腐蝕介質(zhì)濃度對油井管材料的電化學(xué)腐蝕影響的研究

雷太斌，張吉鼎，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

腐蝕介質(zhì)濃度對油井管材料的電化學(xué)腐蝕影響的研究

雷太斌，張吉鼎，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

基于腐蝕電化學(xué)理論，以油井管材料為研究對象，在CS電化學(xué)工作站實驗裝置上，利用電化學(xué)方法，測試不同溫度、不同Cl-濃度環(huán)境對油井管材料的電化學(xué)腐蝕。結(jié)果表明，Cl-在較低濃度下促進了腐蝕，但在高濃度下抑制腐蝕，在濃度為3.5%的NaCl溶液中，腐蝕效果最明顯。P110鋼在同一種氯離子濃度下，隨著溫度的增加腐蝕速率也逐漸增大，可見溫度促進P110鋼的腐蝕，溫度越高腐蝕速率越快。

電化學(xué)腐蝕；油井管材料；腐蝕介質(zhì)

1 油井管材料的電化學(xué)腐蝕研究現(xiàn)狀

目前，油井管的腐蝕問題成為困擾油田生產(chǎn)的重要問題，針對油水井的套管、油管的腐蝕與防護，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究[1]。P110鋼在油氣田生產(chǎn)過程中有著很廣泛的應(yīng)用，所以研究P110鋼在油氣田生產(chǎn)過程中的腐蝕規(guī)律，對降低油氣田生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟損失有很大的必要性[2]。

P110鋼是美國石油學(xué)會標準套管和油管規(guī)范中的鋼種，用于鉆井過程中和完井后對井壁的支撐，以保證鉆井過程的進行和完井后整個油田的運行，起固定石油和天然氣井壁活井孔的作用。P110級石油套管具有良好的綜合力學(xué)性能，還具有優(yōu)異的抗腐蝕性，可應(yīng)對復(fù)雜的地下環(huán)境。但目前看來，P110鋼在使用中發(fā)生了不同程度的腐蝕失效現(xiàn)象。國內(nèi)外有許多學(xué)者對P110鋼的腐蝕行為進行了研究，但絕大多數(shù)是在CO2和H2S環(huán)境中進行的。如朱世東、白真權(quán)等[3]提出了P110鋼的沖刷腐蝕，利用SEM、EDS和XRD技術(shù)，研究P110鋼在不同條件下的CO2腐蝕速率的影響機理，包括研究了在流動腐蝕介質(zhì)中溫度、壓力、濃度等因素對鋼腐蝕速率的影響[4]。

在油田生產(chǎn)中，飽和鹽水溶液是深探井試油完井液的主要成分，Cl離子的濃度很高，具有很強的腐蝕性。劉會、朱世東等[5]提出了Cl-對油套管用P110鋼腐蝕速率的影響，采用SEM、EDS和XRD技術(shù)，輔以失重法，研究了油套管P110鋼在流動的腐蝕介質(zhì)Cl-含量不同時的腐蝕機理，得到Cl-濃度對P110鋼腐蝕速率的影響規(guī)律。他們認為Cl離子可以降低材料表面鈍化膜形成的可能性，或加速了鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕的發(fā)生。一般認為，Cl離子是促進金屬材料發(fā)生點蝕的主要因素，Cl離子不是去極化劑，但在腐蝕過程中起著重要的作用。因此深入研究P110鋼在含氯溶液中的腐蝕行為，對于防止或減緩其腐蝕失效的發(fā)生具有重要的理論意義和使用價值。

本文模擬油氣田水環(huán)境，利用電化學(xué)方法測試不同溫度、不同Cl-濃度環(huán)境下，油井管材料的電化學(xué)腐蝕的影響機理，以及造成這些影響的原因，對油氣田生產(chǎn)有很重要的意義。

2 油井管材料的電化學(xué)腐蝕實驗方案

2.1 實驗裝置及試樣的制備

電化學(xué)試驗臺：選用恒溫水浴箱一臺，四口燒瓶，大燒杯。

三電極系統(tǒng)：工作電極為自制的P110工作電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。

工作電極的制備：先將P110鋼制成長方體試樣，用丙酮與酒精進行脫油脫脂處理，將試樣的一端與有絕緣外皮的銅導(dǎo)線焊接到一起，并用環(huán)氧樹脂包封非工作面，僅露出長方體的一個底面，以此作為工作電極。使用前用不同粒度的水磨砂紙將試件工作面打磨至0.019mm，放入干燥器以供備用。

