含Cr鋼油井套管CO2耐蝕性能研究*

閆亞麗

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065）

0 前 言

石油套管主要是用于鉆井過程中和完井后支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程進行和完井后整個油井的正常運行。套管在石油工業中不僅用量大，投資大，更重要的是其質量、性能與石油工業的發展關系密切。套管服役環境惡劣，其通常要承受幾百甚至上千個大氣壓的內壓和外壓，幾百噸的拉伸載荷，還有高溫及嚴酷的腐蝕介質的作用，套管的壽命直接決定油井的壽命[1-7]，因此，油井套管的選材非常重要。

一般情況而言，油井套管選材應遵循兩方面的要求，首先要考慮材料自身的特性，其次應全面分析油套管的服役環境。通過預測及評估可能出現的腐蝕類型，綜合考慮各方面因素選擇合適的耐蝕材質。要從根本上提高金屬的防腐蝕性能，主要是通過加入少量的合金元素來增加碳鋼和低合金鋼的抗腐蝕性能，在這方面目前已經有了大量的研究[8-10]。鉻 （Cr）是常用來添加到鋼中以增加其耐腐蝕性能的合金元素。CO2腐蝕與材料的含Cr 量、油氣中的CO2分壓以及溫度密切相關。Cr 是耐CO2腐蝕最有效的元素，它能迅速在金屬表而形成致密而極薄的Cr2O3鈍化膜，隨著Cr 含量的增加，耐CO2腐蝕效果增強[11-13]。因此，研究含Cr 鋼的耐蝕性能對油套管的選材具有一定的理論指導意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選 取 J55、3Cr、5Cr、9Cr、13Cr油套管用鋼。腐蝕速率測試試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm。各材料的化學成分見表1。

表1 試驗材料的主要化學成分

1.2 試驗方法

表2為腐蝕速率測試的試驗條件，為某油田實際工況條件。試驗前，將試樣分別用320#、600#、800#、1200#砂紙逐級打磨，以消除機加工的刀痕，再將試樣用無水乙醇清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱重。試驗裝置選用TFCZ-35/250 型磁力驅動反應釜，試驗前先通入高純氮氣除氧2 h，然后升溫升壓至表2設計要求，試驗時間為72 h。

表2 腐蝕速率測試試驗條件

用失重法計算均勻腐蝕速率，見公式 （1）

式中：Δm——樣品腐蝕前后失重，g；

S——試樣面積，cm2；

t——試驗時間，h；

ρ——材料密度，g/cm3。

2 試驗結果及分析

表3為高溫高壓室內模擬試驗結果。由表3可知，相對于J55 鋼，含Cr 的合金鋼腐蝕速率明顯降低，且隨著Cr 含量增大，腐蝕速率降低程度增大。參照NACE SP 0775—2013 標準 （表4）規定的極嚴重腐蝕程度 （0.25 mm/a），J55 鋼的均勻腐蝕速率均大于0.25 mm/a，屬于極嚴重腐蝕；3C、5Cr 和 9Cr 鋼屬于中度腐蝕，而 13Cr鋼屬于輕度腐蝕。其中，3Cr 鋼的抗CO2腐蝕性能比J55 鋼提高3 倍以上。

