碳鋼在油水混相介質中的CO2/H2S腐蝕行為

高 強,邱小慶,艾俊哲,梅 平

(1． 長江大學化學與環境工程學院,荊州 434023; 2． 中石化華北分公司工程技術研究院,鄭州 450006)

隨著油氣鉆采技術的進步,具有高含CO2與H2S的陸上深井、超深井和深海油氣井不斷被開發[1-5]。在復雜的井下環境中,井下液體與腐蝕性氣體形成了復雜的混相體系,極易使油套管及設備發生嚴重的腐蝕、穿孔、斷裂,降低其使用壽命,極大地影響了油氣田的安全生產,造成巨大的經濟損失和環境破壞[6-9]。在酸性油氣田腐蝕研究中,CO2單獨存在時的研究較為深入,國內外對于CO2腐蝕及防護的研究成果較多,形成了成熟的腐蝕防護體系[10-13]。雖然單獨的H2S腐蝕在油氣田中較為少見,但相關研究及防護措施卻相對較多;隨著油氣資源的需求不斷增加,同時含有CO2和H2S的油氣井被逐步開發[14-16]。高含CO2和H2S的油氣田具有極大的開發難度,二者共存條件下的腐蝕規律及機理非常復雜,且相關研究較少[17-19]。因此,研究油氣田工況條件下,CO2、H2S腐蝕規律和機理,可為苛刻條件下的腐蝕研究提供參考及數據積累,也可為專業緩蝕劑的研究提供指導。

筆者采用電化學測試技術(極化曲線和電化學阻抗)、X射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)等,研究了在3% NaCl鹽水-5%凝析油體系中,油套管鋼(N80)在不同CO2、H2S分壓比[20](θ=PCO2/PH2S)條件下的腐蝕行為。

1 試驗

1.1 試樣及試劑

試驗材料為油套管常用N80鋼,化學成分見表1;試驗所用藥劑有NaCl、凝析油、無水乙醇、丙酮、環氧樹脂,均為分析純級。

表1 N80鋼的化學成分Tab. 1 Chemical composition of N80 steel %

電化學測試用試樣為圓柱形,工作面積為1 cm2,非工作面用環氧樹脂封涂,室溫固化24 h;工作面使用金相砂紙(600～2000號)逐級打磨,并以蒸餾水清洗、丙酮脫脂、無水乙醇除水后,放入干燥器中待用。

1.2 試驗

1.2.1 電化學試驗

采用上海晨華CHI660C電化學工作站對N80鋼在不同CO2、H2S濃度條件下進行了極化曲線和電化學阻抗測試。使用三電極體系,以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極為輔助電極。在50 ℃下,采用動電位掃描進行N80鋼電極在溶液中的極化曲線測試,掃描電位為-0.2～+0.2 V(相對開路電位),掃描速率為0.5 mV·s-1。電化學阻抗的測試頻率5 mHz～10 kHz,測試溫度50 ℃。

電化學測試裝置見圖1,在密閉的電解池中裝入試驗溶液,即含5%(質量分數,下同)凝析油的3% NaCl水溶液,試驗全程開啟攪拌,使油水均勻互混。封閉電解池后,向電解池中充入一定量H2S,再充入CO2,充入N2維持適量總壓,計算得出二者分壓比。試驗結束后,裝置尾氣經堿液吸收,再向電解池中充入N2,使裝置內剩余氣體輸送至盛有堿液的容器中,與殘余H2S氣體完全反應。試驗裝置全程置于抽風系統中,人員配戴防毒面罩。

圖1 電化學測試裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of electrochemical testing device

1.2.2 浸泡試驗

將試樣置于50 ℃油氣水三相環境(不同θ的5%凝析油+3% NaCl溶液)中24 h后,取出試樣, 蒸餾水沖洗,冷風吹干后,采用Quanta 200 型掃描式電子顯微鏡(SEM,荷蘭FEI公司)分析試樣表面狀態及形貌,掃描電壓為20 kV,放大倍數為20 000倍。

