套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為研究*

孫麗麗 王尊策 孫振旭 王 勇

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院；2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為研究*

孫麗麗**1王尊策1孫振旭2王 勇1

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院；2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

以油田常用套管鋼(P110、N80和J55)為研究對象，以水力噴砂壓裂液為介質，借助自制管道沖刷腐蝕模擬測試實驗臺，研究套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為，分析沖刷時間、含砂量、流速、沖擊角度和KCl含量對其沖刷腐蝕行為的影響規律。結果表明：硬度是決定套管鋼噴射沖刷腐蝕速率的主要因素，N80鋼硬度高沖刷腐蝕速率最低，P110鋼居中，J55次之；隨著沖刷時間、含砂量、流速和KCl含量的增加，套管鋼沖刷腐蝕速率增加，含砂量和流速極大地增加了沖刷腐蝕過程中的機械沖刷作用，而KCl則增加了其中的腐蝕過程；噴射沖刷腐蝕敏感沖擊角度為30°；沖刷腐蝕后表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主，沖刷腐蝕機理主要為壓痕機制。

套管鋼 水力噴砂 壓裂 沖刷腐蝕

壓裂是利用水力作用使油氣層形成裂縫，把高壓大排量且具有一定粘度的液體擠入油氣層，在所形成的裂縫中充填支撐劑(如石英砂、陶粒等)，人為增加油氣流動的通道，提高油氣層的滲透能力和產量[1]。水力噴砂壓裂是目前改善低滲透油藏的主要開發手段，是提高低滲透油田采收率的有效措施之一。目前，水力噴砂壓裂技術已廣泛應用于大慶油田、長慶油田及吐哈油田等，用于改造低滲透油井，提高產能[2]。

在水力噴砂壓裂過程中，由于壓裂液中含有高濃度的固體顆粒，壓裂速度高，對壓裂工具及外圍套管等產生了極大的沖刷腐蝕或沖刷磨損破壞。近年來，為提高壓裂效率，油田壓裂施工設計趨向于高壓和大砂量，常用的攜砂液排量可達到3.5m3/min左右，平均砂比將近20%(體積比)，壓裂壓力普遍在20～40MPa左右，個別實驗區域甚至達到將近100MPa。目前國內壓裂工具與國外還存在較大差距，在如此惡劣的工況下沖刷腐蝕現象極為嚴重，局部沖刷腐蝕惡劣部位往往導致壓裂工具失效，極大限制了壓裂施工的安全運行[1～3]。因此，深入研究水力噴砂壓裂液對壓裂工具和套管的沖刷腐蝕破壞機理，不僅可為壓裂工具的優化設計提供有效的理論依據，對于延長其使用壽命及提高壓裂施工成功率等都具有非常重要的現實意義，同時又具有良好的經濟效益和應用前景。

沖刷腐蝕是由電化學腐蝕和機械沖刷過程所引起的一種材料加速破壞形式，廣泛存在于石油工業、電力及化工等行業。套管鋼在傳統含氯介質中的沖刷腐蝕行為已取得一定認識[4，5]。截止目前，關于套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕行為的研究并沒有相關的報道。筆者以水力噴砂壓裂過程所涉及的套管鋼為對象，研究不同套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為，分析材料、沖擊時間、含砂量、流速、沖擊角度和KCl含量對其沖刷腐蝕行為的影響，以期為套管鋼在壓裂液中的沖刷腐蝕機理提供參考。

1 實驗

1.1實驗材料

實驗材料為油田常用3種級別套管用鋼(P110、N80和J55)，其成分經過德國Spctrolab-M10直讀光譜儀測試，主要成分見表1。

表1 3種級別套管用鋼的化學成分 mt%

1.2實驗介質

實驗介質為油田常用水力噴砂壓裂液，配方如下：

改性胍膠 4g/L

交聯比(硼砂) 100∶1

KCl 1.2%

支撐劑φ0.45～φ0.90mm陶粒

穩定劑、殺菌劑 適量

1.3實驗過程

沖刷腐蝕實驗在自制管道沖刷腐蝕模擬測試實驗臺上進行，裝置主要由立式離心泵、交流電機、凸輪泵和智能電磁流量計組成，可實現流量、沖擊角度調節和非接觸測量。沖刷腐蝕試樣以直徑為20±0.02mm的表面為工作面(面積3.14cm2)。實驗時，將試樣非工作面用704硅膠涂封。測量前先將工作面依次經400#、800#、1 500#水砂紙打磨，無水乙醇擦拭干凈，去離子水沖洗涼干后備用。沖刷腐蝕條件是：速率22m/s，沖刷3h，沖擊角90°。