參比電極的制備：先稱取10g KCl和10g瓊脂，用去離子水配置成50mL的溶液，加熱溶液直到煮沸，等溶液中的KCl完全溶解為止。微晾一會，然后將提前準備好的魯金毛細管插入到瓊脂中，用吸耳球?qū)傊M毛細管中，然后把甘汞電極插到瓊脂中，最后滴入幾滴KCl溶液，這樣參比電極就制備好了。

2.2 實驗溶液的配制

采用去離子水配制5種不同濃度的NaCl溶液，濃 度 分 別 為 1.5%mol·L-1、2.5%mol·L-1、3.5%mol·L-1、4.5%mol·L-1、5%mol·L-1，分別標記為（1）、（2）、（3）、（4）、（5），然后向溶液中通入高純氮氣，達到驅(qū)趕溶液中氧氣的目的，每L溶液的通氣時間大于1h。

每次配液只需要500mL腐蝕液，所以需要的NaCl質(zhì)量見表1。

表1 NaCl質(zhì)量的分布

2.3 腐蝕產(chǎn)物的清除方法

每次做完試驗后，取出工作電極，先擦干工作電極上的溶液，然后在細砂紙上打磨工作面直到腐蝕產(chǎn)物打磨干凈，打磨時要注意只能從一個方向打磨，不可以來回打磨。

2.4 實驗步驟

1）連接好電化學(xué)實驗臺和電腦，保證數(shù)據(jù)傳輸正常。

2）在工作電極上連接P110試樣，蒸餾瓶中加入提前配置好的 1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5% 的NaCl溶液，依次在室溫、30℃、40℃、50℃、60℃下完成實驗。

3 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)上面的實驗設(shè)計，進行了不同溫度、不同Cl-濃度環(huán)境下，油井管材料P110鋼的電化學(xué)腐蝕研究，下面取濃度為1.5%、3.5%、5%的NaCl溶液進行研究。

3.1 P110鋼的開路電位曲線

圖 1、2、3分別為P110鋼在 1.5%、3.5%、5% 的NaCl溶液中的開路電位圖。由圖1、2、3可以明顯地觀察出不同濃度的NaCl溶液中，自腐蝕電位隨時間變化的趨勢。相比之下，圖2中的開路電位是向負極移動最快的，自腐蝕電位越負，腐蝕速率是最大的。圖1中可以看出，同一濃度下，溫度越高，開路電位越負，腐蝕速率越快。在圖3中可以看出，P110鋼在高濃度腐蝕液中，溫度較高的條件下，開路電位有向陽極移動的趨勢，腐蝕電位變小，P110鋼腐蝕速率變小，說明在高濃度下抑制腐蝕的進行。

圖1 P110鋼在1.5%NaCl溶液中的開路電位

圖2 P110鋼在3.5%NaCl溶液中的開路電位

圖3 P110鋼在5%NaCl溶液中的開路電位

3.2 P110鋼的極化曲線

極化曲線通常是表示極化電流密度或者是極化電位與極化電流之間的關(guān)系，從極化曲線可以非常清楚地看出電極的極化程度[6]。圖4、5、6分別是P110鋼在1.5%、3.5%、5%的NaCl溶液中的極化曲線。

由圖4和圖5可以明顯地觀察到不同濃度的NaCl溶液中，自腐蝕電位向負極移動的趨勢。相比之下，3.5% NaCl溶液中自腐蝕電位向負極移動得最快，同時腐蝕電流密度也在增加，這些變化都說明了腐蝕速率在加快[7]，腐蝕最為嚴重。1.5% NaCl溶液中，極化曲線移動不明顯，說明此濃度下的材料腐蝕速率不大。5% NaCl溶液中，極化曲線向正極移動，腐蝕電流密度在變小，說明腐蝕被抑制了，高濃度的氯離子阻礙了腐蝕的進行。

圖4 P110鋼在1.5%NaCl溶液中的極化曲線

圖5 P110鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

3.3 P110腐蝕速率結(jié)果

圖6 P110鋼在5%NaCl溶液中的極化曲線

表2 P110腐蝕速率結(jié)果

3.4 不同環(huán)境溫度下各質(zhì)量分數(shù)的NaCl溶液中P110鋼的腐蝕速率-溫度圖像

圖7是不同環(huán)境溫度下，各質(zhì)量分數(shù)的NaCl溶液中P110鋼的腐蝕速率-溫度圖像。由圖7可知，在1.5%和5%的NaCl溶液中，隨著溫度的增加，P110鋼的腐蝕速率在20～40℃先穩(wěn)定不變；在1.5% NaCl溶液中，P110鋼腐蝕速率在40～60℃時緩慢增大，但是在5% NaCl溶液中P110的腐蝕速率在40～60℃時基本保持不變。在3.5%的NaCl溶液中，隨著溫度的增加，P110的腐蝕速率明顯增加，而且增加的趨勢越來越快。在2.5%和4.5%的NaCl溶液中，隨著溫度的增加，P110的腐蝕速率緩慢增大。