表3 不同材質油套管用鋼的均勻腐蝕速率

表4 NACE SP 0775—2013 標準對腐蝕程度的規定

圖1、圖2為不同材質油套管鋼清洗前試樣表面宏觀形貌和用JSM-5800 型掃描電鏡觀察到的微觀形貌。

由圖1、圖2可見，試樣表面均以均勻腐蝕為主，表面無明顯局部腐蝕，J55 鋼試樣表面腐蝕嚴重，表面覆蓋的腐蝕產物層疏松，而Cr 鋼試樣表面狀況明顯改善，Cr 含量增加，均勻腐蝕相對輕微，并且隨著Cr 含量的增加，試樣表面腐蝕產物越來越致密。圖3為不同材質油套管用鋼試樣橫截面掃描電鏡形貌。由圖3可知，J55 鋼腐蝕產物膜很致密，但外層沉積膜脫落比較嚴重，并且產物膜上出現空洞，這極有可能成為產生局部腐蝕的誘因，從圖3可以清楚地看出J55 鋼出現很嚴重的局部腐蝕，盡管 3Cr、5Cr、9Cr、13Cr 鋼外層沉積膜不是很致密，但是內層腐蝕產物膜保持完好，能夠對金屬基體提供良好的保護作用，使其均勻腐蝕速率遠小于J55 鋼，并且局部腐蝕很輕微。至于膜中出現的裂紋是由于從釜中取出后膜脫水造成的。觀察結果與前述的腐蝕速率計算結果相對應。

圖1 不同材質油套管鋼清洗前試樣表面宏觀形貌

圖2 不同材質油套管鋼SEM 微觀腐蝕形貌

圖3 不同材質油套管鋼試樣橫截面SEM 微觀腐蝕形貌

圖4 模擬腐蝕環境中試樣表面腐蝕產物EDS 分析位置

圖4為模擬腐蝕環境中4 種含Cr 鋼材料的腐蝕產物EDS 分析位置，分析結果見表5～表8。圖5～圖8是這 4 種材料腐蝕產物的 X 射線衍射分析結果。從能譜分析結果可以看出，Cr鋼表面腐蝕產物膜都出現不同程度的Cr 的富集現象，尤其13Cr 最為明顯，w（Cr）高達 49.85%，遠大于基體Cr 的名義含量。4 種材料的表面腐蝕產物都是 FeCO3及 CaMg（CO3）2，同樣在 X 射線衍射圖譜上，也出現了Fe 峰，表現出部分基體的信息。由于 Cr 的腐蝕產物主要為Cr（OH）3[14-15]，它是非晶態的，在 XRD 中并沒有表現出來；而腐蝕產物CaMg（CO3）2的出現是由于腐蝕介質中鎂離子置換了部分鈣離子，從而形成了鈣鎂的復鹽。

表5 3Cr 鋼腐蝕產物EDS 分析結果

表6 5Cr 鋼腐蝕產物EDS 分析結果

表7 9Cr 鋼腐蝕產物EDS 分析結果

圖5 3Cr 鋼表面腐蝕產物XRD 分析結果

表8 13Cr 鋼腐蝕產物EDS 分析結果

綜上所述，在含CO2的油井環境中，4種含鉻油套管用鋼耐腐蝕性明顯強于J55鋼，生成的鈍化膜能有效的保護金屬基體，其中3Cr鋼的抗CO2腐蝕性能比J55鋼高3倍以上，使用壽命也會被延長5～6倍。J55鋼的單價為0.4萬元/t，3Cr鋼的單價為0.7萬元/t，僅為J55鋼的1.75倍；5Cr、9Cr和13Cr鋼的價格是J55鋼的3倍～5倍，不適用于低產油井。綜上所述，3Cr鋼可以作為含CO2油井經濟型耐蝕套管材質。

圖6 5Cr 鋼表面腐蝕產物XRD 分析結果

圖7 9Cr 鋼表面腐蝕產物XRD 分析結果

圖8 13Cr 鋼表面腐蝕產物XRD 分析結果

3 結 論

（1）在模擬 CO2腐蝕環境中，相對于 J55鋼，含Cr 的合金鋼腐蝕速率較低，且隨著Cr 含量的增大，腐蝕速率降低程度增大，其中3Cr 鋼的抗CO2腐蝕能力比J55 鋼高3 倍左右。

（2）J55 鋼試樣表面腐蝕嚴重，表面覆蓋的腐蝕產物層疏松，而Cr 鋼試樣表面狀況明顯改善，并且隨著Cr 含量的增加，試樣表面腐蝕產物越來越致密，Cr 鋼表面腐蝕產物膜表面Cr的富集程度增加。

（3）對于含 CO2油套管鋼的選材，若要求經濟且腐蝕性能較好，綜合考慮3Cr 鋼可以作為含CO2油井經濟型耐蝕套管材質。