哈法亚油田注水井管材腐蚀规律研究

崔明月，王青华，温宁华，李大朋，邹春梅，李慧心，张雷

（1.中国石油勘探开发研究院工程技术中心，北京，100083；2.安科工程技术研究院（北京）有限公司，北京，100083；3.新材料技术研究院，北京科技大学，北京，100083）

哈法亚油田的主力油藏采用注水开发，在注水先导试验过程中发现注水井油管在一年内发生腐蚀穿孔问题，给现场生产带来了较大的影响。在注水井注水过程中，注水水质复杂、环境多变，造成注水井腐蚀和结垢较为严重。失效分析表明，造成井下管柱腐蚀结垢的机理主要是电化学腐蚀、微生物腐蚀、溶解气腐蚀和垢下腐蚀的协同作用[1-7]。影响井筒腐蚀和结垢的因素也较多，如注入水的水质成分、气体成分以及温度、压力、pH、溶解氧、硫化氢、CO2和SRB（Sulfate Reducing Bacteria，硫酸盐还原菌）等[8-12]。文中主要研究温度、压力和pH对注水井油管材L80钢腐蚀过程的影响，为井筒选材和防腐工作提供一定的技术支持。

1 实验材料与方法

实验材料为井下管材L80钢，将其加工成50 mm ×13 mm×3 mm的挂片试样，实验前用砂纸将试样打磨至 800#，并进行清洗、除油、冷风吹干后称量和尺寸测量，放置干燥器中待用。

实验介质模拟现场注水水样，按现场注水比例1∶1∶1进行配置，见表1，通过HCl调节溶液pH。

表1 实验介质组成 mg/L

利用动态高压釜进行腐蚀模拟实验。试验前通过除氧仪对模拟介质进行除氧，并向釜中通入氮气除氧。实验开始时，向釜中放入已处理好的挂片试样，再加入除氧的模拟介质，加盖密封后通入配置好的氮氧混合气体，以模拟注水中的溶解氧，升温加压到试验预定的温度和压力后开始计时。试验中设定流体流速为2.5 m/s，实验周期均为168 h。试验结束后，用去膜液对试样进行去膜、清洗、干燥和称量，用失重法计算腐蚀速率。

利用JSM-5800型电子扫描显微镜观察腐蚀试样表面和截面的腐蚀形貌，并利用片状腐蚀试样对表面的腐蚀产物进行XRD分析。

2 结果与分析讨论

2.1 温度的影响

L80钢在不同温度下的腐蚀速率变化情况如图1所示。可以看出，随着实验温度的升高，L80钢的腐蚀速率增大，在试验温度范围内，其腐蚀程度均属于严重腐蚀[13]。

图2为试样表面微观形貌。由图2可见，随着实验温度的升高，基体表面腐蚀产物越来越疏松，致密性变差，对基体的保护能力减弱，腐蚀越来越严重。其原因在于试样表面腐蚀产物的不均匀性导致局部腐蚀的发生。图3为L80钢的腐蚀产物XRD图谱，由图谱可以看出，腐蚀产物主要为铁的氧化物和CaCO3结垢。

图4为去膜后试样表面的宏观形貌。由图4可见，在40 ℃和60 ℃时，试样表面腐蚀相对均匀，即主要发生全面腐蚀。在80 ℃和120 ℃时，试样表面部分区域的腐蚀相对较为严重，呈现出有点不均匀性，表明有轻微的局部腐蚀。

2.2 压力的影响

图 5为 L80钢在不同压力下的腐蚀速率变化情况。由图5可以看出，随着总压的升高，试样的腐蚀速率明显增大。各压力下试样的腐蚀速率均大于0.245 mm/a，属于严重腐蚀。

图6为不同压力下试样去膜前后的腐蚀形貌。可以看出，去膜前试样表层为疏松的砖红色产物，内层为黑色腐蚀产物。去膜后的试样，4 MPa时，试样表面腐蚀较均匀，腐蚀形态为全面腐蚀；20 MPa和35 MPa时，试样表面腐蚀不均匀，局部区域腐蚀明显严重，可观察到较大较深腐蚀坑，腐蚀形态为局部腐蚀。对试样表面腐蚀产物进行XRD分析，其主要组成为铁氧化物Fe3O4/Fe2O3，同时伴有结垢的CaCO3成分。根据亨利定律可知，总压升高，氧气在溶液中的溶解度升高，去极化作用增强，腐蚀速率升高，产物不均匀分布形成了氧浓差电池，加剧了局部腐蚀的发生。

2.3 pH的影响

图7为不同pH下注水井管材的腐蚀速率变化情况。由图7可见，随着pH的降低，L80钢的腐蚀速率增大。这是因为当pH减小时，腐蚀介质中氢离子含量增加，氢的去极化作用增强，而氧去极化作用减弱。这时腐蚀反应由原来的氧扩散控制逐渐转化为电化学活化控制，腐蚀过程的阻力减小，腐蚀反应速率

急剧增加，导致材料的腐蚀程度加剧。低的pH值且含氧条件下，碳钢表面是氢的去极化和氧的去极化反应同时进行，碳钢表面进行的是酸的作用过程。如图8所示，试样表面腐蚀均匀，腐蚀形态为全面腐蚀。

3 结论

通过在不同温度、不同压力和不同pH的注水条件下对井身材料L80腐蚀规律的试验研究，得出以下结论。

1）随着温度的升高，L80钢的腐蚀速率越来越大，腐蚀产物致密性变差，CaCO3结垢增多。L80钢主要发生全面腐蚀，当实验温度高于80 ℃时，试样表面出现轻微局部腐蚀。

2）随着压力的升高，腐蚀速率越来越大，当压力为20 MPa时，L80钢的腐蚀速率达到1.68 mm/a，局部腐蚀明显。腐蚀产物主要为铁氧化物 Fe3O4/Fe2O3，同时伴有结垢现象。

3）随着pH升高，L80钢的腐蚀速率逐渐降低。

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