含Cr钢油井套管CO2耐蚀性能研究

WELDEDPIPEANDTUBEVol.42No.5May2019试验与研究含Cr钢油井套管CO2耐蚀性能研究*渊西安石油大学材料科学与工程学院袁西安710065冤

摘

要：针对某油田油井套管破损严重的问题袁对J55钢和3Cr尧5Cr尧9Cr和13Cr钢在含CO2油井

闫亚丽

模拟工况环境中的腐蚀速率进行了测试试验遥结果表明院在模拟CO2腐蚀环境中袁相对于J55钢袁

含Cr的合金钢腐蚀速率较低袁且随着Cr含量的增大袁腐蚀速率降低程度增大袁Cr钢表面腐蚀产物膜表面Cr的富集程度增加袁尤其13Cr最为明显袁Cr的腐蚀产物主要为非晶态的Cr渊OH冤3遥评价5种

关键词院腐蚀曰套管破损曰CO2腐蚀曰J55钢曰含Cr钢曰耐蚀性中图分类号院TG174

文献标识码院A

材质的耐蚀性能袁为含CO2油井套管的选材提供理论依据遥

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.5.005

ResearchonCO2CorrosionResistanceofCr-containingSteelOilWellCasing

YANYali

渊SchoolofMaterialScienceandEngineering,Xi爷anShiyouUniversity,Xi爷an710065,China冤

Abstract:Aimingattheseriousdamageoftheoilwellcasinginacertainoilfield,thecorrosionratesofJ55steeland3Cr,5Cr,9Crand13CrsteelweretestedinthesimulatedworkingconditionsofCO2containingoilwells.Theresultsshowedthatinsteel,andthecorrosionratedecreasedwiththeincreaseofCrcontent.ThedegreeofCrenrichmentonthesurfaceofCrsteelCr渊OH冤3.ThecorrosionresistanceofthefivekindsofmaterialswasevaluatedtoprovidetheoreticalbasisfortheselectionofCO2oilwellcasing.

Keywords:corrosion;casingdamage;CO2corrosion;J55steel;Cr-containingsteel;corrosionresistance

thesimulatedCO2corrosionenvironment,thecorrosionrateofchromium-containingalloysteelwaslowerthanthatofJ55

corrosionproductswasincreased,especially13Crwasthemostobvious.ThecorrosionproductsofCrweremainlyamorphous

0前言

役环境恶劣袁其通常要承受几百甚至上千个大气压的内压和外压袁几百吨的拉伸载荷袁还有高温及严酷的腐蚀介质的作用袁套管的寿命直非常重要遥

接决定油井的寿命[1-7]袁因此袁油井套管的选材

一般情况而言袁油井套管选材应遵循两方面的要求袁首先要考虑材料自身的特性袁其次应全

石油套管主要是用于钻井过程中和完井后支撑油尧气井井壁的钢管袁以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行遥套管在石油工业中不仅用量大袁投资大袁更重要的是其质量尧性能与石油工业的发展关系密切遥套管服

*基金项目院陕西省自然科学基础研究计划野高含H2S/CO2苛刻环境钛合金管材的耐蚀机理研究冶渊项目编号化机理研究冶渊项目编号2018JQ5108冤曰西安石油大学叶材料科学与工程曳省级优势学科渊YS37020203冤遥2016JM50冤曰陕西省自然科学基金一般项目青年项目野Al掺杂FeMn/TiN纳米涂层的相变行为和强韧窑30窑第5期

闫亚丽院含Cr钢油井套管CO2耐蚀性能研究

面分析油套管的服役环境遥通过预测及评估可能出现的腐蚀类型袁综合考虑各方面因素选择合适的耐蚀材质遥要从根本上提高金属的防腐蚀性能袁主要是通过加入少量的合金元素来增加碳钢和低合金钢的抗腐蚀性能袁在这方面目前已经有了大量的研究[8-10]遥铬渊Cr冤是常用来添加蚀与材料的含Cr量尧油气中的CO2分压以及温到钢中以增加其耐腐蚀性能的合金元素遥CO2腐

