CO2含量对油管和管线钢在地层水中的腐蚀影响

商永滨 李欣欣 徐德权 吴琛楠

（长庆工程设计有限公司，陕西 西安 710018）

0 引言

安塞油田经过30多年的开发逐步进入高含水期，常规注水提高采收率幅度有限，为提高含水期原油采收率，开展了泡沫辅助减氧空气驱矿场试验。减氧空气驱是向油藏中注入氧含量2%～10%[1]的空气，通过氧化反应产生烟道气来降低原油粘度来驱动原油、补充地层能量的一种提高采收率技术[2-4]。产生的烟道气中CO2易于对油管和地面管网产生腐蚀，为验证N2、CO2对油管、地面管线的影响，利用电化学工作站、高温高压釜对所选用的J55油管、20#管线进行腐蚀浸泡实验，研究其在饱含N2、CO2气体地层水中的腐蚀变化规律。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验介质为泡沫辅助减氧空气驱油井采出水，成分硫酸盐3.96mg/L，氯化物1.5×104mg/L，硫化物0.005mg/L，钾离子74.7mg/L，钠离子5500mg/L，钙离子200mg/L，镁离子165mg/L；试样为Φ10×5mm规格的J55油管钢、20#管线钢。

1.2 实验仪器

M273A型电化学工作站，美国PARC公司；GSH-5L高温高压不锈钢304反应釜，威海环宇化工机械设备有限公司。

1.3 实验方法

实验前首先通入氮气将地层水中氧气除干净后，再通入不同比例的实验气体。工作面用水磨砂纸逐级打磨至1500号，酒精清洗，然后装入高温高压釜常温下浸泡96h。实验结束后将非工作面用环氧树脂密封，露出工作面，用铜导线引出，然后进行电化学测试。

2 结果与讨论

2.1 CO2含量对J55油管钢在地层水中的腐蚀行为影响

图1（a）、图1（b）分别是J55油管钢在饱含N2、CO2气体的地层水中测得的TaFel曲线、线性极化曲线，可以看出随着混合气体中N2含量的增加，自腐蚀电位明显正向移动，腐蚀电流呈现减小趋势；线性极化曲线显示出直线段斜率随着N2含量增大而增大，表明极化电阻随N2含量增加而增大。表1为依据图1拟合得到的腐蚀参数，可以看出，随着N2含量增加腐蚀电位正移，腐蚀电流呈现减小趋势，说明J55油管钢的腐蚀速率减小。因N2属于惰性气体，一般不会参与化学反应，随着混合气体中N2含量增加，CO2含量相应减少，腐蚀程度减轻，腐蚀速率减小。

表1 J55油管钢在不同比例N2、CO2气体的地层水中的腐蚀参数

图1 J55油管钢在不同比例N2、CO2气体的地层水中测得的TaFel曲线和线性极化曲线

图2为J55油管钢0mV情况下在饱含N2、CO2地层水中测得的电化学阻抗谱，从图2（a）可以看出Nyquist曲线由高频容抗弧、低频容抗弧组成，图2（b）的相位角-频率曲线显示在1000Hz、10mHz分别出现两个相位峰，表明腐蚀过程由两个时间常数组成，其中高频容抗弧与腐蚀膜形成有关，而低频容抗弧则与双电层电容有关。随着伴生气体中CO2含量的增加，高低频所对应的容抗弧半径显著减小，意味着随着CO2气体含量增大，J55油管钢的腐蚀程度逐渐增强。表2为利用图3所示等效电路图对图2电化学阻抗谱进行拟合的结果，随着伴生气体中CO2含量的增加，腐蚀过程中的传递电阻、膜电阻减小，而膜电容增大，说明腐蚀程度呈现增强趋势。从上面的分析结果可以得出，N2的介入会减缓碳钢CO2腐蚀过程的发生，从而会降低基体CO2腐蚀速率。

表2 图2中所示阻抗谱拟合结果

图2 油管钢在饱含N2+CO2气体的地层水中腐蚀2h后测得的电化学阻抗谱

图3 碳钢二氧化碳阴极阻抗谱拟合用等效电路图

2.2 CO2含量对20#管线钢在地层水中的腐蚀行为影响

图4（a）、图4（b）分别为20#管线钢在不同比例N2、CO2气体的地层水中测得的TaFel曲线、线性极化曲线，随着混合气体中N2含量的增加，自腐蚀电位明显正向移动，同时腐蚀电流呈现逐渐减小的趋势。图4（b）中的线性极化曲线显示出直线段斜率随着N2含量增加而增大，表明极化电阻随N2含量增加而增大。表3为依据图4测得的腐蚀参数，可以看出，TaFel曲线、线性极化曲线测试结果与J55油管钢情况相似，随着N2含量增加，腐蚀电位正移，腐蚀电流呈现减小趋势，这说明管线钢的腐蚀速率逐渐减小。

表3 管线钢在不同比例N2、CO2气体的地层水中的腐蚀参数

图4 管线钢在不同比例N2、CO2气体的地层水中测得的TaFel曲线和线性极化曲线

图5为0mV情况下20#管线钢在不同比例N2、CO2气体含量的地层水中测得的电化学阻抗谱，从图5（a）可以看出Nyquist曲线均由高频容抗弧、低频容抗弧组成，图5（b）的相位角-频率曲线显示在1000Hz和10mHZ分别出现两个相位峰，表明腐蚀过程由两个时间常数组成，其中高频容抗弧与腐蚀膜形成有关，而低频容抗弧则与双电层电容有关。随着伴生气体中CO2浓度的增加，高低频所对应的容抗弧半径显著减小，意味着随着CO2气体含量增大，20#管线钢的腐蚀程度逐渐增强。表4为利用图3所示等效电路图对图5的电化学阻抗谱进行拟合的结果，可以看出，随着伴生气体中CO2含量的增加，腐蚀过程中的传递电阻和膜电阻减小，而膜电容逐渐增大，说明腐蚀膜的致密性降低，膜对基体的保护作用降低，使得基体的腐蚀程度呈现增强的趋势。

表4 图5中所示阻抗谱拟合结果

图5 管线钢在不同比例N2+CO2气体的地层水中腐蚀2h后测得的电化学阻抗谱

3 结语

伴生气体中的N2、CO2等对J55油管钢、20#管线钢的CO2腐蚀过程具有显著的影响，在不同比例、不同杂质的地层水中呈现一定规律。

（1）随着N2含量增加，J55油管钢、20#管线钢的CO2腐蚀速率呈减小的趋势；

（2）随着CO2气体含量的增加，油管钢、管线钢的腐蚀呈现增加趋势。