抽油杆材料在含CO2高温高压环境中的腐蚀规律研究

齐光峰 李 风 张 瑾 时 宪

（1. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000；2. 中国石油化工股份有限公司胜利油田检测评价研究有限公司，山东 东营 257000）

0 引言

抽油杆是有杆泵采油的关键连接、承载工具，其安全可靠是油井高效、长寿运行的基本保障之一[1-3]。然而，随着油田开发到了高含水期，抽油杆腐蚀疲劳断裂（如图1所示）成为制约油井免修期的主要问题。有研究表明，钢材腐蚀与工作介质类型、矿化度（各种电解离子）、温度、流速、细菌以及CO2、H2S等侵蚀性气体含量（或溶解度）有关[4,5]。本文针对不同抽油杆材料，开展了不同矿化度（CL等电解质含量）、温度、CO2分压下的模拟腐蚀试验研究，为抽油杆选材、防腐技术改进提供研究基础。

图1 腐蚀疲劳断口形貌

1 试验方法和步骤

1.1 试验材料

收集常用7种材质成品抽油杆作为试验对象。各种材质化学成分如表1所示。

表1 抽油杆及接箍化学成份（%）

1.2 试验介质及条件

根据油田采出介质组分分析统计，确定试验介质和试验条件，如表2所示。腐蚀试验按照三因素、三水平设计正交试验。以分析纯NaCl、CaCl2和NaHCO3配置模拟介质，HCl酸调节pH值。

表2 试验介质和条件

1.3 试样制备及试验内容

将成品抽油杆制成35×15×3mm的标准试片，经金相砂纸逐级打磨抛光后，以95%分析纯乙醇清洗、干燥、称重后，至于干燥器中备用。试样测试内容如下：

（1）高温高压腐蚀试验

将试样安装在高温高压釜内，加入试验溶液，密封后通人高纯氮气除氧6h以上，升温至试验温度，按预定分压通入高纯CO2，并加压水压至10MPa总压开始计时。试验结束后，将试样以乙醇冲洗、干燥待用，每种材料进行2平行试验；

（2）微观分析和能谱分析

将冲洗、干燥试样在扫描电子显微镜（SEM）下扫描微观形貌，EDX能谱仪扫描腐蚀产物；

（3）腐蚀率分析

将完成微观分析和能谱分析否的试样以酸洗液清除腐蚀产物、干燥后，用分析天平称重后，计算腐蚀速率。

2 实验结果与讨论

2.1 腐蚀形貌及产物

扫描电镜观察可见，低CO2分压（≤0.02MPa）下，腐蚀产物细密、轻薄，呈均匀腐蚀特征；高CO2分压、中温时，腐蚀产物粒度较大、堆积厚度大，呈局部腐蚀特征；高CO2分压、高温时，腐蚀产物粒度大、附着稀松，介于均匀腐蚀和局部腐蚀之间。这与前人研究结论一致，腐蚀形貌如图2所示。

图2 腐蚀形貌

EDS能谱线扫描结果如图3所示。含CO2时表层腐蚀产物主要成分时FeCO3，次表层含有深入的Ca、Cl等离子。

图3 EDS线扫描结果（Fe-绿色；C-红色；O-黄色）

2.2 腐蚀规律

（1）温度对抽油杆材料腐蚀的影响

当试验介质CO2分压为0MPa时，试验结果如图4所示；

图4 CO2分压为0MPa时的腐蚀速率

由图4可见，在30～90℃范围内、矿化度60000mg/L、介质CO2分压为0MPa时，所有试验材料的腐蚀速率均随温度的升高而增大。其中，常用材料20CrMoA的腐蚀速率和变化率均最小，KD（3130）次之，而含碳量高的AI4138HS、4142等材料普遍腐蚀率高，多铬合金Cr9材料几乎不腐蚀，腐蚀速率最大的AI4138HS材料的腐蚀速率也仅为0.25mm/a，根据中国腐蚀与防护学会出版的《金属防腐蚀手册》，均属于尚耐腐（6级：0.1～0.5mm/a）级别。可见，在CO2分压极低时，应选用成本低的常用材料20CrMoA作为抽油杆材料。

上述变化规律表明，矿化水中，无侵蚀性气体作用时，材料腐蚀受到温度控制。当温度提高时，电解质离子活度提高，腐蚀率上升，需要在高温区采取适当措施控制腐蚀；

（2）CO2分压对抽油杆材料腐蚀的影响

当试验介质CO2分压为0.3MPa以上时，试验结果如图5、图6所示。

图5 在用材料CO2分压为0.3MPa时的腐蚀速率

图6 在用材料CO2分压为1.0MPa时的腐蚀速率

在30～90℃范围内，当试验介质CO2分压为0.3Mpa、1.0MPa时，腐蚀速率普遍在低温区（60℃以下）均持续较高，并高于0.6mm/y，而高温区（60℃以上）降低趋势明显，这与腐蚀产物分析结果相一致，高温区腐蚀产物疏松、易脱落，趋于均匀腐蚀，腐蚀率相对较低。但是，含CO2时，在用各种材料的腐蚀率均较高，各温度下均达到《金属防腐蚀手册》欠耐腐（8级：1.0～5.0mm/a）级别，即上述材料不适用于试验工况条件。而新材料OOCr9合金钢，在所有模拟条件下的腐蚀率均小于0.05mm/a，属于耐腐（4级：0.01～0.05mm/a）级别，是可以优先选用的材料。

3 结语

目前，油田采出液含CO2含量一般在5%～10%之间，换算油井分压约为0.05～2MPa之间。根据室内试验结果，在用抽油杆材质均不具备耐腐蚀能力，在长期交变载荷作用下，必然发生腐蚀疲劳失效。而新材料00Cr合金钢具有优异的耐蚀性能，因此，应该优先选用，另外采取缓蚀剂批处理、定期投加等模式或在用材料表面防腐处理等措施也是可选方案，但是各类技术的选用应通过防腐效果的试验评价和优选。

根据本文的研究，含CO2矿化水介质对在用抽油杆材料腐蚀严重，且最高腐蚀率出现在中温区（60℃左右），在用材料不能满足油井交变载荷下长期生产需要，建议推广使用新材料00Cr合金钢抽油杆，或试验优选缓释、表面防腐处理新技术，实现油井生产安全、长效。