1、注气驱套管材质耐氧腐蚀规律及机理研究摘 要注气驱是油田三次采油常用的采油技术，但由于所注的空气中含一定量的氧气，同时，油田本身复杂的环境因素，实际生产中设备、管线等面临着严重的腐蚀问题。为了得出油田提供的20#和L360钢两种钢材在一定的温度（80 ）、压强（10 MPa）、氧含量（10%）条件下的主控腐蚀因素以及腐蚀规律和机理。本文通过实验失重法和电化学测试法，利用微区腐蚀记录仪和金相显微镜对腐蚀前后的样品进行宏观和微观形貌观察，利用XRD对腐蚀产物进行成分分析，以此推断腐蚀发生的过程。综合以上研究，L360和20#两种材质钢的腐蚀速率都随温度、含氧量和压强的升高而增大，其中氧含量的变化对腐
2、蚀的影响最明显，XRD结果得出腐蚀产物以铁的氧化物为主。由电化学方法与金相显微镜观察结果得出，L360试样腐蚀电流密度要小于20#钢，以及在一定条件下L360钢微观腐蚀形貌上的点蚀数目少于20#钢。通过以上实验结果得出油田在生产中应该严格控制氧含量才能避免严重腐蚀的发生。关键词：注气驱；氧腐蚀；失重法；电化学试验Study on the rule and mechanism of oxygen resistant corrosion of casing in gas injection driveAbstractGas injection is the three oil recovery o
3、f oil field commonly used production technology, but because the note containing a certain amount of oxygen in the air, at the same time, the environmental factors of oil itself complex, the actual production equipment and pipelines are facing serious corrosion problems. In order to get the oil 20#
4、and L360 steel two steel in a certain temperature (80 ) and pressure (10 MPa), oxygen content (10%) the main control factors under the condition of corrosion and corrosion regularity and mechanism. In this paper, through the experimental weight loss method and electrochemical test method of samples
5、before and after corrosion by micro zone corrosion recorder and optical microscope in macroscopic and microscopic morphology observation and composition analysis of corrosion products by XRD, in order to infer the corrosion process. Based on the above research, and increase the corrosion rate of L36
6、0 and 20# two kinds of steel material are increased with temperature, oxygen content and pressure, the influence of the change of oxygen content on the corrosion of the most obvious, XRD results of corrosion products of iron oxides. The electrochemical method and metallographic microscope observatio
7、n results show that the corrosion current density of L360 is smaller than that of 20# steel, and the pitting corrosion of L360 steel is less than that of 20# steel under certain conditions. Through the above experimental results, it can be concluded that the oxygen content should be strictly control
8、led in the production of oil field to avoid the occurrence of severe corrosion.Keywords: Gas injection drive; Oxygen corrosion; Weight loss met; Electrochemical test目 录第1章 前言11.1 注气驱简介11.2 氧腐蚀现状研究11.2.1 氧腐蚀类型21.2.2 氧腐蚀机理31.2.3 氧腐蚀的影响因素41.2.4 氧腐蚀危害61.2.5 氧腐蚀预防71.3 本文的主要研究内容7第2章 试验设备与方法介绍92.1 试验材料及仪器9
