超級13Cr油管在不同完井液中的應力腐蝕開裂 敏感性

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(1. 中國石油塔里木油田公司，庫爾勒 841000； 2. 北京科技大學，北京 100083)

近年來，隨著油氣田開采的地層深度越來越深，井下管材所處的腐蝕環境也越來越苛刻，井下的溫度和壓力也越來越高，普通的13Cr鋼在超高溫、超高Cl-、超高CO2的“三超”油氣井環境中頻頻發生失效事故，為了保證安全與高效的生產，需要使用耐蝕性更好的材料。雙相不銹鋼和低合金鋼的成本較高，而超級13Cr鋼在原有13Cr鋼的基礎上通過降低C含量并添加合金元素Mo、Ni等顯著提高了其耐蝕性，故在油氣田開采中得到了廣泛的應用[1-3]。

盡管不銹鋼的應用大大降低了材料的全面腐蝕速率，但它仍存在點蝕和開裂的風險，尤其是在高溫環境中，有關其在高鹽或完井液環境中的點蝕或應力腐蝕開裂(SCC)的失效報道較為常見，對油氣生產造成了嚴重的損失[4-5]。在高溫高壓油氣井中，為了經濟有效地開發稠油油藏，越來越多的油氣田選擇使用磷酸鹽完井液[6]。但在實際應用中，油井管仍然會因磷酸鹽完井液的配比、濃度、使用溫度和pH等因素發生不同程度的腐蝕與失效[7-9]。隨著溫度的升高，多種完井液對油井管的腐蝕性會有所增加。為了明確超級13Cr油管鋼在較高溫度的井下工況與不同種類的磷酸鹽完井液共同作用下的SCC敏感性，為日后針對不同井深油氣井的有機完井液選擇提供幫助，本工作選擇油氣田三種常用的磷酸鹽完井液，采用慢應變速率試驗(SSRT)，結合掃描電子顯微鏡(SEM)研究了超級13Cr不銹鋼油管在三種磷酸鹽完井液中的SCC敏感性。

1 試驗

試驗用超級13Cr不銹鋼油管取自于油田現場，其化學成分測試結果見表1，金相組織見圖1。超級13Cr不銹鋼油管在常溫下的抗拉強度為921.5 MPa，屈服強度為846.4 MPa，斷后伸長率為19.5%，其力學性能符合API-5CT中的要求。

表1 超級13Cr不銹鋼的化學成分Tab. 1 Chemical composition of the super 13Cr stainless steel %

圖1 超級13Cr不銹鋼的金相組織Fig. 1 Metallographic structure of the super 13Cr stainless steel

SSRT試樣選用工作段標距長25.5 mm、直徑5 mm的棒狀試樣。試驗前，用砂紙(60～800號)將試樣表面逐級打磨，去離子水沖洗，丙酮除油，冷風吹干后待用。由于非標距區表面打磨較困難，為了防止試樣表面不同粗糙度帶來的影響，用氯丁橡膠封裝非工作段表面。試樣溶液為120 ℃，含1.5 g/L的1號(或2號/3號磷酸鹽)磷酸鹽的有機完井液，溶液通過分析純氮氣進行除氧，當溶液中溶解氧含量降至10 μg/L后對溶液進行升溫。為了消除不同完井液在120 ℃下蒸汽壓差異的影響，所有體系使用氮氣加壓至1.5 MPa。將試樣安裝在慢拉伸機固定夾頭上，然后施加約150 N的預加載荷以消除減速齒輪、夾具等的間隙。用記錄儀記錄試樣的斷裂過程,應變速率為2.54×10-5s-1。

試樣在敏感環境中的SSRT結果通常與其在不發生SCC的惰性介質(如油或者空氣)中的試驗結果進行比較，以兩者在相同應變速率下的試驗結果的相對值表征應力腐蝕開裂的敏感性。主要有以下幾個評價指標：

(3)

式中：δair和δcorr分別是試樣在未腐蝕(空氣室溫)和腐蝕條件下的延伸率，φair和φcorr分別是試樣在未腐蝕和腐蝕條件下的斷面收縮率，Tair和Tcorr分別是試樣在未腐蝕和腐蝕條件下的斷裂時間。Iδ和Iφ越大，表明材料的應力腐蝕開裂傾向性越大，應力腐蝕越嚴重；相反TFR指數越小，表明介質對材料破壞性越大，材料發生應力腐蝕的概率越大。

2 結果與討論

由圖2可見：試樣在三種磷酸鹽完井液中的屈服強度與在空氣中的區別不大，而其抗拉強度卻有不同程度的下降。在1號磷酸鹽完井液中，試樣的抗拉強度對應的應變量與在空氣中的試樣相同，而在2號和3號磷酸鹽完井液中，試樣的抗拉強度對應的應變量減小。這表明，試樣在1號磷酸鹽完井液中具有較高的抗拉強度，最大應變量較高，而在2號磷酸鹽完井液中的抗拉強度明顯下降，最大應變量減小2%，在3號磷酸鹽完井液中，試樣的最大應變量最低，應變量小于19%。