钝化膜袁随着Cr含量的增加袁耐CO2腐蚀效果管的选材具有一定的理论指导意义遥

增强[11-13]遥因此袁研究含Cr钢的耐蚀性能对油套

1

1.1

试验材料及方法

试验材料

试验材料选取J55尧3Cr尧5Cr尧9Cr尧13Cr

它能迅速在金属表而形成致密而极薄的Cr2O3表1

材质J55度密切相关遥Cr是耐CO2腐蚀最有效的元素袁

油套管用钢遥腐蚀速率测试试样尺寸为50mm伊10mm伊3mm遥各材料的化学成分见表1遥

试验材料的主要化学成分

化学成分/%w渊Cr冤0.0902.9294.63012.2708.477w渊Mo冤w渊C冤0.3800.2200.1200.1250.0w渊Si冤0.2710.2670.3800.3360.340w渊Mn冤1.2980.4340.3700.4040.533w渊P冤0.0200.0070.0140.0110.011w渊S冤0.0100.0010.0130.0030.002w渊Ni冤w渊V冤w渊Ti冤w渊Cu冤w渊Al冤3Cr5Cr13Cr9Cr0.4060.4601.0620.0680.1250.0380.0901.0450.0030.0070.0240.0350.0170.0020.0020.2060.00.0150.0190.0190.0020.0081.2

表2为腐蚀速率测试的试验条件袁为某油田

试验方法S要要要试样面积袁cm2曰t要要要试验时间袁h曰籽要要要材料密度袁g/cm3遥

600#尧800#尧1200#砂纸逐级打磨袁以消除机加工的刀痕袁再将试样用无水乙醇清洗尧除油尧冷风35/250型磁力驱动反应釜袁试验前先通入高纯试验时间为72h遥

表2

温度/益实际工况条件遥试验前袁将试样分别用320#尧

2试验结果及分析

表3为高温高压室内模拟试验结果遥由表3

吹干后测量尺寸并称重遥试验装置选用TFCZ-可知袁相对于J55钢袁含Cr的合金钢腐蚀速率明显降低袁且随着Cr含量增大袁腐蚀速率降低程度增大遥参照NACESP0775要2013标准渊表4冤

时间/hCO2分压/MPa流速/氮气除氧2h袁然后升温升压至表2设计要求袁

腐蚀速率测试试验条件

渊m窑s-1冤腐蚀介质及其含量/渊mg窑L-1冤Cl-院48115.04HCO院147.32-3规定的极严重腐蚀程度渊0.25mm/a冤袁J55钢的均匀腐蚀速率均大于0.25mm/a袁属于极严重腐蚀曰3C尧5Cr和9Cr钢属于中度腐蚀袁而13Cr钢属于轻度腐蚀遥其中袁3Cr钢的抗CO2腐蚀性

表3

不同材质油套管用钢的均匀腐蚀速率

材质J55均匀腐蚀速率/渊mm窑a-1冤0.37560.12310.09150.05960.023560SO42-院1959.22Ca2+院2069.69+矿化度院86786.02Na+K院29797.61+Mg2+院3.361.090.372能比J55钢提高3倍以上遥

4W=8.76伊10驻mS籽t用失重法计算均匀腐蚀速率袁见公式渊1冤

渊1冤

3Cr5Cr13Cr9Cr式中院驻m要要要样品腐蚀前后失重袁g曰

HANGUAN窑31窑焊管2019年第42卷

表4NACESP0775要2013标准对腐蚀程度的规定

分类轻度腐蚀中度腐蚀严重腐蚀极严重腐蚀均匀腐蚀速率/渊mm窑a-1冤约0.0250.025耀0.1250.125耀0.25跃0.25察到的微观形貌遥

由图1尧图2可见袁试样表面均以均匀腐蚀为主袁表面无明显局部腐蚀袁J55钢试样表面腐蚀严重袁表面覆盖的腐蚀产物层疏松袁而Cr钢试样表面状况明显改善袁Cr含量增加袁均匀腐蚀相对轻微袁并且随着Cr含量的增加袁试样表面腐蚀产物越来越致密遥图3为不同材质油套管J55钢腐蚀产物膜很致密袁但外层沉积膜脱落比较严重袁并且产物膜上出现空洞袁这极有可能成用钢试样横截面扫描电镜形貌遥由图3可知袁

