低cr油管鋼在無(wú)砂環(huán)境下的腐蝕行為

低cr油管鋼在無(wú)砂環(huán)境下的腐蝕行為

在石油開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)于一些弱固結(jié)或中等固結(jié)的砂巖儲(chǔ)層，應(yīng)采取防砂措施防止砂粒進(jìn)入井筒，一部分砂粒（10.50m）?；谏鲜鲈?本文研究了粉砂對(duì)1%Cr和3%Cr油管鋼CO1實(shí)驗(yàn)材料及方法(ⅰ)實(shí)驗(yàn)材料.實(shí)驗(yàn)選用含Cr量分別為1wt%和3wt%的2種油管鋼作為實(shí)驗(yàn)材料(以下簡(jiǎn)稱1Cr鋼和3Cr鋼),由天津鋼管集團(tuán)股份有限公司提供,其化學(xué)成分見(jiàn)表1.(ⅱ)實(shí)驗(yàn)溶液.實(shí)驗(yàn)溶液為模擬油田采出水溶液,pH6.8,離子濃度見(jiàn)表2.(ⅲ)實(shí)驗(yàn)砂粒.實(shí)驗(yàn)用的粉砂粒徑為13~45μm,采用325目(45μm)和1000目(13μm)組合篩網(wǎng)進(jìn)行粉砂取樣.實(shí)驗(yàn)前對(duì)粉砂的化學(xué)組成進(jìn)行了檢測(cè),能譜(energydispersivespectrometer,EDS,FEIQuanta200F,俄勒岡州,美國(guó))分析表明粉砂主要由O,Al,Si,Mg和Ca等元素構(gòu)成,X射線衍射(X-raydiffraction,XRD,D/MAX2500,理學(xué)公司,日本)分析表明粉砂為鈣鎂鋁硅酸鹽(化學(xué)式為CaO-MgO-Al(ⅳ)腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法.實(shí)驗(yàn)儀器為磁力驅(qū)動(dòng)高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕反應(yīng)釜,試樣夾具由中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì),整套設(shè)備由海安縣石油科研儀器有限公司(CWYF-1,南通)加工完成,結(jié)構(gòu)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)試樣為一端帶有圓孔的長(zhǎng)方形鋼片,尺寸為50mm(長(zhǎng))×10mm(寬)×3mm(厚).同一測(cè)試條件下,每種材料有5個(gè)測(cè)試試樣,其中3個(gè)用于計(jì)算平均腐蝕速率,1個(gè)用于腐蝕產(chǎn)物膜XRD,SEM和EDS分析(包括截面SEM和EDS),1個(gè)用于電化學(xué)測(cè)試.在進(jìn)行腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),用于電化學(xué)測(cè)試的試樣只暴露1個(gè)主面(50mm×10mm),其余部分用704硅膠密封.實(shí)驗(yàn)前,用SiC水磨砂紙將試樣表面逐級(jí)打磨至600目,清水沖洗、丙酮除油、干燥后稱重.將試樣安裝在聚四氟乙烯支架上,放入腐蝕反應(yīng)釜中,然后將配置好的溶液和稱量好的粉砂按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加入釜中.釜蓋密封后,先升溫至45℃(便于氧氣溢出)然后通入高純氮2h以除氧,再通入CO實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將掛片取出.(1)用于計(jì)算腐蝕速率的試樣用清水沖洗掉表面的附著物后,放入清洗液(水/濃鹽酸=10/1,同時(shí)加少量緩蝕劑,以保護(hù)基底)中,并用棉球反復(fù)擦拭,清除表面腐蝕產(chǎn)物,然后用清水沖洗、丙酮除油后干燥,拍攝微距照片(EX-H30CASIO,東京,日本),記錄表面的腐蝕情況,最后用電子天平(精度為0.1mg)稱重,按照NACERP0775-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均腐蝕速率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算(2)用于XRD,SEM及EDS測(cè)試的試樣用蒸餾水反復(fù)浸泡3~5次(不宜用水直接沖洗,防止腐蝕產(chǎn)物膜被損壞),溶解除去試樣表面結(jié)晶的鹵鹽,再用丙酮浸泡20~30s,待干燥后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試;(3)用于電化學(xué)測(cè)試的試樣,需將腐蝕后的試樣切成10mm長(zhǎng)的小塊,用銅導(dǎo)線焊在沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物膜的一面,然后用704硅膠將腐蝕產(chǎn)物膜以外的部位封住,進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試.