng)述。2012年宗廣霞[12]等采用電化學(xué)方法研究了X65與316L電偶對在模擬油田產(chǎn)出水環(huán)境中的電偶腐蝕行為。2015年王春生[13]等研究致密性氣藏氮?dú)忏@完井一體化管柱中超級(jí)13Cr油鉆桿和4145H鉆鋌螺紋連接的電偶腐蝕問題。任呈強(qiáng)[14]等在模擬氣井油套管環(huán)空環(huán)境中（溶有CO2和H2S的地層水），采用電化學(xué)試驗(yàn)、腐蝕失重法和腐蝕形貌觀察等方法對17-4不銹鋼和C110套管鋼間的電偶腐蝕進(jìn)行了研究。

基于上述研究的局限性，針對油氣田井下腐蝕環(huán)境，對常用的碳鋼、1Cr、3Cr、9Cr、13Cr等油井管材間的電偶腐蝕特征進(jìn)行了研究。

1 組合材質(zhì)的概念及應(yīng)用

組合材質(zhì)是指同一口井油管或套管使用了兩種或兩種以上材質(zhì)[15]，這個(gè)定義里的組合還特指同一尺寸油管或套管采用兩種或多種材質(zhì)。受油田開發(fā)成本的影響，油套管組合材質(zhì)防腐已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止目前組合材質(zhì)防腐方案在中國近海油氣田中已經(jīng)應(yīng)用超過300井次。組合材質(zhì)的提出與使用主要是為了節(jié)約高級(jí)別鋼材的用量，以降低油氣田的開發(fā)成本。根據(jù)油氣井的壽命與安全的級(jí)別，大體上可以將組合材質(zhì)分為保守型組合材質(zhì)和激進(jìn)型組合材質(zhì)兩種類型。組合材質(zhì)防腐設(shè)計(jì)的依據(jù)是油氣在生產(chǎn)過程中沿井筒向上流動(dòng)，其所處的腐蝕環(huán)境溫度和壓力不斷下降，腐蝕氣體分壓與溫度在生產(chǎn)過程中逐漸降低，其腐蝕性趨緩。準(zhǔn)確計(jì)算沿井筒的溫度和分壓剖面，就可以確定井下各段油管和套管防腐材質(zhì)。通常情況下油氣井下部可以采用高級(jí)別的防腐材質(zhì)，而油氣井上部可以使用相對低級(jí)別的材質(zhì)。然而這種組合材質(zhì)的使用需要考慮兩種不同金屬之間的電偶腐蝕問題，基于這一問題開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作。

2 井下常用材質(zhì)電位

2.1 常用材質(zhì)極化曲線分析

金屬的極化曲線一定程度上可以反映金屬的耐蝕性能。因此分析與研究金屬的極化曲線是解釋金屬腐蝕的基本規(guī)律、揭示金屬腐蝕機(jī)理和探討控制腐蝕途徑的有效方法之一。對油氣田生產(chǎn)中井下油管和套管常用的金屬鋼材進(jìn)行了極化曲線測量，結(jié)果見圖1。圖1中橫坐標(biāo)為電流密度，縱坐標(biāo)為電位，腐蝕電位高低表征金屬耐蝕程度。從圖中可以看出，對于不同材質(zhì)隨金屬材質(zhì)中鉻含量的增加，其電位增加明顯，這表征了該金屬材質(zhì)的耐蝕性能增加；同一種金屬材質(zhì)，隨管材鋼級(jí)的增加其電位略有增加，耐蝕性能提高不明顯。從圖中也可以發(fā)現(xiàn)，井下常用金屬材質(zhì)中L80鋼耐蝕性能最差，13Cr-110耐蝕性能最好。

圖1 井下常用材質(zhì)的極化曲線

2.2 常用材質(zhì)間的電位差

通過對常用金屬材質(zhì)的開路電位與腐蝕電位測量發(fā)現(xiàn)，同種材質(zhì)不同鋼級(jí)間的電位差較小，以常用13Cr管材為例，13Cr-80與13Cr-110之間的開路電位差為0.002 98V，腐蝕電位差為0.017 21V，表1給出了常用材質(zhì)的開路電位與腐蝕電位。為簡化研究每種金屬材質(zhì)選擇一個(gè)樣品進(jìn)行電偶腐蝕研究。

表1 常用材質(zhì)的開路電位與腐蝕電位/V

基于上述電位測量與簡化，對井下常用的兩種金屬間的電偶腐蝕電位差進(jìn)行計(jì)算如表2。由表2數(shù)據(jù)可知，兩種金屬之間的電位差越大，這兩種金屬同時(shí)在井下使用時(shí)期低級(jí)別的材質(zhì)更容易發(fā)生電偶腐蝕，由此可知井下腐蝕環(huán)境中碳鋼不宜直接與13Cr相連接。

表2 兩種金屬間的電偶腐蝕電位差/V

3 電偶腐蝕油田實(shí)例研究

以中東某油田Asmari油層的實(shí)際井下環(huán)境對不同材質(zhì)間的電偶腐蝕進(jìn)行了研究。Asmari油層溫度為90℃，飽和壓力為18.3MPa，CO2含量為4.3%，CO2分壓為0.8MPa，地層水230 000mg/L，其中氯離子含量為145 000mg/L。實(shí)驗(yàn)分別測試了可用該油田不同井段的3Cr、9Cr、13Cr和Super 13Cr的之間腐蝕情況。

