哈法亞油田注水井管材腐蝕規律研究

崔明月，王青華，溫寧華，李大朋，鄒春梅，李慧心，張雷

（1.中國石油勘探開發研究院工程技術中心，北京，100083；2.安科工程技術研究院（北京）有限公司，北京，100083；3.新材料技術研究院，北京科技大學，北京，100083）

哈法亞油田的主力油藏采用注水開發，在注水先導試驗過程中發現注水井油管在一年內發生腐蝕穿孔問題，給現場生產帶來了較大的影響。在注水井注水過程中，注水水質復雜、環境多變，造成注水井腐蝕和結垢較為嚴重。失效分析表明，造成井下管柱腐蝕結垢的機理主要是電化學腐蝕、微生物腐蝕、溶解氣腐蝕和垢下腐蝕的協同作用[1-7]。影響井筒腐蝕和結垢的因素也較多，如注入水的水質成分、氣體成分以及溫度、壓力、pH、溶解氧、硫化氫、CO2和SRB（Sulfate Reducing Bacteria，硫酸鹽還原菌）等[8-12]。文中主要研究溫度、壓力和pH對注水井油管材L80鋼腐蝕過程的影響，為井筒選材和防腐工作提供一定的技術支持。

1 實驗材料與方法

實驗材料為井下管材L80鋼，將其加工成50 mm ×13 mm×3 mm的掛片試樣，實驗前用砂紙將試樣打磨至 800#，并進行清洗、除油、冷風吹干后稱量和尺寸測量，放置干燥器中待用。

實驗介質模擬現場注水水樣，按現場注水比例1∶1∶1進行配置，見表1，通過HCl調節溶液pH。

表1 實驗介質組成 mg/L

利用動態高壓釜進行腐蝕模擬實驗。試驗前通過除氧儀對模擬介質進行除氧，并向釜中通入氮氣除氧。實驗開始時，向釜中放入已處理好的掛片試樣，再加入除氧的模擬介質，加蓋密封后通入配置好的氮氧混合氣體，以模擬注水中的溶解氧，升溫加壓到試驗預定的溫度和壓力后開始計時。試驗中設定流體流速為2.5 m/s，實驗周期均為168 h。試驗結束后，用去膜液對試樣進行去膜、清洗、干燥和稱量，用失重法計算腐蝕速率。

利用JSM-5800型電子掃描顯微鏡觀察腐蝕試樣表面和截面的腐蝕形貌，并利用片狀腐蝕試樣對表面的腐蝕產物進行XRD分析。

2 結果與分析討論

2.1 溫度的影響

L80鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化情況如圖1所示。可以看出，隨著實驗溫度的升高，L80鋼的腐蝕速率增大，在試驗溫度范圍內，其腐蝕程度均屬于嚴重腐蝕[13]。

圖2為試樣表面微觀形貌。由圖2可見，隨著實驗溫度的升高，基體表面腐蝕產物越來越疏松，致密性變差，對基體的保護能力減弱，腐蝕越來越嚴重。其原因在于試樣表面腐蝕產物的不均勻性導致局部腐蝕的發生。圖3為L80鋼的腐蝕產物XRD圖譜，由圖譜可以看出，腐蝕產物主要為鐵的氧化物和CaCO3結垢。

圖4為去膜后試樣表面的宏觀形貌。由圖4可見，在40 ℃和60 ℃時，試樣表面腐蝕相對均勻，即主要發生全面腐蝕。在80 ℃和120 ℃時，試樣表面部分區域的腐蝕相對較為嚴重，呈現出有點不均勻性，表明有輕微的局部腐蝕。

2.2 壓力的影響

圖 5為 L80鋼在不同壓力下的腐蝕速率變化情況。由圖5可以看出，隨著總壓的升高，試樣的腐蝕速率明顯增大。各壓力下試樣的腐蝕速率均大于0.245 mm/a，屬于嚴重腐蝕。

圖6為不同壓力下試樣去膜前后的腐蝕形貌。可以看出，去膜前試樣表層為疏松的磚紅色產物，內層為黑色腐蝕產物。去膜后的試樣，4 MPa時，試樣表面腐蝕較均勻，腐蝕形態為全面腐蝕；20 MPa和35 MPa時，試樣表面腐蝕不均勻，局部區域腐蝕明顯嚴重，可觀察到較大較深腐蝕坑，腐蝕形態為局部腐蝕。對試樣表面腐蝕產物進行XRD分析，其主要組成為鐵氧化物Fe3O4/Fe2O3，同時伴有結垢的CaCO3成分。根據亨利定律可知，總壓升高，氧氣在溶液中的溶解度升高，去極化作用增強，腐蝕速率升高，產物不均勻分布形成了氧濃差電池，加劇了局部腐蝕的發生。

2.3 pH的影響

圖7為不同pH下注水井管材的腐蝕速率變化情況。由圖7可見，隨著pH的降低，L80鋼的腐蝕速率增大。這是因為當pH減小時，腐蝕介質中氫離子含量增加，氫的去極化作用增強，而氧去極化作用減弱。這時腐蝕反應由原來的氧擴散控制逐漸轉化為電化學活化控制，腐蝕過程的阻力減小，腐蝕反應速率

急劇增加，導致材料的腐蝕程度加劇。低的pH值且含氧條件下，碳鋼表面是氫的去極化和氧的去極化反應同時進行，碳鋼表面進行的是酸的作用過程。如圖8所示，試樣表面腐蝕均勻，腐蝕形態為全面腐蝕。

3 結論

通過在不同溫度、不同壓力和不同pH的注水條件下對井身材料L80腐蝕規律的試驗研究，得出以下結論。

1）隨著溫度的升高，L80鋼的腐蝕速率越來越大，腐蝕產物致密性變差，CaCO3結垢增多。L80鋼主要發生全面腐蝕，當實驗溫度高于80 ℃時，試樣表面出現輕微局部腐蝕。

2）隨著壓力的升高，腐蝕速率越來越大，當壓力為20 MPa時，L80鋼的腐蝕速率達到1.68 mm/a，局部腐蝕明顯。腐蝕產物主要為鐵氧化物 Fe3O4/Fe2O3，同時伴有結垢現象。

3）隨著pH升高，L80鋼的腐蝕速率逐漸降低。

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