9、2.1.1 试验材料92.1.2 试验仪器92.1.3 溶液配制92.2 腐蚀速率及倾向评价方法102.2.1 失重法试验102.2.2 电化学法112.3 腐蚀形貌评价方法132.4 腐蚀产物评价方法142.5 试验装置及试验步骤142.5.1 高温高压磁力反应釜142.5.2 电化学试验16第3章 不同腐蚀因素研究183.1 腐蚀因素评价183.1.1 氧含量对腐蚀速率的影响183.1.2 温度对腐蚀速率的影响203.1.3 压强对腐蚀速率的影响223.2 产物分析233.3 电化学分析243.4 小结25第4章 结论26致 谢27参考文献28第1章 前言第1章 前言1.1 注气驱简介油田
10、在经过一次采油后，地层中的压力明显降低1。为了能进一步采收剩余的原油，通常就需要通过注水或注气这些非常规采油法来提高采收率2。其中注气驱可以选择注入二氧化碳、氮气、空气、天然气或烃类气体等。美国的注气驱项目在提高采收率项目中所占的比例已经从1984年时的22.5%上升到了2008年的66%3，在2008年美国的注气项目达到122个，此外全球的其他国家比如墨西哥、委内瑞拉、加拿大等也把注气驱技术作为提高采收率的主导技术4-8。注空气驱与其他非常规采油技术相比具有成本低廉、气源资源丰富、不受气源输送的限制等优点9，已被证明是一种发展前景很好并且越来越受到各大油田青睐的一项成熟技术10-13。不过在
11、油田的生产作业中注空气驱也会产生新的问题，其中最为显著的是空气中氧气，与注入氮气、二氧化碳、天然气相比，因为空气中含有高达21%的氧气，同时，油田本身存在着高温、高压、矿化度、pH等复杂的环境因素13-15，所以油田管道等设备面临着严重而复杂的腐蚀问题。根据文献报道可知，氧气是极强的去极化剂，氧腐蚀是油田中最为严重的腐蚀方式之一16。氧腐蚀产生的点蚀、溃疡腐蚀等对油田管材等设备的性能造成严重的影响，如果处理不及时往往造成很严重的事故，所以采用注空气驱对输油输气管道等设备的防腐技术有了更高的要求；同时，还需要精确掌握注空气驱腐蚀的规律与机理。 图1-1 氧腐蚀穿孔管道Fig.1-1 Oxygen
12、 corrosion perforation pipeline1.2 氧腐蚀现状研究根据文献调研可知，在中性和碱性水溶液中，当氧气分压达到一个大气压时，由于溶液中溶解一定含量的氧气，氧还原反应的平衡电极电位为0.815 V，而氢还原反应的平衡电极电位仅有-0.413 V，氧还原反应的电位要明显高于氢还原反应的电位，所以一般的金属材质在碱性或中性的溶液中的反应往往是溶解氧的还原反应而不是析氢反应17-19。并且，吸氧腐蚀对金属的危害极大，在常温下就会有较大的腐蚀速率。而在实际的生产作业中，金属材质设备面临着更加复杂的环境，其中的腐蚀问题更明显也更严重，往往还会给设备带来一定的安全隐患。目前针对输
13、气管道内外腐蚀的监测都已经有了一些系统的方法。如Wang等20利用管道网络模拟和成熟的气体数据采集与检测系统能够及时的检测输气管道的腐蚀情况；而Safizadeh等21采用一种脉冲涡流技术，检测输气管道也有很好的效果；另外李莲明等23发明了一种在线检测输气管道腐蚀情况的装置，此装置由生产管线、挂片装置、阀门和分流管线等组成，可以在多种温度、压力情况下，在线准确的检测出输气管线的腐蚀状况。这些技术为及时掌握管线氧腐蚀提供了极大的便利，同时也在一定程度上减小了腐蚀带来的安全隐患。1.2.1 氧腐蚀类型（1）全面腐蚀：指金属与腐蚀介质接触的整个表面发生的腐蚀，腐蚀面均匀且较平整。全面腐蚀发生时，腐蚀
14、介质（如O2、H2S、Cl-、CO2等）能够均匀地抵达金属表面的各部位，而且金属的成分和组织也比较均匀24。同时形成的氧腐蚀原电池的阴、阳极面积都非常小，用微观方法也很难辨认，而且微阴极与微阳极的位置也随时变化，在这个时候整个金属表面都处于活化状态。虽然全面腐蚀造成金属的大量损失，金属整体均匀减薄，引起金属材质的整体强度下降，但是腐蚀所引起的强度变化可以预测，所以均匀腐蚀一般不会造成突发事故。（2）点蚀：是局部腐蚀的一种，点蚀发生会在金属表面上形成疏密不等、深浅不一的圆形腐蚀坑，通常它的深度常常要比直径大的多，严重的会造成金属的穿孔25-26。当介质中有侵蚀性阴离子与氧化剂共存时，这些侵蚀性离
15、子首先被吸附在金属表面某些点上，从而破坏金属表面经氧化而形成的钝化膜。一旦这层保护膜被破坏并且金属缺乏自钝化能力时，在保护膜破坏的地方，基体金属露出，环境中的腐蚀介质直接与露出的金属接触。在这个区域内，膜未被破坏处和破坏处可以形成活化钝化电池，而破坏处的几何形状比未破坏的小得多，此时形成大阴极与小阳极的电化学腐蚀形态，所以阳极电流密度大，在氧化剂的作用下，腐蚀向深处发展，金属表面就容易穿孔27-30。图1-2油管的点蚀形貌Fig.1-2 The pitting surface of the tubing（3）溃疡腐蚀：是指在金属表面发生损坏较深且创伤面较大的腐蚀。在注气驱套管的氧腐蚀中，出现的是直径不等的鼓疱，直径通常为130 mm，而且可以观察到鼓疱表面的颜色是由黄褐色到砖红色不等，在这层较稀疏的腐蚀产物下，是黑色粉末状的腐蚀物，当把这些腐蚀产物清洗干净后，可以看到金属表面出现的腐蚀坑，其几何形状要比点蚀大31。点蚀和溃疡腐蚀都是典型的局部腐蚀，而腐蚀事故80%以上的是由局部腐蚀造成的32。在这两种腐蚀情况下，虽然金属质量上损失不大，但因其腐蚀面积小，纵向发展，腐蚀深度较深，在腐蚀的预测与防护方面要比均匀腐蚀更难，所以危害往往比全面腐蚀严重，一旦发生事故就会是突发性的、灾难性的。1.2.2 氧腐蚀机理氧腐蚀与其他腐蚀的过程类似，腐
