超级13Cr不锈钢在油田模拟液中的应力腐蚀研究

为延长超深井超级13Cr不锈钢油管的生命周期,降低生产过程中复杂钻完井工作液及地层产出流体导致的应力腐蚀,开展了应力腐蚀产生机理分析,并提出了应对策略;基于聚合成膜缓蚀机理研发了缓蚀剂;在模拟工况和标准工况下,评价了超级13Cr不锈钢在酸液及加/未加缓蚀剂的返排液中的应力腐蚀情况。结果表明,加入缓蚀剂的酸液达到缓蚀要求;在返排液中,超级13Cr不锈钢的宏观腐蚀速率较大;在酸液及返排液中,超级13Cr不锈钢发生应力腐蚀,且在返排液中应力腐蚀较严重;在实验温度为140℃、压力为10 MPa的条件下,超级13Cr不锈钢在返排液中7 d后的应力腐蚀裂纹宽度为3~5μm,而加入体积分数为1%的缓蚀剂后测试72 h,超级13Cr不锈钢试片未产生应力腐蚀,说明该缓蚀剂可抑制超级13Cr不锈钢在高温环境中的应力腐蚀开裂。研究结果对超深井钻完井安全施工及安全生产具有借鉴意义。

超级13Cr马氏体不锈钢抗SSC性能研究

采用四点弯曲实验方法、电化学测试技术及扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了超级13Cr马氏体不锈钢在模拟工况和标准工况中的H2S应力腐蚀开裂(SSC)行为。结果表明:超级13Cr马氏体不锈钢在标准工况条件下具有很高的SSC敏感性,裂纹起源于表面点蚀坑处,H2S腐蚀性气体的存在及Cl-浓度的增加显著降低超级13Cr马氏体不锈钢的点蚀电位,明显增加超级13Cr马氏体不锈钢的SSC敏感性;在模拟工况条件下,超级13Cr发生SSC的敏感性降低,没有发生开裂现象。

超级13Cr油套管在含H_2S气井环境下的腐蚀试验

近20年来,在国内外H2S/CO2共存环境、高含Cl-的深井或复杂水平井中,为保障井筒寿命并控制耐蚀合金管柱成本,超级13Cr不锈钢油套管的应用逐步增多,而ISO等标准中对于超级13Cr油套管的适用条件规定严格,特别是在超级13Cr的抗硫化物应力开裂影响因素方面,不同学者研究认识不统一。为此,模拟陕北某区块含H2S气井腐蚀环境,利用电化学系统和高压腐蚀测试系统,评价了超级13Cr油套管的电化学和抗硫化物应力开裂能力。结果表明,在模拟环境下的超级13Cr电化学腐蚀速率为0.01mm/a,而传统13Cr的腐蚀速率为0.26mm/a。同时在抗硫化物应力开裂试验中,加载80%AYS和90%AYS下的超级13Cr没有出现NACE标准溶液试验下的开裂问题。该结果为类似气井环境下的超级13Cr应用提供了一定的参考。

表面缺欠对超级13Cr油管在气井酸化过程中的腐蚀行为影响研究

目的研究光滑表面、无缺欠原始表面和带缺欠原始表面13Cr油管试样在气井酸化增产改造过程中的腐蚀行为,明确不同表面状态对超级13Cr油管腐蚀行为及机理的影响。方法采用高温高压腐蚀模拟实验,研究了三种表面状态的超级13Cr油管在气井酸化过程中鲜酸和残酸环境下的腐蚀行为。分别通过宏观观察、扫描电镜、三维共聚焦显微镜分析了试样在鲜酸和残酸中腐蚀后的宏观、微观和三维形貌。结果在鲜酸溶液中,无缺欠原始表面试样和带缺欠原始表面试样腐蚀速率相当,但均明显高于光滑表面试样。在残酸溶液中,缺欠导致超级13Cr油管腐蚀速率显著增大,带缺欠原始表面试样的腐蚀速率是,是无缺欠原始表面试样的2倍,光滑试样的7.3倍。结论超级13Cr油管表面状态对其在气井酸化过程中的平均腐蚀速率和局部腐蚀有显著的影响,内表面缺欠会降低其在酸化过程中的耐蚀性能,且此类缺欠对残酸介质更为敏感。

Cl^-浓度对超级13Cr油管钢应力腐蚀开裂行为的影响

采用慢应变速率拉伸(SSRT)应力腐蚀开裂(SCC)的实验方法,通过应力应变(σ-ε)曲线、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射分析(XRD)等手段分析了超级13Cr油管钢在NaCl溶液中的抗拉强度、延伸率、断裂时间、应力腐蚀开裂敏感性指数(kscc)和断口形貌,研究了Cl-浓度对其应力腐蚀开裂行为的影响。结果显示:当NaCl溶液浓度低于15%时,超级13Cr油管钢应力腐蚀的程度较轻,抗应力腐蚀开裂性能较好;而当NaCl溶液浓度大于25%时,其应力腐蚀的程度严重,抗应力腐蚀开裂性能较差;随溶液Cl-浓度的增大,超级13Cr油管钢的力学性能降低、抗SCC性能降低、应力腐蚀开裂的倾向增大、应力腐蚀开裂敏感性指数kσ和kε均呈现增大的趋势,且kε比kσ增大的趋势更明显;Cl-浓度对超级13Cr油管钢塑性的影响比对其抗拉强度的影响更显著。

