我國(guó)西部蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣資源，是西氣東輸?shù)闹饕獨(dú)庠串a(chǎn)地。但是，天然氣開采面臨著超深、超高溫、超高壓和超高腐蝕性的工況環(huán)境，這是在世界范圍內(nèi)極為罕見的深地苛刻油氣環(huán)境?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明，30 %的油管在使用的初期就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的穿孔甚至斷裂，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失（圖1）。

圖1. 我國(guó)西部苛刻油氣環(huán)境的特點(diǎn)及油井管腐蝕狀態(tài)

因此，合理的選材至關(guān)重要，那么“能否發(fā)生腐蝕”，“多久會(huì)腐蝕”成為制約西部油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，也是“卡脖子”問(wèn)題之一。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目結(jié)合腐蝕熱力學(xué)和腐蝕動(dòng)力學(xué)研究，構(gòu)建了“溶解-電離-沉積”模型，建立了E-pH圖，并開發(fā)了點(diǎn)蝕壽命預(yù)測(cè)技術(shù)。

（1） 構(gòu)建“溶解-電離-沉積”關(guān)系圖指導(dǎo)苛刻油氣環(huán)境下油井的合理選材。 將腐蝕過(guò)程繪制成“溶解-電離-沉積”關(guān)系圖。揭示了苛刻油氣環(huán)境下不銹鋼耐蝕性差的根本原因：Cr3+水解導(dǎo)致界面pH快速下降，不銹鋼鈍化膜成膜困難。3Cr低合金鋼在常溫條件下耐蝕性較差，但是高溫下卻能生成穩(wěn)定的保護(hù)膜，耐蝕性能優(yōu)于HP-13Cr不銹鋼（圖2）。因此，超深井底部（>7000米，>160 ℃）應(yīng)選材3Cr低合金鋼，而非不銹鋼。中石化西北局對(duì)此進(jìn)行了實(shí)井掛片實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了我們的結(jié)論。

圖2. 不同Cr含量合金鋼在苛刻油氣環(huán)境下的“金屬-溶液”界面沉積圖

（2）構(gòu)建苛刻油氣環(huán)境下材料的“E-pH”圖和點(diǎn)蝕壽命預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)我國(guó)西部超深地層油井的腐蝕壽命評(píng)估。E-pH圖是金屬腐蝕的熱力學(xué)相圖，對(duì)于腐蝕研究的重要性不言而喻。申請(qǐng)者通過(guò)校正高溫高壓條件下的熱力學(xué)參數(shù)，綜合考慮合金各組元與H2O、Cl-、CO32-的共同作用，建立了系列性的“Fe-Cr-Cl--CO2-H2O”五元E-pH圖（圖3（a））。從熱力學(xué)角度，對(duì)苛刻油氣環(huán)境下材料腐蝕的預(yù)測(cè)。建立了“壓力-溫度-流體-應(yīng)力”四自由度的腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜耦合環(huán)境下腐蝕壽命的預(yù)測(cè)。與油氣工業(yè)通用的NACE TM0169-2000標(biāo)準(zhǔn)相比，該腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型具有更高的精確度。預(yù)測(cè)結(jié)果與塔里木油田7000米深、運(yùn)行了6年的迪那201井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)具有很好的一致性（圖3（b））。

圖3. (a) “Fe-Cr-Cl--CO2-H2O”五元E-pH圖; (b)腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

上述研究系統(tǒng)回答了“材料在苛刻油氣環(huán)境下會(huì)不會(huì)腐蝕？多久會(huì)發(fā)生腐蝕？”，這兩個(gè)長(zhǎng)期困擾我國(guó)西部油氣資源開發(fā)過(guò)程中的腐蝕問(wèn)題。本項(xiàng)目在國(guó)家自然科學(xué)基金委和中石化西北油田分公司等單位的支持下開展，發(fā)表論文23篇，授權(quán)發(fā)明專利授權(quán)3項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)。成果應(yīng)用于中石油塔里木油田和中石化塔河油田的超深油氣井，應(yīng)用單位節(jié)約建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用4.48億元，新增利潤(rùn)3472萬(wàn)。