隨著油氣田開發的深入，為提高油田采收率、降低采油成本，各油田在注水開發中配套實施了二氧化碳驅采油工藝。

柳北區塊是冀東油田二氧化碳驅的先導試驗區塊，2011年下半年開始實施二氧化碳驅，該區塊油藏溫度為93～116℃，油藏壓力約為30MPa，CO2體積分數為0.11％～99％，CO2分壓為0.001～13.29MPa。2012年至今，因腐蝕嚴重而檢泵的油井逐年增多，大部分油管甚至由于腐蝕而報廢，井下油套管存在嚴重的腐蝕問題。

本工作采用常用油套管材料和現場采出液進行了高溫高壓腐蝕試驗，研究了油套管鋼的腐蝕類型和腐蝕程度，以期為井下油套管的選材和設計提供依據。

試驗

1.試樣與溶液

試驗材料采用油田現場常用4種油套管鋼，其化學成分見表1。

表1試驗材料的化學成分

試驗溶液為油井現場采出液，含水率為90％（質量分數，下同），其主要離子含量如下：

Na++K+670Mg/L，Mg2+11Mg/L，Ca2+19Mg/L，CL-488Mg/L，SO42-10Mg/L，HCO3-1035Mg/L。

將N80、P110、3Cr和5Cr鋼等4種管材沿縱向切取，制成尺寸為50mm×10mm×3mm的試樣。試驗前，將試樣先用濾紙擦凈，然后放入盛有丙酮的器皿中，用脫脂棉除去試樣表面油脂后，再放入無水乙醇中浸泡約5min，進一步脫脂和脫水。取出試樣放在濾紙上，用冷風吹干后再用濾紙包好，貯于干燥器中，放置1h后再測量其尺寸和質量，精確至0.1Mg。

2.試驗方法

將處理后的試樣裝在聚四氟乙烯材質的夾具上。向高溫高壓釜中加入試驗溶液，再將試樣安裝在高壓釜中指定位置，使其完全浸沒在溶液中。密閉高溫高壓釜，采用高純氮氣除氧2h，升溫至目標溫度（40，60，80，90，100，110℃）。通入CO2氣體至預定壓力，調節轉速使試片線速率達到0.2m/s，腐蝕時間為168h。

試驗結束后：部分試樣用清水沖洗掉試驗介質并用濾紙吸干后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）和X射線衍射（XRD）等手段對試樣表面腐蝕形貌及腐蝕產物成分進行觀察分析。

部分試樣置于酸清洗液中浸泡5min，同時用尼龍刷涮洗試片表面腐蝕產物，用清水沖去表面殘酸后放入無水乙醇中浸泡約5min，清洗脫水后用冷風吹干，然后用濾紙將試片包好貯于干燥器中，放置1h后稱量并測量尺寸，用失重法計算平均腐蝕速率。

結果與討論

1.腐蝕速率計算

圖1不同溫度下，試樣在CO2分壓為8MPa的試驗溶液中經過168h腐蝕試驗后的腐蝕速率由圖1可見：隨著溫度的增加，N80、P110、3Cr、5Cr等4種材料的腐蝕速率均呈現出先增加后減小的趨勢，最大值出現在中溫區，N80、P110、5Cr等3種材料在90℃時腐蝕速率達到最大，3Cr鋼在80℃時腐蝕速率最大。

2.腐蝕產物分析

圖2 4種試樣在80℃試驗溶液中腐蝕168h后，表面腐蝕產物膜SEM形貌

由圖2可見：經80℃試驗溶液中腐蝕168h后，N80、P110試樣表面生成了致密的結晶狀FeCO3，完全覆蓋在基體表面；3Cr試樣發生明顯的臺地腐蝕，表面最外層腐蝕產物非常厚重，且有明顯的脫落，脫落處可發現不完全覆蓋基體的晶態的FeCO3，FeCO3下的內層腐蝕產物膜由于脫水出現了龜裂現象；5Cr試樣腐蝕產物覆蓋不均勻，且有破損，暴露出的內層產物膜有龜裂現象。

圖3 4種試樣在90℃試驗溶液中腐蝕168h后的表面腐蝕產物膜SEM形貌

由圖3可見：4種試樣在90℃試驗溶液中腐蝕168h后，表面均形成了結晶狀的FeCO3，只是Fe-CO3的分布及形態有所相同。N80和P110試樣表面生成了完整、細小、致密的結晶狀腐蝕產物，均勻地覆蓋在基體表面，未發現破損脫落，此時N80、P1102種試樣的腐蝕速率相對較低；3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產物分布不均勻，存在空隙。

圖4 4種試樣在100℃試驗溶液中腐蝕168h后的表面腐蝕產物膜SEM形貌

由圖4可見：在100℃試驗溶液中腐蝕168h后，N80試樣腐蝕產物分布不均勻，裸露出基體，P110試樣腐蝕產物基本均勻覆蓋基體表面，3Cr、5Cr試樣腐蝕產物出現晶粒堆垛現象，晶粒大小不規則。

圖5 4種試樣在110℃試驗溶液中腐蝕168H后的表面腐蝕產物膜SEM形貌

由圖5可知：110℃時，4種試樣表面腐蝕產物晶粒大小不規則、分布不均勻，較100℃時更加明顯，3Cr、5Cr試樣也有明顯的晶粒堆垛現象。

3.綜合分析

綜合圖3～5可知：隨著溫度的升高（40～80℃）腐蝕產物膜逐漸生成、致密，對于3Cr來說，在80℃時外層腐蝕產物膜脫落最嚴重，而對于N80、P110和5Cr3種材料來說，溫度達到90℃以上后，晶形變得越來越不規則，這主要是由于FeCO3的溶解度具有負的溫度效應和其分解作用引起的。隨著溫度的增加，鋼鐵表面逐漸形成保護膜，并由疏松到致密，從而在一定的溫度范圍內有一個腐蝕速率過渡區，出現一個腐蝕速率極大值。溫度達到110℃以上，由于保護膜的生成和加固，使腐蝕速率下降。

在本試驗條件下，雖然在3Cr、5Cr試樣表面的腐蝕產物膜內出現了Cr富集，一定程度上提高了腐蝕產物膜的穩定性，但是與碳鋼相比，3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產物覆蓋不均勻、疏松，含Cr的腐蝕產物膜與基體結合力弱、附著性不強，易脫落，因此整體上呈現較高的腐蝕速率。

在低溫（40℃、60℃時）條件下，3Cr、5Cr試樣表面腐蝕產物膜完整，未脫落，腐蝕速率較低，與已有的研究結果一致，低Cr鋼具有良好的抗CO2均勻腐蝕及局部腐蝕性能，但目前低Cr鋼使用溫度有待進一步提高。

結論

（1）隨著溫度的增加，N80、P110、3Cr、5Cr等4種材料的腐蝕速率均呈現出先增加后減小的趨勢，最大值出現在中溫區，N80、P110、5Cr等3種材料在90℃時腐蝕速率達到最大，3Cr鋼在80℃時腐蝕速率最大。

（2）在試驗條件下，4種鋼材腐蝕類型主要為均勻腐蝕，未發現局部腐蝕，腐蝕產物主要為Fe-CO3，含Cr鋼腐蝕產物出現多層結構，主要成分除了FeCO3，還有非晶態Cr（OH）3。N80、P110腐蝕產物為結晶狀的FeCO3，細小致密，均勻地覆蓋在基體表面，腐蝕速率較低，3Cr、5Cr鋼的腐蝕產物覆蓋不均勻、與基體結合力弱、附著性不強，易脫落，造成整體腐蝕速率較高。

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