图1尧图2为不同材质油套管钢清洗前试样表面宏观形貌和用JSM-5800型扫描电镜观

图1不同材质油套管钢清洗前试样表面宏观形貌

图2不同材质油套管钢SEM微观腐蚀形貌

窑32窑第5期

闫亚丽院含Cr钢油井套管CO2耐蚀性能研究

图3不同材质油套管钢试样横截面SEM微观腐蚀形貌

9Cr尧13Cr钢外层沉积膜不是很致密袁但是内层腐蚀产物膜保持完好袁能够对金属基体提供良好

J55钢出现很严重的局部腐蚀袁尽管3Cr尧5Cr尧

为产生局部腐蚀的诱因袁从图3可以清楚地看出并且局部腐蚀很轻微遥至于膜中出现的裂纹是由于从釜中取出后膜脱水造成的遥观察结果与前述的腐蚀速率计算结果相对应遥

图4为模拟腐蚀环境中4种含Cr钢材料的腐蚀产物EDS分析位置袁分析结果见表5~表8遥

的保护作用袁使其均匀腐蚀速率远小于J55钢袁

图4模拟腐蚀环境中试样表面腐蚀产物EDS分析位置

HANGUAN窑33窑焊管2019年第42卷

表5

元素C3Cr钢腐蚀产物EDS分析结果

1#质量分数/%10.7753.681.481.2.2023.060.2#质量分数/%7.922.423.12.3821.194.53表8

元素C13Cr钢腐蚀产物EDS分析结果

1#质量分数/%10.0629.961.233.43.580.742#质量分数/%12.3426.401.842.866.72NaCaFeCrClO46.33NaCrClOFe49.85图5~图8是这4种材料腐蚀产物的X射线衍射分析结果遥从能谱分析结果可以看出袁Cr钢表面腐蚀产物膜都出现不同程度的Cr的富集现象袁尤其13Cr最为明显袁w渊Cr冤高达49.85豫袁远大于基体Cr的名义含量遥4种材料的表面腐衍射图谱上袁也出现了Fe峰袁表现出部分基体蚀产物都是FeCO3及CaMg渊CO3冤2袁同样在X射线

表6

元素C5Cr钢腐蚀产物EDS分析结果

1#质量分数/%16.0349.023.791.028.1021.300.742#质量分数/%11.7846.334.404.1117.5110.094.74NaCaFeCrClO而腐蚀产物CaMg渊CO3冤2的出现是由于腐蚀介质中镁离子置换了部分钙离子袁从而形成了钙镁的复盐遥

含铬油套管用钢耐腐蚀性明显强于J55钢袁生

综上所述袁在含CO2的油井环境中袁4种

它是非晶态的袁在XRD中并没有表现出来曰

的信息遥由于Cr的腐蚀产物主要为Cr渊OH冤3[14-15]袁

表7元素C9Cr钢腐蚀产物EDS分析结果1#质量分数/%15.6710.840.574.6059.170.668.492#质量分数/%10.7621.840.760.48.16.351.22成的钝化膜能有效的保护金属基体袁其中3Cr钢的抗CO2腐蚀性能比J55钢高3倍以上袁使用寿命也会被延长5~6倍遥J55钢的单价为0.4万元/t袁3Cr钢的单价为0.7万元/t袁仅为