圖2 120 ℃下，試樣在空氣和3種磷酸鹽完井液中的 SSRT曲線Fig. 2 SSRT curves of samples in air and 3 kinds of phosphate completion fluid at 120 ℃

由圖3可見：試樣在3種磷酸鹽完井液中的徑縮小于空拉試樣的，說明在3種磷酸鹽完井液中，試樣的耐蝕性有所下降。相比空拉對照試樣，在3種磷酸鹽完井液中的試樣的表面生成了一層腐蝕產物。其中，在1號磷酸鹽完井液中的試樣表面仍呈現明顯的金屬光澤，表面腐蝕較輕;在2號磷酸鹽完井液中試樣的表面覆蓋的腐蝕產物較厚，試樣仍保留一定的金屬光澤;在3號磷酸鹽完井液中試樣表面的腐蝕產物最為明顯，呈現黑色并具有一定金屬光澤。

(a) 空氣

(b) 1號完井液

(c) 2號完井液

(d) 3號完井液圖3 120 ℃下，試樣在空氣和3種磷酸鹽完井液中 經SSRT后的宏觀形貌Fig. 3 Macro morphology of samples after SSRT in air (a) and 3 kinds of phosphate completion fluid (b,c,d) at 120 ℃

已有研究表明，SSRT試樣的斷裂源于表面點蝕的形核與發展，其發展程度可以表征材料的SCC敏感性[10-12]。超級13Cr馬氏體不銹鋼的SCC敏感性可以通過應力腐蝕開裂敏感系數ISCC(Iδ和Iφ)和TFR來評定。用應力腐蝕開裂敏感系數ISCC(Iδ和Iφ)衡量應力腐蝕開裂敏感性的一般判據為：當ISCC>35%時，研究體系具有明顯的SCC傾向；當25%90%時，材料沒有SCC傾向；TFR<50%時，SCC傾向性明顯[15-16]。

由圖4和可見：若采用TFR來表征試樣在三種磷酸鹽完井液中的SCC傾向，則試樣在3種磷酸鹽完井液中均呈現出一定的SCC傾向，3種磷酸鹽完井液的SCC敏感性由弱到強依次為:1號磷酸鹽完井液<2號磷酸鹽完井液<3號磷酸鹽完井液。由圖5也可見：試樣在1號磷酸鹽完井液中的SCC敏感性最低，兩參數均處于安全區；而在2號磷酸鹽完井液中，試樣的SCC敏感性小范圍增加，仍處于安全范圍；在3號磷酸鹽完井液中，盡管以斷面收縮率的減小量衡量的SCC敏感性指數仍處于安全區，以延伸率的損失量衡量的SCC敏感性指數卻較高。由此也可以看出，由于斷面收縮率的變化相對較小，以此為基礎判定的SCC敏感值相對較小；而試樣在不同介質中延伸率的變化相對較大，以此判定的SCC敏感值區別較大。為了避免材料發生斷裂失效，應綜合三個SCC敏感性參數，保守估計材料的SCC敏感性。

圖4 120 ℃下，試樣在3種磷酸鹽完井液中的TFRFig. 4 The TFR of the samples in three phosphate completion fluids at 120 ℃

由圖6可見：在空氣中拉伸的試樣斷口由纖維區F，放射區R和剪切唇S組成。在纖維區F，裂紋擴展較慢，當裂紋C達到臨界尺寸C0時就會快速擴展進入放射區R，放射區是在裂紋快速擴展過程中低能撕裂形成的，相較于纖維區紋理粗糙且有起伏，并且在斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇S區。剪切唇區表面光滑，呈現典型的切斷型斷裂，是一種平面應力狀態下的快速不穩定斷裂，因此不受腐蝕介質的影響。在不同磷酸鹽完井液中，試樣斷口的纖維區F相比空拉斷口的均有減小，說明裂紋的臨界尺寸C0降低。其中，試樣在3種磷酸鹽完井液中的斷口F區的面積由大到小依次為:1號磷酸鹽完井液>2號磷酸鹽完井液>3號磷酸鹽完井液，即試樣在1號磷酸鹽完井液中的裂紋的臨界尺寸最大，2號磷酸鹽完井液中的裂紋的臨界尺寸次之，3號磷酸鹽完井液中的裂紋的臨界尺寸最小。

(a) Iδ

(b) Iφ圖5 120 ℃下，試樣在3種磷酸鹽完井液中的ISCCFig. 5 The ISCC of the samples in three phosphate completion fluids at 120 ℃

(a) 空氣 (b) 1號完井液

(c) 2號完井液 (d) 3號完井液圖6 120 ℃下，試樣在空氣和3種磷酸鹽完井液中 經SSRT后的斷口宏觀形貌Fig. 6 Macro morphology of the fracture of samples after SSRT in air (a) and 3 kinds of phosphate completion fluid (b,c,d) at 120 ℃