采用XSAM800型X射線光電子能譜儀(英國Kratos公司)分析N80鋼腐蝕前后表面腐蝕產物的元素及化合物組成。

2 結果與討論

2.1 極化曲線

由圖2(a)可知,當θ<20時,隨著θ增大,試樣的自腐蝕電位略有負移。且隨著θ增大,試樣的腐蝕電流密度逐漸減小(見表2),表明在此區間內,試樣的腐蝕主要由H2S控制,適當減小H2S的量有利于腐蝕控制。再者,腐蝕電位的降低表明試樣的腐蝕陽極反應是一個快速過程,整個反應受陰極過程控制。

由圖2(b)可見,當20<θ<500時,隨著θ增大,試樣的腐蝕電位變化無明顯規律。由表2可知,試樣的腐蝕電流密度在θ為200左右最大。在此區間內,試樣的腐蝕由CO2/H2S共同控制,隨著θ增大,腐蝕電流密度先增大后減小。

(a) θ<20 (b) 20<θ<500 (c) θ>500圖2 試樣在CO2/H2S共存的油氣水三相介質中的極化曲線Fig. 2 Polarization curves of N80 steel in oil-gas-water medium with CO2/H2S

由圖2(c)可見,當θ>500時,隨著θ增大,試樣的腐蝕電位變化規律性不明顯,但θ大于700后,其腐蝕電位相對正移。由表2可知,θ大于500時,隨θ的增大,試樣的腐蝕電流密度增大,由CO2腐蝕主導。隨著CO2分壓增大,溶液中H2CO3含量增加,腐蝕介質的pH降低,附加陰極反應增強,H+的去極化作用加強,陽極溶解也加速,腐蝕速率增大。這導致金屬表面易形成Fe2+過飽和溶液層,促進形成FeCO3等腐蝕產物膜,但升高CO2分壓會引起內應力過大,破壞腐蝕產物膜,使其不能很好地保護金屬基體[21]。所以,θ越大,N80鋼的腐蝕越嚴重。

表2 極化曲線擬合結果Tab. 2 Fitting results of polarization curves

2.2 電化學阻抗譜

圖3所示為 N80鋼在含不同量H2S的飽和CO2(1 440 mg/L)試驗溶液中的電化學阻抗譜,采用圖4所示等效電路圖R(QR)進行擬合[22]。圖中CPE代表常相位角元件,Rs代表電解質溶液電阻,Rc代表傳質電阻,擬合所得各參數見表3。

圖3 N80鋼在含不同量H2S的飽和CO2(1 440 mg/L)試驗溶液中的電化學阻抗譜Fig. 3 EIS of N80 steel in saturated CO2 (1 440 mg/L) test solution with different content of H2S

圖4 擬合等效電路圖Fig. 4 Equivalent circuit of fitting

由圖3和表3可知,隨H2S含量的增加,容抗環增大,傳質電阻Rc增大,腐蝕反應阻力增大,抗腐蝕能力增大,表明腐蝕產物的形成阻礙了腐蝕反應的陰、陽極過程。隨著H2S含量的增大(即隨著θ減小),N80鋼腐蝕減弱,這與極化曲線測試結果一致。

表3 電化學阻抗譜擬合結果Tab. 3 Fitting results of EIS

2.3 腐蝕形貌

由圖5(a)可知,當θ<20時,腐蝕后N80鋼表面腐蝕產物結構較為完整致密,晶形為針狀,是典型的硫化亞鐵或多硫化鐵晶體形貌(FeS和FeS1-x);

