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長慶油田低合金耐蝕管材耐蝕性評價及現場應用

2023-02-09 16:37:29 作者：郭鋼，劉廣勝，等來源：腐蝕與防護分享至：

長慶油田現有8000余口侏羅系油井，針對典型侏羅系井下高壓物性測試發現，CO2含量為2%～6%時，換算成井底CO2分壓為0.15～0.25 MPa，屬于中高腐蝕程度。井筒動液面以下套管普遍存在嚴重內腐蝕，自下而上兩段的主要特征有：射孔段以上100～200 m范圍發生嚴重內腐蝕；抽油泵到動液面之間，因混合產出液在花管擾動和泵抽汲等作用下，氣液分離和介質交換加劇，游離態的CO2造成套管腐蝕速率增大。

目前，套管主要防腐蝕措施為環氧涂層犧牲陽極技術，有效抑制了套管外腐蝕。近年來，侏羅系油井的套損與穩產的矛盾逐步凸顯，新增套損井以侏羅系為主（占比83.8%）。油井內套管防腐蝕主要采用環氧酚醛涂層內防腐蝕技術，利用改性環氧酚醛噴涂熱固化涂層隔絕腐蝕性介質。單一內涂層防腐蝕無法滿足現場需要，需進一步改進防腐蝕措施，研究試驗新型耐蝕管材，并結合其他防腐蝕等措施，降低套管局部腐蝕速率，控制油田套損率。

本工作介紹了長慶油田低合金耐蝕管材的優選及其室內高溫高壓性能的評價效果，并在油田現場實現了礦場試驗，以期為重點腐蝕區內防腐蝕技術推廣提供參考，為長慶油田全生命周期防腐蝕提供一條經濟可行的技術路徑。

1 低合金耐蝕管材研究

針對環江、鎮北油井套管嚴重的內腐蝕問題，從材料方面提升防腐蝕性能。

1 13Cr不銹鋼

行業共識Cr加量符合冶金“n/8”定律，Cr質量分數大于12.5%，鋼的電位正移（-400~550 mV），且鋼表面可形成致密的Cr2O3膜層，其耐蝕性發生質變，但成本較高。

2 低Cr鋼

在碳鋼中添加質量分數為1%~5% Cr和微量的Ni、稀土等合金元素，以提升其耐蝕性。

3 3Cr鋼和5Cr鋼

3Cr鋼和5Cr鋼的電化學曲線相似，如圖1所示，表面富集Cr(OH)3膜層；5Cr鋼的耐蝕性較3Cr鋼更好。對某鋼廠生產的13Cr鋼開展了前期評價，結果表明該材料在侏羅系井中的抗局部腐蝕性能有限，如圖1所示。

圖1 不同管材在侏羅系井中的極化曲線

限制13Cr鋼在長慶油田中應用的主要問題有：5Cr鋼成本較N80鋼提高了60%；而9Cr鋼、13Cr鋼成本較N80鋼更是提高了3~4倍；13Cr鋼在含H2S、酸化措施液等環境中應用時，需在低溫、高應力段控制硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）風險。

科學院所和鋼管公司的近期論證，研究認識一致，認為5Cr低合金耐蝕管材是有效降低局部腐蝕（50%）且經濟的選材方案，如圖2所示。

(a) 國內

(b) 國外

圖2 國內及國外不同管材的耐蝕性評價

根據長慶油田室內優選評價結果，制得了5Cr低合金耐蝕鋼，其主要化學成分為：0.106%C，0.28%Si，0.412%Mn，0.011%P，0.002%S，5.08%Cr，0.518%Mo，0.059%V，0.015%Al，0.0018%Ce。

2 低合金耐蝕管材性能評價

01 高溫高壓試驗

優選三種5Cr低合金耐蝕鋼，完成高溫高壓試驗10組共79樣次。試驗條件：溫度50~70 ℃；Cl?質量濃度30~70 g/L；pH為5.5~6.5；PCO2為0.1 MPa；總壓6 MPa。

高溫高壓試驗結果表明：各因素中溫度對5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕速率影響最大，相同腐蝕條件下，寶鋼和包鋼生產的5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕速率較N80鋼的腐蝕速率低50%以上，5Cr低合金耐蝕鋼的耐局部腐蝕能力明顯優于普通碳鋼，如圖3和圖4所示。

圖3 四種耐蝕管材的腐蝕速率隨Cl-含量的變化

(a) N80鋼

(b) 5Cr

圖4 耐蝕管材掛片清洗后的表面微觀形貌

02 熱處理性能

5Cr低合金耐蝕鋼經過熱處理后的力學性能良好，屈服強度Rt0.5為615 MPa，抗拉強度Rm為703 MPa，斷后伸長率A為27.5%，沖擊功（0℃）為312.6 J，洛氏硬度為18.0 HRC，布氏硬度為226 HBW。熱處理后的顯微組織如圖5所示，為回火索氏體。

圖5 熱處理后5Cr低合金耐蝕鋼的顯微組織

03 現場掛環試驗

2019年11月～2020年4月，在鎮北油田開展四口井下的腐蝕掛環現場評價試驗。掛環材料為J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼，掛環位置為泵下200 m、尾管。如下表所示：桐A井中的材料以均勻腐蝕為主，J55鋼的腐蝕速率是5Cr低合金耐蝕鋼的1.72～2.18倍；鎮B井中J55鋼及5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕均較輕微，腐蝕速率均小于0.076 mm/a，材料表面未見明顯腐蝕缺陷。

桐A井掛環試驗結果

如圖6~8所示：5Cr低合金耐蝕鋼表面覆蓋有致密的龜裂狀產物膜，其中Cr質量分數達13.31%，是基體Cr含量的2.6倍，說明該材料表面已形成以Cr和Fe的化合物為主的產物膜層，對基體起保護作用；J55鋼表面產物主要為疏松的鐵的化合物，未發現斷面存在明顯局部腐蝕。

圖6 桐A井掛環試驗后J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼的表面微觀形貌

圖7 桐A井掛環試驗后J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼的斷面微觀形貌

(a) J55鋼

(b) 5Cr低合金耐蝕鋼

圖8 桐A井掛環試驗后5Cr低合金耐蝕鋼和J55鋼表面腐蝕產物的能譜圖

3 現場應用

2020年9-12月在環江、鎮北重點區域腐蝕井段開展了十口井實物油管入井試驗。如圖9~10所示：與N80鋼套管相比，低合金耐蝕管材局部腐蝕速率明顯降低（降低約42%），其預測壽命可達10年；N80鋼管體內外表面均存在大量點蝕坑，個別試樣外表面存在疑似裂紋。三根油管管體腐蝕產物中均存在FeS，FeCO3，Fe3O4，Fe2O3，(MgCa)CO3，CrO等物質。