(ⅴ)電化學(xué)交流阻抗測(cè)試.為研究不同環(huán)境條件下腐蝕產(chǎn)物膜的離子通透性能,測(cè)試了成膜試樣的交流阻抗譜.測(cè)試采用三電極體系,輔助電極選用大面積石墨電極,參比電極選用飽和甘汞電極,實(shí)驗(yàn)儀器為CHI660C電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(上海辰華儀器有限公司),玻璃電解池的容積為500mL,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)中所用的模擬油田采出水溶液.工作電極為無(wú)砂和含粉砂條件下的1Cr鋼和3Cr鋼試樣,電極面積為1cm2結(jié)果與分析2.1腐蝕狀況及平均腐蝕速率無(wú)砂和含粉砂兩種條件下的測(cè)試試樣從釜中取出后,發(fā)現(xiàn)試樣表面均覆蓋有完整的產(chǎn)物膜,未見(jiàn)產(chǎn)物膜脫落現(xiàn)象.清除腐蝕產(chǎn)物膜后的試樣照片如圖2所示.無(wú)砂條件下(圖2(a)和(c)),1Cr鋼和3Cr鋼表現(xiàn)為全面腐蝕,試樣表面未見(jiàn)局部點(diǎn)蝕坑,但均較粗糙加粉砂后(圖2(b)和(d)),1Cr鋼試樣出現(xiàn)了多個(gè)腐蝕深坑及針狀蝕點(diǎn),3Cr鋼試樣表面比無(wú)砂時(shí)變得更粗糙,亦可見(jiàn)細(xì)小針狀蝕點(diǎn).圖3為1Cr鋼和3Cr鋼在無(wú)砂和含粉砂條件下的平均腐蝕速率,無(wú)砂條件下1Cr鋼和3Cr鋼的平均腐蝕速率分別為1.0296和1.2254mm/a,加砂后2種材質(zhì)的平均腐蝕速率分別為4.1229和3.1882mm/a,1Cr鋼的腐蝕速率增加了3倍,3Cr鋼的腐蝕速率增加了1.6倍.2.2腐蝕產(chǎn)物膜截面形貌圖4(a)和(b)是1Cr鋼分別在無(wú)砂和含粉砂條件下的CO圖6(a)和(b)分別是1Cr鋼和3Cr鋼在含粉砂條件下的高倍產(chǎn)物膜表面電子顯微鏡照片,可以看出,腐蝕產(chǎn)物有堆垛現(xiàn)象(見(jiàn)圖6中標(biāo)記),尤其是1Cr鋼表面的堆垛現(xiàn)象十分明顯.圖5是2種材料在無(wú)砂和含粉砂條件下的CO圖7(a)和(b)是1Cr鋼分別在無(wú)砂和含粉砂條件下的產(chǎn)物膜截面形貌,由圖可見(jiàn),無(wú)砂環(huán)境中,腐蝕產(chǎn)物膜組織較均勻,而含粉砂環(huán)境中的產(chǎn)物膜夾雜有固體顆粒,厚度略大.對(duì)產(chǎn)物膜截面不同測(cè)點(diǎn)(1~6點(diǎn))進(jìn)行了EDS分析,見(jiàn)表3.無(wú)砂條件下1Cr鋼腐蝕產(chǎn)物膜主要由O,Fe和Cr等元素組成(測(cè)點(diǎn)1),為1Cr鋼在CO圖7(c)和(d)是3Cr鋼分別在無(wú)砂和含粉砂條件下的產(chǎn)物膜截面形貌,與1Cr鋼類似,無(wú)砂環(huán)境中產(chǎn)物膜組織較均勻,無(wú)異常顆粒夾雜,而含粉砂環(huán)境的產(chǎn)物膜中夾雜有固體顆粒.EDS分析(表3)表明,7點(diǎn)主要由O,Fe和Cr等元素組成,是3Cr鋼在CO2.3含粉砂環(huán)境下的低頻區(qū)容抗弧與表面活化溶解速率圖8(a)和(b)分別是成膜1Cr鋼和3Cr鋼在2種條件下的交流阻抗譜.在含粉砂條件下,成膜1Cr鋼的交流阻抗譜出現(xiàn)2個(gè)時(shí)間常數(shù),即高頻區(qū)容抗弧和低頻區(qū)感抗弧,其中高頻區(qū)容抗弧與雙電層電容和反應(yīng)傳遞電阻有關(guān),而低頻區(qū)感抗弧與試樣表面活化溶解有關(guān).無(wú)砂條件下的低頻感抗弧不明顯,這說(shuō)明含粉砂條件下,1Cr鋼表面的活化溶解速率高于無(wú)砂環(huán)境中的活化溶解速率;從容抗弧半徑可知,含粉砂條件下,成膜1Cr鋼的極化電阻遠(yuǎn)小于無(wú)砂條件下的極化電阻,說(shuō)明含粉砂溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜疏松,離子容易通過(guò),對(duì)基體的保護(hù)性差.無(wú)砂條件下,成膜3Cr鋼的阻抗譜在低頻區(qū)呈現(xiàn)Warburg阻抗特征,這是由于3Cr在無(wú)砂環(huán)境中,表面會(huì)生成保護(hù)性較好的Cr(OH)2.4腐蝕產(chǎn)物膜的制備1Cr鋼和3Cr鋼腐蝕產(chǎn)物膜的測(cè)試及分析結(jié)果表明,粉砂沒(méi)有對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜造成切削破壞,導(dǎo)致產(chǎn)物膜