M油田注水井管材材質(zhì)選擇研究

黃傳超

（中國海洋石油國際有限公司，北京100028）

0 引言

腐蝕對(duì)油田注水井管材使用壽命具有重大影響，選擇合適材質(zhì)的管材對(duì)于延長注水井的壽命、縮短修井周期來講至關(guān)重要[1]。業(yè)內(nèi)研究普遍認(rèn)為，預(yù)防腐蝕的最常見方法是為金屬管材在指定的使用環(huán)境下選擇合適的材質(zhì)，或?qū)⒏g速率控制在一定范圍，在管材設(shè)計(jì)的壽命年限內(nèi)，將總的腐蝕量控制在可接受的安全范圍內(nèi)。因此選擇管材時(shí)取決于兩個(gè)主要的考慮因素，一是可能發(fā)生的腐蝕類型，二是腐蝕的速率[2]。對(duì)于特定的油田有其特定的井下腐蝕環(huán)境及特定的注水水質(zhì)，腐蝕研究要有針對(duì)性，本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬M油田注水井管材使用工況，通過研究，分析出影響該油田注水井管材腐蝕的主要因素，并為該油田選擇出合適的注水井管材材質(zhì)。

1 腐蝕機(jī)理

一般來講管材的腐蝕有兩個(gè)基本要求：首先，必須存在液態(tài)水；其次，液態(tài)水必須濕潤管材表面。下面是與注水井管材有關(guān)的幾種腐蝕機(jī)理。

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕指整個(gè)金屬表面的普遍腐蝕，通常以相對(duì)均勻的速率逐漸出現(xiàn)在金屬大部分表面上。注水井選材時(shí)最基本的緩解措施是考慮“腐蝕余量”，即在管材使用壽命期間除去可能的腐蝕量后剩余的材料厚度[3-4]。

CO2會(huì)導(dǎo)致管材的均勻腐蝕，影響CO2腐蝕最重要的參數(shù)是井下溫度、CO2濃度、水質(zhì)pH值、有機(jī)酸含量和液體的流動(dòng)情況。當(dāng)CO2溶解在水中時(shí)，會(huì)形成碳酸H2CO3，這是一種弱酸，不能完全分解成離子：CO2+H2O→H2CO3；H2CO3=H++HCO3－。H+與Fe發(fā)生置換反應(yīng)：2H++Fe=Fe2++H2。HCO3－與Fe2+發(fā)生沉淀反應(yīng)：HCO3－=H++CO32-，CO32-+Fe2+=FeCO3。在此，碳酸直接還原，其速率取決于溶解但未離解的酸的量，而不直接取決于pH值。這與強(qiáng)酸不同，強(qiáng)酸腐蝕速率高度依賴于pH值。

1.2 局部腐蝕

局部腐蝕又稱不均勻腐蝕，是發(fā)生在金屬某些部分的腐蝕，主要包括點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、臺(tái)面腐蝕和流動(dòng)誘導(dǎo)局部腐蝕等形式，其中點(diǎn)腐蝕是井下管材中比較普遍發(fā)生的。點(diǎn)腐蝕是指金屬表面在腐蝕介質(zhì)中形成小孔的一種局部的腐蝕形態(tài)，亦稱孔蝕，一般由氯離子和硫化物離子引起。它是由涂層或保護(hù)膜的局部損壞引發(fā)的，僅在氧氣存在下才會(huì)發(fā)生。水中溶解的氧氣可通過形成H+離子來降低pH值，進(jìn)而啟動(dòng)該過程。

在陽極部位：Fe→Fe2++2e-，陽極形成凹坑的位置。在陰極部位，發(fā)生氧氣還原反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4HO-。如果存在硫元素或者硫酸，其陰極也可能發(fā)生還原反應(yīng)：S +H2O +2e-→HS-+HO-；2H2CO3+2e-→2HCO3-+H2。由于持續(xù)的氧化作用，正離子會(huì)在凹坑區(qū)域積聚并建立過量的正電荷，從而吸引Cl-離子形成FeCl2。雖然局部腐蝕對(duì)金屬重量損失比均勻腐蝕小，但因其可導(dǎo)致金屬管材的穿孔現(xiàn)象，故其危險(xiǎn)性較大。

表2 常用金屬或合金在不同條件下的腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 常見材質(zhì)的油管的使用條件和腐蝕情況

2.1 碳鋼管材

碳鋼管材主要應(yīng)用在非腐蝕性環(huán)境中，在無氧的酸性環(huán)境中，其表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物對(duì)管材本體具有很好的防護(hù)性。但如果存在痕量氧，則會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重均勻腐蝕。CO2腐蝕是碳鋼管材最常見的腐蝕機(jī)制之一，另外H2S和O2的反應(yīng)可能會(huì)生成元素硫，也會(huì)加劇腐蝕速率，并經(jīng)常伴有局部腐蝕。