MgCrClNaO是J55钢的3倍~5倍袁不适用于低产油井遥综上所述袁3Cr钢可以作为含CO2油井经济型耐蚀套管材质遥

J55钢的1.75倍曰5Cr尧9Cr和13Cr钢的价格

Fe图53Cr钢表面腐蚀产物XRD分析结果

窑34窑第5期

闫亚丽院含Cr钢油井套管CO2耐蚀性能研究

图65Cr钢表面腐蚀产物XRD分析结果

图79Cr钢表面腐蚀产物XRD分析结果

图813Cr钢表面腐蚀产物XRD分析结果

3结论

钢袁含Cr的合金钢腐蚀速率较低袁且随着Cr含量的增大袁腐蚀速率降低程度增大袁其中3Cr钢的抗CO2腐蚀能力比J55钢高3倍左右遥

渊2冤J55钢试样表面腐蚀严重袁表面覆盖的

渊1冤在模拟CO2腐蚀环境中袁相对于J55

CO2油井经济型耐蚀套管材质遥参考文献院

济且腐蚀性能较好袁综合考虑3Cr钢可以作为含

渊3冤对于含CO2油套管钢的选材袁若要求经

腐蚀产物层疏松袁而Cr钢试样表面状况明显改善袁并且随着Cr含量的增加袁试样表面腐蚀产物越来越致密袁Cr钢表面腐蚀产物膜表面Cr的富集程度增加遥

[1]李鹤林袁田伟援面向野十二五冶的油井管[J]援钢管袁2012袁41渊1冤院1-6援

[2]杨秀琴援中国油井管的供求现状与发展[J]援金属世界袁2012渊3冤院1-10援

[3]LIHY,LIYH,WEIDD,etal.Constitutiveequationto

predictelevatedtemperatureflowstressofV150grade

HANGUAN窑35窑焊管2019年第42卷

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周宗强援长庆油田油水井套管腐蚀机理及防腐工艺技术研究[D]援成都院西南石油大学袁2009援

张瑾袁许立宁袁朱金阳袁等援高温高压CO2腐蚀环境中

含Cr低合金钢耐蚀机理的研究进展[J]援腐蚀与防护袁2017袁38渊6冤院456-460援

[10]蔡乾锋袁薛晨袁朱世东袁等援低铬油套管CO2/H2S腐

蚀研究进展[J]援表面技术袁2016袁45渊8冤院7-13援

[11]卢宋乐援含Cr低合金钢CO2/H2S环境腐蚀产物膜形

成及作用机理研究[D]援北京院北京科技大学袁2018援[12]吕祥鸿袁赵国仙袁张建兵袁等援低Cr钢在H2S/CO2环

境中的腐蚀行为研究[J].材料工程,2009渊10冤院20-25.[13]何连袁刘贤玉袁宋洵成袁等援温度对三种Cr钢腐蚀行

为的影响[J]援腐蚀与防护袁2017袁38渊5冤院391-394援[14]朱培坷,邓金根援3Cr钢和13Cr钢在高矿化度CO2

环境中的腐蚀行为[J]援腐蚀与防护袁2014,35渊12冤院1221-1225援

[15]谢涛袁林海袁许杰袁等援不同材质油套管钢的CO2腐

蚀行为[J]援表面技术袁2017袁46渊1冤院211-217援要要要要要要要要要要要要要要要要要

作者简介院闫亚丽渊1993要冤袁女袁硕士研究生袁研究方向为油气田腐蚀与防护遥

收稿日期院2019-01-19

编辑院罗刚

青海油田不断突破连续作业技术获23项国家专利

连续渊coiledtubing冤是用低碳合金钢制作的管材袁有很好的挠性袁又称挠性袁一卷连续长达几千米遥可以代替常规进行很多作业袁连续作业设备袁又称野万能作业机冶袁具有带压作业尧连续起下的特点袁已广泛应用于油气田修井尧钻井尧完井尧测井等作业袁贯穿了油气开采的全过程遥

青海油田在2009年引进了第一套进口双车式连续设备袁十年来培养了一批熟练操作人才袁成立了3个专业化连续作业队袁连续作业设备也增加到了3套袁在青海油田进行了大范围的规模化应用遥

十年来袁青海油田通过开展连续技术研究与应用袁走出了一条引进尧消化尧吸收尧创新的技术发展之路袁形成了包括泡沫冲砂尧管内除垢尧投产一体化尧水力切割尧喷砂射孔尧环空压裂尧大修打捞尧测井尧钻磨等2特色连续配套技术袁23项技术获国家专利遥

与传统作业方式相比袁连续作业具有快捷高效尧作业周期快尧施工成本低等特点遥2018年袁青海油田井下作业内伍施工年工作量2377井次袁连续作业458井次袁占比16.16%袁单机年作业井次相比常规修井机实现1︰4袁即1台连续管作业机相当于4台修井机的作业能力袁有效替代了常规修井作业遥

渊摘自中国石油新闻中心网冤

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