由圖7可見：空拉斷口的中央可以觀察到大量的大小不均的韌窩，韌窩的邊緣存在撕裂區和微觀聚集的孔洞，說明材料本身具有一定的脆性。在1號磷酸鹽完井液中的斷口的中央仍然存在明顯的韌窩和微觀孔洞，但數量相較空拉試樣的有所減少，材料的韌性下降；在2號磷酸鹽完井液中，斷口中央撕裂棱明顯，韌窩的均一性下降，只存在少量孔洞，材料的韌性進一步下降；在3號磷酸鹽完井液中，斷口中央韌窩的邊緣呈現撕裂棱與片層并存的特征，材料呈現脆性特征。斷口邊緣受到腐蝕影響區域的微觀形貌如圖8所示，超級13Cr的斷口邊緣均呈現為與撕裂方向相同的拉長韌窩，并且紋路較空拉變淺。試樣在3種磷酸鹽完井液中的脆性由弱到強依次為:1號磷酸鹽完井液<2號磷酸鹽完井液<3號磷酸鹽完井液。

(a) 空氣 (b) 1號完井液

(c) 2號完井液 (d) 3號完井液圖7 120 ℃下，試樣在空氣和3種磷酸鹽完井液中 經SSRT后的斷口F區形貌Fig. 7 Morphology of fractured F-zone of samples after SSRT in air (a) and 3 kinds of phosphate completion fluids (b,c,d) at 120 ℃

試樣在不同磷酸鹽完井液中的SCC敏感性存在明顯差異，且材料表面氧含量的增加和Fe、Cr含量的降低在一定程度上反映了材料的腐蝕程度，對表面腐蝕產物分別進行能譜分析，結果如圖9所示。在1號磷酸鹽完井液中，試樣表面的Fe和Cr的原子的量較高，而O原子的量比較低，即試樣在此環境中生成的腐蝕產物較少，不易發生點蝕或鈍化膜的破裂，因此相對具有較好的抗SCC能力；而在2號磷酸鹽完井液中，試樣表面Fe、Cr原子的含量明顯下降，而O原子的量明顯上升，即試樣在此環境中生成了一定的腐蝕產物，說明其在高溫環境中的陽極溶解過程加劇，導致SCC敏感性增加；在3號磷酸鹽完井液中，試樣表面Fe、Cr原子的量是最低，而O原子的量最高，試樣表面由于陽極溶解生成明顯的腐蝕產物，并且該腐蝕產物較疏松，不能在高溫環境中有效地抑制陽極溶解過程繼續進行，促進了鈍化膜的破裂，導致其具有較高的SCC敏感性。因此超級13Cr不銹鋼在3種磷酸鹽完井液中的腐蝕程度由弱到強依次為：1號磷酸鹽完井液<2號磷酸鹽完井液<3號磷酸鹽完井液。

(a) 空氣 (b) 1號完井液

(c) 2號完井液 (d) 3號完井液圖8 120 ℃下，試樣在空氣和3種磷酸鹽完井液中 經SSRT后的斷口邊緣微觀形貌Fig. 8 Micro morphology of the fracture edge of samples after SSRT in air (a) and 3 kinds of phosphate completion fluids (b,c,d) at 120 ℃

在高溫磷酸鹽環境中，裂紋的發生發展是以裂紋尖端金屬的溶解為基礎的，金屬的溶解速率越快，相應裂紋的生長速率也越快，呈現出典型的陽極溶解型SCC。研究表明[17-18]，能夠發生應力腐蝕開裂的金屬大多在介質中能形成一層表面保護膜。對于超級13Cr馬氏體不銹鋼，其表面的自鈍化膜充當這一保護膜的角色，它在熱力學上是穩定的。但在高溫磷酸鹽環境中，應力和電化學腐蝕之間存在力學-化學交互作用[19-21]。一方面，應力的存在可以在一定程度上促進陽極的活性溶解，在滑移面等缺陷處容易發生局部腐蝕；另一方面，由于陽極溶解的發生導致位錯移動，使局部塑性變形增強，并且形成位錯塞積群，使局部應力增強，從而提高了材料的力學化學效應[22-23]。

3 結論

(1) 超級13Cr不銹鋼油管在120 ℃，3種磷酸鹽完井液中均存在一定程度的SCC敏感性，其在3號完井液環境中的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂時間均低于在1號和2號磷酸鹽完井液中的，試樣在3種磷酸鹽完井液中的應力腐蝕開裂敏感性順序為由弱到強依次為:1號磷酸鹽完井液<2號磷酸鹽完井液<3號磷酸鹽完井液。超級13Cr不銹鋼在腐蝕性較低的有機完井液中仍然存在一定的差異，因此在對完井液進行篩選時應兼顧材料在完井液中的SCC敏感性。

(2) 超級13Cr不銹鋼在高溫磷酸鹽完井液環境中的應力腐蝕開裂機制為陽極溶解型開裂，在相同載荷狀態下，超級13Cr不銹鋼在試驗環境中的應力腐蝕開裂敏感性與材料表面的腐蝕行為呈正相關關系。