實(shí)驗(yàn)方法為采用環(huán)氧樹脂封裝3Cr、9Cr、13Cr和超級(jí)13Cr試樣，工作面積分別為1cm2，600#砂紙打磨，無水乙醇擦拭干凈，置于500mL溶液的三電極體系中，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。二氧化碳除氧0.5h，密封。待電極表面電位穩(wěn)定后測量，實(shí)驗(yàn)測量儀器：CS系列電化學(xué)工作站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同材質(zhì)的腐蝕電位測試/V

由表3可知，實(shí)際油田環(huán)境條件下，腐蝕電位隨著Cr含量的升高而升高，說明各材質(zhì)間由于Cr含量不同存在明顯的電位差，電位低的金屬（如3Cr）與電位高的金屬（Super 13Cr）偶接后存在電偶腐蝕，電位低的金屬作為陽極將加速腐蝕，而電位高的金屬作為陰極，其腐蝕速率會(huì)減小。

此外，還測試了不同材料耦接條件下的電流情況。在兩個(gè)工作電極之間串聯(lián)一個(gè)5Ω的電阻，將數(shù)字萬用表量程調(diào)至200mV檔，直接通過數(shù)字萬用表測試5Ω電阻兩端的電位差，讀取萬用表示數(shù)，分別記錄偶接后60s時(shí)電阻兩端電位差；并計(jì)算電流值，結(jié)果如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可知，3Cr與Su?per13Cr之間的電偶對電流最高，為6.0μA，而13Cr與Super13Cr之間的電偶對電流最低，僅為0.5μA。

利用絕緣幫帶將不同材質(zhì)的掛片捆綁到一起后，進(jìn)行了耦接條件下的腐蝕速率測試，表5給出了各材質(zhì)兩兩互相耦接后的腐蝕速率加重情況。

根據(jù)表4中測試的不同材質(zhì)的腐蝕電位，以及表5中的腐蝕速率相對增量，可以得到圖2所示的電位與腐蝕增量曲線。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，3Cr材質(zhì)與Super 13Cr混合連接后，接觸位置的腐蝕加重程度增加近50%，會(huì)大大降低低電位材質(zhì)的腐蝕壽命。

表4 不同材質(zhì)耦合后的穩(wěn)定電流

表5 電偶腐蝕對加重腐蝕度/V

圖2 不同材質(zhì)耦合后的腐蝕加重程度

而若是采用9Cr材質(zhì)過度，3Cr材質(zhì)腐蝕加速程度大幅降低至15%，9Cr材質(zhì)本身的腐蝕加重程度也低于15%。這樣有利的保護(hù)3Cr材質(zhì)，提高3Cr材質(zhì)的使用壽命。對于Super 13Cr和普通13Cr來說，耦合后沒有明顯的加速現(xiàn)象，實(shí)際中可以直接混合連接。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)井下常用金屬材質(zhì)極化曲線表明，隨金屬材質(zhì)中鉻含量的增加，金屬材質(zhì)的耐蝕性能增加；同一種金屬材質(zhì)，隨鋼級(jí)的增加其電位略有增加，耐蝕性能提高不明顯。因此實(shí)際油田腐蝕環(huán)境研究中可以忽略鋼級(jí)的影響，簡化研究方案。

2)通過繪制電位-腐蝕增量曲線分析，3Cr材質(zhì)與Super13Cr直接連接后，接觸位置的腐蝕加重程度增加近50%，會(huì)大大降低低電位材質(zhì)的腐蝕壽命。而采用9Cr材質(zhì)過度，3Cr材質(zhì)腐蝕加速程度大幅降低至15%，9Cr材質(zhì)本身的腐蝕加重程度也低于15%，這有利的保護(hù)3Cr材質(zhì)，提高3Cr材質(zhì)的使用壽命。對于Super 13Cr和普通13Cr來說，組合后沒有明顯的加速現(xiàn)象，實(shí)際中可以直接連接。

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In order to study the galvanic corrosion characteristics of the common oil well pipe material combination use in underground environment,the galvanic corrosion laws between the materials were obtained by measuring the open circuit potential,the corrosion po?tential and the polarization curve of the common oil well pipe materials,and the polarization curves of the common downhole anticorro?sion materials were obtained in actual oil field downhole environment.The analysis of the curves showed that with the increase of chromi?um content in metal material,the potential and corrosion resistance of the metal material increased significantly；for the same metal ma?terial,the increase of its corrosion resistance is not obvious with the increase of the steel grade of material.The scheme of the oilfield case study is simplified through the open circuit potential and corrosion potential test of common materials.the galvanic corrosion laws among 3Cr,9Cr,13Cr and Super13Cr steel were studied by simulating the downhole corrosion environment of Asmari oil reservoir of a oilfield in the Middle East.It is shown that,the contact of 3Cr steel with Super13Cr steel can make the corrosion increase 50%；but if 9Cr material is used as transition material,the corrosion degree of 3Cr material is reduced to 15%,and the degree corrosion of 9Cr mate?rial itself is less than 15%.The effect of steel grade on galvanic corrosion is little,and the use of transition material is advantageous to the protection of low chromium alloy and prolongs its service life.

oil well pipe；combining material；galvanic corrosion；polarization curve；open circuit potential；corrosion potential

尉立崗

2016-07-08

邢希金（1981-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事海洋石油開發(fā)入井工作液及井筒完整性研究工作。