模擬CO2驅(qū)工況下N80鋼油管腐蝕行為研究

李輝，馬振鵬，遲九蓉，羅江云，張馨予，劉星悅

(1．陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.延長油田股份有限公司下寺灣采油廠，陜西 延安 716105)

CO2驅(qū)油是CO2減排的重要途徑，同時(shí)也是油田提高采收率的重要手段。向低滲油田中注入 CO2能有效降低原油黏度，減少殘余油的飽和度，溶解儲層中膠質(zhì)，提高滲透率，有利于出油；還能夠減少空氣污染，降低溫室效應(yīng)，有利于環(huán)境保護(hù)[1-2]。

在CO2驅(qū)油注采過程中，隨著溫度、壓力的變化，CO2將處于不同的相態(tài)。低于31.06 ℃時(shí)，根據(jù)壓力不同分為固相、液相和氣相；當(dāng)溫度高于31.06 ℃、壓力超過7.39 MPa時(shí)，為氣、液平衡的混相；當(dāng)CO2中含有水分，水分會均勻分布。因此，在濕CO2環(huán)境下，管柱的運(yùn)行會存在腐蝕隱患[3-6]，導(dǎo)致服役油套管及地面管線的局部或全面腐蝕[7-10]。

本工作模擬某油田不同溫度、不同CO2分壓下的工況條件，研究其對N80鋼油管的腐蝕行為的影響，對CO2驅(qū)的安全長效實(shí)施提供有力保障。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉、氯化鈣、氯化鋇、硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水乙醇、石油醚均為分析純；N80掛片，尺寸：50 mm×10 mm×3 mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 N80鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of N80 steel

PARR-4578高溫高壓反應(yīng)釜；DSX-500光學(xué)顯微鏡；JSM6360LV掃描電鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對標(biāo)SY/T 5273—2014處理試片，并配制CO2驅(qū)地層水模擬水樣，其配制見表2。

表2 地層水離子濃度Table 2 Ion concentration of formation water

將模擬水裝入PARR-4578高溫高壓反應(yīng)釜(見圖1)。固定試樣夾具、裝釜、除氧、升溫、通CO2至預(yù)定壓力，通N2至10 MPa，v為0.2 m/s，實(shí)驗(yàn)周期為168 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對試樣進(jìn)行清洗、干燥、稱量處理，而后對試片表面腐蝕產(chǎn)物膜、形貌變化、腐蝕產(chǎn)物成分分析。

圖1 PARR-4578高溫高壓反應(yīng)釜Fig.1 PARR-4578 High temperature and high pressure reactor

1.3 腐蝕表征

通過掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕試片形貌特征及腐蝕產(chǎn)物膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對N80管材腐蝕影響

2.1.1 平均腐蝕速率 研究了溫度對N80管材的腐蝕影響，PCO2為10 MPa，v為 0.2 m/s，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)按表2配制，測試周期為168 h，計(jì)算的腐蝕速率對比見表3。

表3 不同溫度下N80的平均腐蝕速率Table 3 Average corrosion rate of N80 at different temperatures

由表3可知，隨著溫度的升高，材料腐蝕速率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，平均腐蝕速率達(dá)到最大值，溫度高于80 ℃時(shí)腐蝕速率又逐漸降低。

2.1.2 腐蝕形貌 由圖2可知，隨著溫度的上升，試樣表面均發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。試樣表面均形成腐蝕產(chǎn)物膜，隨溫度的上升，腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生破裂、脫落，腐蝕速率急劇上升，在80 ℃時(shí)，試樣厚度減薄嚴(yán)重，腐蝕速率較大，100 ℃時(shí)，表面腐蝕產(chǎn)物膜層致密,腐蝕速率降低。

圖2 不同溫度下N80管材微觀腐蝕形貌Fig.2 Microscopic corrosion morphology of N80 pipe at different temperatures

2.2 CO2分壓對N80管材腐蝕影響

2.2.1 平均腐蝕速率 研究了N80管材在不同PCO2的腐蝕變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

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

由表4可知，隨著PCO2的增大，腐蝕速率先增大后減小，當(dāng)PCO2為7 MPa時(shí)，腐蝕速率相對較低。根據(jù)CO2相態(tài)變化條件，CO2分壓7.39 MPa、溫度31 ℃時(shí)為超臨界狀態(tài)，在7 MPa、80 ℃時(shí)，氣、液、固相基本達(dá)相態(tài)平衡，相比前面實(shí)驗(yàn)條件，液相中的CO2溶解量小一些，腐蝕相對有所減小，隨著分壓的繼續(xù)增大，腐蝕又逐漸加大。因此，超臨界狀態(tài)下CO2相態(tài)的變化會影響腐蝕反應(yīng)速率。

2.2.2 腐蝕形貌 通過掃描電鏡(SEM)對腐蝕掛片進(jìn)行微觀形貌觀察，由圖3可知，地層水本身對材料存在一定的侵蝕性。在PCO2為5 MPa時(shí)，該膜疏松不致密，局部存在脫落現(xiàn)象，不能有效地阻隔腐蝕介質(zhì)對試片的腐蝕；PCO2為10 MPa時(shí)，試片表面的腐蝕產(chǎn)物膜厚實(shí)，試片均勻減薄嚴(yán)重，并存在有結(jié)垢的痕跡。

圖3 不同CO2分壓下試樣表面微觀腐蝕形貌(液相)Fig.3 Microscopic corrosion morphology of sample surface under different CO2 partial pressures(liquid phase)

2.2.3 腐蝕產(chǎn)物分析 由圖4 XRD衍射儀分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物膜由亞鐵鹽組成。

圖4 10 MPa CO2條件下N80腐蝕產(chǎn)物XRD圖Fig.4 XRD diagram of N80 corrosion products under 10 MPa CO2 condition

由圖5可知，能譜分析(EDS)顯示，基體產(chǎn)物膜內(nèi)側(cè)、中間、最外層點(diǎn)均主要由C、O、Fe 元素組成，推斷產(chǎn)物膜為碳酸鹽，結(jié)合XRD 分析結(jié)果，推斷腐蝕產(chǎn)物主要組分為FeCO3。

圖5 PCO210 MPa條件下掛片的EDS圖Fig.5 EDS diagram of hanging pieces under 10 MPa PCO2 condition

3 結(jié)論

(1)隨著實(shí)驗(yàn)溫度的增大，N80管材在80 ℃出現(xiàn)腐蝕極大值，在100 ℃時(shí)腐蝕產(chǎn)物膜層致密，腐蝕速率降低。

(2)隨著CO2分壓的增大，N80管材的平均腐蝕速率出現(xiàn)波動，呈先增大后減小趨勢。腐蝕后的掛片表面存在局部點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物主要組分為FeCO3，表面覆蓋有疏松的白色晶體可能為結(jié)垢產(chǎn)物。

(3)基于N80試片腐蝕嚴(yán)重的特點(diǎn)，需要優(yōu)化匹配緩蝕劑及涂鍍層等其他防腐措施。