圖7 不同環(huán)境溫度下各質(zhì)量分數(shù)的NaCl溶液中P110鋼的腐蝕速率-溫度圖像

3.5 不同Cl-濃度對P110鋼的電化學(xué)腐蝕規(guī)律研究

從上面各圖的對比可以看出，溫度對P110鋼的腐蝕起到了促進的作用。隨著溫度升高，P110的腐蝕速率加快。現(xiàn)在以NaCl溶液濃度為變量，研究NaCl溶液濃度對腐蝕速率的影響。

圖8是不同濃度Cl-對P110鋼的電化學(xué)腐蝕速率圖像。從圖中5條折線可以看出，NaCl濃度對P110鋼的腐蝕作用是先促進后抑制，在NaCl濃度為3.5%時腐蝕速率最大，所以Cl離子對P110腐蝕的影響是低濃度促進腐蝕，高濃度抑制腐蝕。Cl-對材料腐蝕的影響表現(xiàn)為：Cl-可以降低材料表面鈍化膜形成的可能性，或加速了鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕的發(fā)生。

圖8 不同濃度Cl-對P110鋼的電化學(xué)腐蝕速率圖像

4 結(jié)論

1）P110鋼在氯離子濃度不斷升高的情況下，腐蝕速率都呈現(xiàn)出一種先增加后減小的趨勢；在濃度為3.5%的氯離子環(huán)境中腐蝕速率最大，低濃度的氯離子促進腐蝕，高濃度的氯離子抑制腐蝕。說明在高濃度氯離子的環(huán)境中，促使形成產(chǎn)物膜的陽離子增加了，使得P110鋼試樣表面形成了腐蝕鈍化膜。2）P110鋼在同一種氯離子濃度下，隨著溫度的增加腐蝕速率也逐漸增大，可見溫度促進P110鋼的腐蝕，溫度越高腐蝕速率越快。

[1] 劉小燕.油井管材料流體誘導(dǎo)腐蝕研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2013.

[2] 王倩，馬云，屈撐囤，劉誼君.油氣田水系統(tǒng)鋼材腐蝕的電化學(xué)研究進展[J].油田化學(xué)，2013(3)：471-476.

[3] 朱世東，白真權(quán)，尹成先，等.P110鋼抗沖刷腐蝕行為研究[J].材料工程，2009(8)：28-32.

[4] 徐哲.液固兩相流條件下P110鋼沖刷腐蝕研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[5] 劉會，趙國仙，韓勇，等.Cl-對油套管用P110鋼腐蝕速率的影響[J].石油礦場機械，2008，37(11)：44-48.

[6] 閆康平，陳匡民.過程裝備腐蝕與防護[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等.沙粒和氯離子對P110鋼沖刷與腐蝕性能的影響[J].化工機械，2012(4)：447-451.

Abstract：Based on the electrochemical theory of corrosion, the electrochemical corrosion of oil well pipe material was studied by electrochemical method at different temperature and different concentrations of Cl-environment on the CS electrochemical workstation experimental device. The results showed that the corrosion was promoted at low chloride concentration, but the corrosion was inhibited at high chloride concentration. The corrosion effect was the most obvious in NaCl solution with concentration of 3.5%.P110 steel was the same. With the chloride ion concentration increased, the corrosion rate was also increased, showed temperature was promoted the corrosion of P110 steel, the higher the temperature, the faster the corrosion rate.

Key words:electrochemical corrosion; oil well pipe material; corrosion medium

Effect of Corrosive Medium Concentration on Electrochemical Corrosion of Oil Well Tubes

LEI Taibin, ZHANG Jiding, YANG Xiaodong
(Xi’an University of Petroleum, Xi’an 710065, China)

TG 174.3+6

A

1671-9905(2017)09-0060-04

雷太斌（1991-），男，研究方向：設(shè)備性能與壓力容器管道安全方面。電話：15529659078，E-mail：1019812476@qq.com

2017-05-27