采用電子天平(精度0.01mg)對實驗前后試樣進行稱重。試樣沖刷腐蝕后的表面形貌采用日本Hitachi S-3400II掃描電鏡(SEM)進行觀察。

2 結果與討論

2.1不同套管鋼材料的影響

3種套管鋼在壓裂液(含0.75%砂)中沖刷腐蝕速率如圖1所示。由圖1可知，在3種套管鋼中，J55鋼沖刷腐蝕速率最高，P110鋼居中，N80鋼沖刷腐蝕速率則最小。

對于韌性材料，硬度的高低對于其沖刷腐蝕行為具有決定性作用。硬度可以有效提高韌性材料的耐磨損性[6]。漿料體系中的沖蝕過程，硬度的增加降低了砂粒的沖刷作用，進而減小了材料的沖蝕速率。經測試，3種套管鋼維氏硬度分別為：245HV(P110)，350HV(N80)，220HV(J55)。可見，高的硬度是N80鋼呈現出優異沖刷腐蝕阻力的主要原因。

2.2沖蝕時間的影響

圖2反映的是不同沖刷時間時，套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕的累積失重量W。可見，隨沖刷時間的延長，3種套管鋼沖刷腐蝕累積失重量均增加，只是在超過2h后，增加幅度較為緩慢。為了更好反映增加的程度，將累積失重量換算為沖刷腐蝕速率(圖3)。由圖3可清晰看出，套管鋼在沖刷過程中，沖刷腐蝕速率呈現出先增加后降低，并最后趨于一個穩定值的規律，說明材料在噴射條件下處于穩定磨損階段。

噴射條件下，高速砂粒撞擊材料表面，撞擊點局部產生壓應力，只有當壓應力高于材料臨界應力，材料才會發生塑性變形，進而易于被砂粒沖刷磨損。由于在噴射沖刷后期(如超過2h)，壓應力累積致使材料產生局部加工硬化，材料發生局部形變能力降低，因而沖刷磨損程度降低。最終，壓應力和加工硬化之間處于一個平衡值，材料也就以一個穩定的沖刷腐蝕率發生失效。

圖2 套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕累積失重量

圖3 套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕速率

2.3含砂量影響

圖4為含砂量對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響趨勢圖。可以看出，3種套管鋼沖刷腐蝕速率隨含砂量增加而增加。在含砂量高于0.4%時，增加幅度較為明顯，對于硬度較低的J55鋼增加幅度要遠高于P110鋼和N80鋼。含砂量高，砂粒對于材料的機械沖刷作用增加，因而提高了整個沖刷腐蝕速率，硬度低的材料機械沖刷作用體現得更為明顯。

圖4 含砂量對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.4流速的影響

流速對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響如圖5所示。與圖4的含砂量影響趨勢類似，3種套管鋼的沖刷腐蝕速率均隨流速的增加而呈線性增加趨勢。一般來說，沖蝕過程中失重速率與流速符合w∝Vn關系[7]，n為速率指數，通常在0.8～12.0之間。本實驗條件下，高流速增加了套管鋼的機械沖刷損傷，流速越高，這種損傷越明顯。

圖5 流速對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.5沖擊角度的影響

圖6為沖擊角度對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響圖。由圖6可知，3種套管鋼敏感沖擊角度在30°左右，低于30°時，隨沖擊角度增加，沖刷腐蝕速率急劇增加，但3種材料沖刷腐蝕速率相關不大；高于30°時則呈現出降低的趨勢。這與文獻報道基本一致[8]，如：碳鋼在低攻角(15～30°)沖刷下表現出相似的噴射沖蝕性能，此時延展性越強的材料耐磨損性越高；而其在高攻角(從30～90°)時，由于破壞機制由壓痕機制變為犁削機制，對提高材料耐磨損性起重要作用的便是硬度。

圖6 沖擊角度對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.6壓裂液中KCl含量的影響

壓裂液中KCl含量對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響如圖7所示。隨KCl含量增加，沖刷腐蝕速率增加，這主要是由于KCl的存在加速了材料的腐蝕過程，進而增加了整個沖刷腐蝕速率。值得注意的是，KCl含量較高時，J55鋼的沖刷腐蝕速率增加幅度較大，這可能與J55鋼相對較低的耐蝕性有關。

