抽油桿材料在含CO2高溫高壓環境中的腐蝕規律研究

齊光峰 李 風 張 瑾 時 憲

（1. 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000；2. 中國石油化工股份有限公司勝利油田檢測評價研究有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

抽油桿是有桿泵采油的關鍵連接、承載工具，其安全可靠是油井高效、長壽運行的基本保障之一[1-3]。然而，隨著油田開發到了高含水期，抽油桿腐蝕疲勞斷裂（如圖1所示）成為制約油井免修期的主要問題。有研究表明，鋼材腐蝕與工作介質類型、礦化度（各種電解離子）、溫度、流速、細菌以及CO2、H2S等侵蝕性氣體含量（或溶解度）有關[4,5]。本文針對不同抽油桿材料，開展了不同礦化度（CL等電解質含量）、溫度、CO2分壓下的模擬腐蝕試驗研究，為抽油桿選材、防腐技術改進提供研究基礎。

圖1 腐蝕疲勞斷口形貌

1 試驗方法和步驟

1.1 試驗材料

收集常用7種材質成品抽油桿作為試驗對象。各種材質化學成分如表1所示。

表1 抽油桿及接箍化學成份（%）

1.2 試驗介質及條件

根據油田采出介質組分分析統計，確定試驗介質和試驗條件，如表2所示。腐蝕試驗按照三因素、三水平設計正交試驗。以分析純NaCl、CaCl2和NaHCO3配置模擬介質，HCl酸調節pH值。

表2 試驗介質和條件

1.3 試樣制備及試驗內容

將成品抽油桿制成35×15×3mm的標準試片，經金相砂紙逐級打磨拋光后，以95%分析純乙醇清洗、干燥、稱重后，至于干燥器中備用。試樣測試內容如下：

（1）高溫高壓腐蝕試驗

將試樣安裝在高溫高壓釜內，加入試驗溶液，密封后通人高純氮氣除氧6h以上，升溫至試驗溫度，按預定分壓通入高純CO2，并加壓水壓至10MPa總壓開始計時。試驗結束后，將試樣以乙醇沖洗、干燥待用，每種材料進行2平行試驗；

（2）微觀分析和能譜分析

將沖洗、干燥試樣在掃描電子顯微鏡（SEM）下掃描微觀形貌，EDX能譜儀掃描腐蝕產物；

（3）腐蝕率分析

將完成微觀分析和能譜分析否的試樣以酸洗液清除腐蝕產物、干燥后，用分析天平稱重后，計算腐蝕速率。

2 實驗結果與討論

2.1 腐蝕形貌及產物

掃描電鏡觀察可見，低CO2分壓（≤0.02MPa）下，腐蝕產物細密、輕薄，呈均勻腐蝕特征；高CO2分壓、中溫時，腐蝕產物粒度較大、堆積厚度大，呈局部腐蝕特征；高CO2分壓、高溫時，腐蝕產物粒度大、附著稀松，介于均勻腐蝕和局部腐蝕之間。這與前人研究結論一致，腐蝕形貌如圖2所示。

圖2 腐蝕形貌

EDS能譜線掃描結果如圖3所示。含CO2時表層腐蝕產物主要成分時FeCO3，次表層含有深入的Ca、Cl等離子。

圖3 EDS線掃描結果（Fe-綠色；C-紅色；O-黃色）

2.2 腐蝕規律

（1）溫度對抽油桿材料腐蝕的影響

當試驗介質CO2分壓為0MPa時，試驗結果如圖4所示；

圖4 CO2分壓為0MPa時的腐蝕速率

由圖4可見，在30～90℃范圍內、礦化度60000mg/L、介質CO2分壓為0MPa時，所有試驗材料的腐蝕速率均隨溫度的升高而增大。其中，常用材料20CrMoA的腐蝕速率和變化率均最小，KD（3130）次之，而含碳量高的AI4138HS、4142等材料普遍腐蝕率高，多鉻合金Cr9材料幾乎不腐蝕，腐蝕速率最大的AI4138HS材料的腐蝕速率也僅為0.25mm/a，根據中國腐蝕與防護學會出版的《金屬防腐蝕手冊》，均屬于尚耐腐（6級：0.1～0.5mm/a）級別。可見，在CO2分壓極低時，應選用成本低的常用材料20CrMoA作為抽油桿材料。

上述變化規律表明，礦化水中，無侵蝕性氣體作用時，材料腐蝕受到溫度控制。當溫度提高時，電解質離子活度提高，腐蝕率上升，需要在高溫區采取適當措施控制腐蝕；

（2）CO2分壓對抽油桿材料腐蝕的影響

當試驗介質CO2分壓為0.3MPa以上時，試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 在用材料CO2分壓為0.3MPa時的腐蝕速率

圖6 在用材料CO2分壓為1.0MPa時的腐蝕速率

在30～90℃范圍內，當試驗介質CO2分壓為0.3Mpa、1.0MPa時，腐蝕速率普遍在低溫區（60℃以下）均持續較高，并高于0.6mm/y，而高溫區（60℃以上）降低趨勢明顯，這與腐蝕產物分析結果相一致，高溫區腐蝕產物疏松、易脫落，趨于均勻腐蝕，腐蝕率相對較低。但是，含CO2時，在用各種材料的腐蝕率均較高，各溫度下均達到《金屬防腐蝕手冊》欠耐腐（8級：1.0～5.0mm/a）級別，即上述材料不適用于試驗工況條件。而新材料OOCr9合金鋼，在所有模擬條件下的腐蝕率均小于0.05mm/a，屬于耐腐（4級：0.01～0.05mm/a）級別，是可以優先選用的材料。

3 結語

目前，油田采出液含CO2含量一般在5%～10%之間，換算油井分壓約為0.05～2MPa之間。根據室內試驗結果，在用抽油桿材質均不具備耐腐蝕能力，在長期交變載荷作用下，必然發生腐蝕疲勞失效。而新材料00Cr合金鋼具有優異的耐蝕性能，因此，應該優先選用，另外采取緩蝕劑批處理、定期投加等模式或在用材料表面防腐處理等措施也是可選方案，但是各類技術的選用應通過防腐效果的試驗評價和優選。

根據本文的研究，含CO2礦化水介質對在用抽油桿材料腐蝕嚴重，且最高腐蝕率出現在中溫區（60℃左右），在用材料不能滿足油井交變載荷下長期生產需要，建議推廣使用新材料00Cr合金鋼抽油桿，或試驗優選緩釋、表面防腐處理新技術，實現油井生產安全、長效。