2.2 合金管材（Corrosion resistant alloys，CRA）

在腐蝕性環(huán)境中，往往選擇合金管材。但不同類別的合金管材有著不同的使用條件，選擇影響CRA腐蝕的關(guān)鍵參數(shù)是溫度、氯離子濃度、CO2和H2S分壓、pH值及其他污染物（主要是氧氣和元素硫）。這些參數(shù)影響鈍化膜的穩(wěn)定性（點(diǎn)蝕的開始）、重新鈍化的容易程度，金屬從坑中的溶解速度及引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂和傳播的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

3 M油田注水水質(zhì)分析

注水井材料的腐蝕類型和速率很大程度上取決于注入流體的成分。由于腐蝕是一種電化學(xué)過程，因此在考慮候選材料的腐蝕時(shí)，與井下設(shè)備接觸的水溶液成分和礦化度是至關(guān)重要的因素[6-8]。

實(shí)驗(yàn)室獲得M油田注水水質(zhì)主要指標(biāo)如表1所示。

從中可以看出，M油田注水水質(zhì)中含有較高的溶解氧和溶解H2S。

表1 M油田注水水質(zhì)主要成分

4 M油田注水井管材實(shí)驗(yàn)

本文通過模擬在30 ℃和60 ℃條件下，溶解氧含量在20 μg/L和200 μg/L的流動(dòng)和靜止溶液中，對(duì)不同材質(zhì)的金屬管材進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。材料的范圍從碳鋼和不同級(jí)別的合金鋼（1%Cr，2%Cr，13%Cr，316L，22%Cr，25%Cr，17-4PH及718等），實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如表2所示。

通過實(shí)驗(yàn)，獲得了以下結(jié)論：1）在所有測試中，溶解氧含量的影響是明顯的。2）碳鋼遭受了均勻腐蝕，沒有出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕或縫隙腐蝕。3）在30 ℃時(shí)，1%Cr鋼有均勻腐蝕，但腐蝕速率約為碳鋼的一半，在60 ℃時(shí)，這種鋼遭受了臺(tái)面腐蝕。4）3%Cr鋼在30 ℃的流動(dòng)條件下與20 μg/L的氧氣中遭受的腐蝕大于在相同條件下1%Cr試樣在點(diǎn)蝕條件下的腐蝕，并且呈點(diǎn)蝕形式（1.2 mm/a）。5）由于M油田油井中普遍使用了13%Cr材質(zhì)的油管，因此本實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注了13%Cr鋼的腐蝕情況，以確定其是否能在注水井中使用。13%Cr鋼受到了局部腐蝕，這種腐蝕以點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕形式出現(xiàn)。在靜態(tài)條件下的點(diǎn)蝕深度可達(dá)2.4 mm/a?？p隙腐蝕發(fā)生在所有試樣的端面上和接頭的接縫處。測試的標(biāo)本在高氧條件下比低氧條件下表現(xiàn)出嚴(yán)重的腐蝕程度。此類鋼中的鉻含量僅能夠在金屬表面形成一定程度的鈍化，但只有在具有較高合金化（Cr，Mo）含量的材料中，才能在溶解氧條件下實(shí)現(xiàn)完全鈍化。6）316L合金鋼在實(shí)驗(yàn)的各種工況下都發(fā)生了縫隙腐蝕。7）在22%Cr鋼、25%Cr鋼和718合金中，在這些測試材料的孔表面上看不到腐蝕作用，但是在某些條件下會(huì)產(chǎn)生輕微的縫隙腐蝕。8）22%Cr管材在靜態(tài)條件下測試的樣本上沒有任何可測的侵蝕深度。但在60 ℃，流動(dòng)的200 μg/L溶解氧濃度中，測試的試樣端面發(fā)生了腐蝕深度為0.5 mm縫隙腐蝕。22%Cr在30 ℃時(shí)可以使用，但是隨著氧氣供應(yīng)的增加及流量增加，縫隙腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。因此22%Cr鋼具有抗點(diǎn)蝕的能力，但在一定條件下可能發(fā)生縫隙腐蝕。9）25%Cr和718合金所采用的實(shí)驗(yàn)條件下均具有抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力。

5 結(jié)論

1）注水水質(zhì)中溶解氧含量對(duì)管材腐蝕影響較大，是合金管材級(jí)別選擇的重要參考指標(biāo)，建議注水水質(zhì)地面處理時(shí)，考慮適當(dāng)劑量的除氧劑，以降低溶解氧的含量。2）鑒于M油田注入水中溶解氧測量值在30～200 μg/L范圍內(nèi)，點(diǎn)腐蝕的進(jìn)展可能十分迅速，需要重點(diǎn)關(guān)注。3）在M油田給定的注水水質(zhì)及其他井下條件下，該油田采油井中普遍使用的13%Cr管材不宜在注水井中使用。4）在M油田給定的注水水質(zhì)及其他井下條件下，綜合考慮到管材成本及腐蝕情況，推薦使用25%Cr管材作為M油田注水井優(yōu)選材質(zhì)。