由圖5(b)可知,當200<θ<500時,腐蝕后N80鋼表面有晶體產物層覆蓋,腐蝕產物的競爭形成導致腐蝕產物結構多樣,晶形也不盡相同。圖5(b)是典型的硫化亞鐵或多硫化鐵晶體競爭形成的結果;圖5(c)則是以碳酸亞鐵為主的競爭覆蓋產物。對比圖5(b)和(c)可知,硫化亞鐵或多硫化鐵競爭吸附的鋼片表面覆蓋膜比較致密,缺陷小,保護性較好,而碳酸亞鐵膜在此環境中形成的膜層較為疏松,保護性較差。碳酸亞鐵膜在鋼表面的覆蓋阻礙了硫化亞鐵或多硫化鐵晶體的覆蓋,在鋼表面形成多處缺陷,腐蝕較為嚴重。

(a) θ=9.63

(b) θ=300

(c) θ=82

(d) θ=780圖5 試樣在不同θ試驗溶液中經過24 h浸泡后的表面SEM形貌Fig. 5 Surface SEM morphology of samples after immersion in the test solution with different θ for 24 hours

由圖5(d)可知,當θ>500時,腐蝕后N80鋼表面出現疏松、不均勻的腐蝕膜,腐蝕產物呈立方體或棱形狀堆積,與碳酸亞鐵晶體形狀相似,這與CO2腐蝕特征相似;SEM分析說明當θ>500時,腐蝕主要由CO2控制。

2.4 腐蝕產物成分

由圖6及表4可見:當θ<20時,腐蝕后N80鋼表面腐蝕產物的主要成分為FeS和FeS1-x,并含有少量的FeCO3和Fe3O4;當20<θ<500時,腐蝕后N80鋼表面腐蝕產物膜的主要成分為FeS(或FeS1-x)和FeCO3;當θ>500時,腐蝕后N80鋼表面腐蝕產物膜的主要成分為含少量Fe3O4的FeCO3膜。

(a) θ=9.63 (b) θ=300 (c) θ=780圖6 試樣在不同θ試驗溶液中經過24 h浸泡后的表面XPS分析結果Fig. 6 XPS analysis results of samples after immersion in the test solution with different θ for 24 hours

表4 在不同θ試驗溶液中經過24 h浸泡后,試樣表面腐蝕產物的成分Tab. 4 The composition of corrosion products on the surface of the sample after 24 hours of immersion in different test solutions with different θ

綜合上述研究結果,在所研究的CO2/H2S分壓比范圍內,碳鋼腐蝕呈現了較為復雜的變化趨勢。其原因推測為:當θ小于20時,腐蝕主要為H2S控制,此時相對越少量的H2S更有利于生成致密的FeS(或FeS1-x)膜,降低碳鋼腐蝕速率; 當20<θ<500時,腐蝕由H2S與CO2共同控制,但當20<θ<200時,CO2腐蝕競爭占優,由于優先形成了疏松的FeCO3膜,腐蝕速率增大,當200<θ<500時,H2S腐蝕競爭占優,在金屬基體優先形成致密的FeS(或FeS1-x)膜而使腐蝕減緩;當θ>500時,腐蝕則轉變為主要由CO2控制,腐蝕產物為大量疏松FeCO3覆蓋層,且內應力的增大破壞了腐蝕產物膜的完整度,其對金屬基體的保護變差,因而腐蝕加劇。

3 結論

(1) 電化學阻抗試驗表明在飽和CO2溶液中,隨H2S含量的增加,N80鋼的腐蝕阻力增大。

(2) 當θ<20時,隨θ增大,N80鋼的腐蝕電流密度逐漸減小,腐蝕主要由H2S控制,鋼片表面主要生成了FeS(或FeS1-x)。

(3) 當20<θ<500時,隨θ增大,N80鋼的腐蝕電流密度先增大后減小,在θ為200左右出現極大值,腐蝕由CO2和H2S共同控制,鋼片表面主要生成了FeCO3和FeS(或FeS1-x)。

(4) 當θ>500時,隨θ增大,N80鋼的腐蝕電流密度增大,腐蝕由CO2控制,鋼片表面主要生成了FeCO3膜,并含有少量的Fe3O4。