圖7 KCl含量對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

3 沖刷腐蝕形貌

3種套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕3h后的表面形貌如圖8所示。

圖8 套管鋼沖刷腐蝕形貌

由圖8可知，3種套管鋼沖刷腐蝕后的表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主。可見，套管鋼在壓裂液中的沖刷腐蝕機制主要為壓痕機制。當高速砂粒撞擊材料表面后，砂粒對撞擊點材料產生壓應力，以撞擊點為圓心特定范圍內材料由于應力作用產生塑性變形，周圍產生隆起， 隨后的固體砂粒不斷撞擊鍛造這些隆起部位，直至斷裂造成材料的沖刷損失。3種套管鋼中由于J55硬度最低，壓痕較P110鋼和N80鋼更為明顯，因而沖刷腐蝕速率較高，沖刷較為嚴重。

4 結論

4.1硬度是決定套管鋼噴射沖刷腐蝕速率的主要因素。3種套管鋼中，J55鋼硬度低沖刷腐蝕速率最高，P110鋼居中，N80鋼硬度高沖刷腐蝕速率則最小。

4.2套管鋼噴射沖刷腐蝕速率隨沖刷時間、含砂量、流速和KCl含量的增加而增加，敏感沖擊角度為30°。含砂量和流速極大地增加了沖刷腐蝕過程中的機械沖刷作用，而KCl則增加了其中的腐蝕過程，均加劇了整個沖刷腐蝕過程。

4.3套管鋼噴射沖刷腐蝕后表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主，沖刷腐蝕機理主要為壓痕機制。

[1] 張旭昀.壓裂工況下工具材料及表面涂層沖刷磨損機理研究[D].大慶：東北石油大學，2013.

[2] 張書進.壓裂管柱內固液兩相流動特性及磨損機理研究[D].大慶：東北石油大學，2010.

[3] 王森.水平井噴砂器內流特性及磨損規律研究[D].大慶：東北石油大學，2012.

[4] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等. P110鋼在含Cl-介質中的沖刷與腐蝕行為研究[J].兵器材料科學與工程，2012，35(1)：1～5.

[5] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等.砂粒和氯離子對P110鋼沖刷與腐蝕性能的影響[J].化工機械，2012，39(4)：447～451.

[6] Zu J B，Hutchings I M，Burstein G T.Design of a Slurry Erosion Test Rig[J].Wear，1990，140(2)：331～344.

[7] Bjordal M，Bardal E，Rogne T，et al.Erosion and Corrosion Properties of WC Coatings and Duplex Stainless Steel in Sand-containing Synthetic Sea Water[J].Wear，1995，186/187(8)：508～514.

[8] 胡紅祥.核電站典型過流部件液滴沖蝕和流致振動的實驗研究與數值模擬[D].北京：中國科學院研究生院，2012.

Erosion-CorrosionBehaviorofCasingSteelinHydraulicFracturingFluid

SUN Li-li1, WANG Zun-ce1, SUN Zhen-xu2, WANG Yong1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;

2.EngineeringandTechnologyResearchInstitute,CNPCGreatwallDrillingCompany,Panjin124010,China)

Having commonly-used casing steel (P110, N80 and J55) in oilfields taken as the object of study, and the hydraulic fracturing fluid employed as the medium as well as the erosion-corrosion simulation platform adopted for the test, the effects of erosion time, sand content, velocity, impact angle and the KCl concentration on erosion-corrosion behaviors of the casing steel were analyzed to show that, the steel hardness affects erosion-corrosion of the casing steel; the N80 steel boasting of the highest hardness has the lowest erosion-corrosion rate, then comes the P110 steel and J55 steel in turn; the erosion-corrosion rate can increase with the erosion time, sand content, velocity and the KCl concentration; both sand content and velocity enlarges the mechanical erosion in erosion-corrosion process and the KCl there intensifies this process; the sensitive impact angle of casing steel stays at 30°. The morphology of the casing after erosion-corrosion mainly resembles the indentation accompanied with corners, and the indentation characterizes the mechanism of erosion corrosion process.

casing steel, hydraulic sandblasting, fracture, erosion-corrosion

*國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH28F03)，國家火炬計劃(2013GH530190)，黑龍江省自然科學基金項目(QC2013C056)，黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541079)。

**孫麗麗，女，1982年3月生，博士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ050.9+1

A

0254-6094(2015)02-0176-05

2014-09-10)