超级13Cr马氏体不锈钢在入井流体与产出流体环境中的腐蚀行为研究

通过模拟油田超深超高压高温油气井腐蚀环境,研究超级13Cr马氏体不锈钢管材抗均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂(SCC)及酸化液腐蚀的性能。研究结果表明:随着井深的增加,超级13Cr马氏体不锈钢的均匀腐蚀速率逐渐增大,且气相的均匀腐蚀速率要大于液相的腐蚀速率,但不论在液相还是在气相腐蚀条件下,均匀腐蚀速率均远小于0.1mm/a;由于超级13Cr马氏体不锈钢有较高的Mo,Ni含量,在模拟腐蚀环境中未出现明显点蚀现象,且具有良好的抗SCC性能;循环酸化腐蚀试验后试样管体和接箍部分没有出现点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀迹象。

pH值对超级13Cr钢在NaCl溶液中腐蚀行为与腐蚀膜特性的影响

采用全浸泡腐蚀方法,利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、失重法、极化曲线和交流阻抗(EIS)等分析手段,对超级13Cr油管钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀形貌、腐蚀速率、腐蚀产物及其腐蚀膜层的电性能进行了分析,研究了超级13Cr油管钢在NaCl溶液中的腐蚀行为与腐蚀膜层电性能,结果表明:超级13Cr油管钢在酸性的NaCl溶液中具有较好的抗腐蚀性能,其表面腐蚀膜层具有钝化特性,随着溶液pH值的降低,其腐蚀膜层的钝化性能增强,发生点蚀的倾向性减小,而发生全面腐蚀的倾向性增大,其腐蚀产物为Fe和Cr的氧化物组成。当溶液pH值大于4.5时,腐蚀速率随着溶液pH值的减小而增大;当溶液pH值小于4.5时,腐蚀速率随着溶液pH值的减小而减小。

大规模水力压裂过程中超级13Cr油管冲蚀预测模型建立

大规模水力压裂过程中,高速流动的携砂压裂液会对油管内壁造成冲蚀,导致油管壁厚减薄,承载能力降低。为了准确预测大规模水力压裂过程中油管的冲蚀速率,利用自制的冲蚀实验装置,采用0.2%胍胶压裂液与40/70目石英砂混合形成的液固两相流体,实验研究了冲蚀角度和流体流速对超级13Cr油管冲蚀速率的影响,建立了适用于大排量高砂比压裂的冲蚀预测模型,运用新模型,可以比较准确地预测注入总液量和排量对超级13Cr油管壁厚损失的影响。算例分析结果表明,大规模压裂过程中,超级13Cr油管的壁厚损失范围为0.2~1.3 mm,应该控制排量和砂含量,防止油管壁由于冲蚀而导致安全性降低。

压裂过程超级13Cr油管冲刷腐蚀交互作用研究

压裂过程中,高速含砂流体引起的冲蚀-腐蚀协同作用是引起油管、井下工具等设备失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀试验装置,以质量分数3.5%的NaCl含砂液、固两相流体模拟加砂压裂液,采用失质量法研究了压裂排量对超级13Cr油管材料的冲刷磨损和腐蚀交互作用。研究结果表明,在质量分数3.5%的NaCl含砂流体中,超级13Cr油管用钢冲刷和腐蚀交互作用可以分为冲刷加速腐蚀和腐蚀加速冲刷磨损2部分。以114.3 mm×6.88 mm油管压裂为例,在液体排量超过2.65 m3/min时,因为冲蚀加速腐蚀和腐蚀加速冲蚀产生的交互作用都明显增大,导致总的冲蚀速率急剧上升;继续增加排量,交互作用开始由冲刷磨损主导,而冲刷加速腐蚀部分产生的交互作用降低。研究结果可为预防油气田压裂过程超级13Cr油管冲蚀提供参考。

超级13Cr和P110油管钢在NaCl溶液中电偶腐蚀行为的研究

采用电化学方法研究了超级13Cr-P110钢偶对在NaCl溶液中的电偶腐蚀行为,测试了开路电位、电偶电流和电偶电位,采用SEM、EDS和XRD分别对腐蚀形貌和产物进行了表征。结果表明,超级13Cr和P110钢在NaCl溶液中存在明显的电位差,两者偶接时超级13Cr作为阴极被保护,而P110钢作为阳极被加速腐蚀,该电偶对产生的电偶电流密度会形成严重的电偶腐蚀,随着Sc/Sa的增大,电偶电流明显增大,阳极的腐蚀程度加重,腐蚀产物为氧化物,腐蚀破坏的形式由腐蚀产物疏松转变为腐蚀膜层开裂形成的片层状脱落。

超级13Cr钢在含CO_2的CaCl_2完井液中应力腐蚀开裂行为

采用四点弯曲法实验研究了超级13Cr马氏体不锈钢在1.0MPaCO2、100℃和150℃下,密度为1.318kg/L的CaCl2完井液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为;同时研究了溶液中氧含量和少量醋酸对应力腐蚀开裂敏感性的影响。结合动电位极化曲线,考察了材料在不同条件下的腐蚀电化学行为,其结果和四点弯曲法实验结果一致。在150℃不除氧条件下,材料的应力腐蚀开裂最敏感,此时开路电位(Ecorr)处于极化曲线上的第二个活化-钝化转换区域。扫描电子显微镜(SEM)结果显示,超级13Cr马氏体不锈钢以沿晶型方式开裂。

超级13Cr油管在不同完井液中的应力腐蚀开裂敏感性

通过慢应变速率试验(SSRT),结合能谱分析(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)观察等手段,研究了超级13Cr不锈钢油管在三种油田常用磷酸盐完井液中的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性。结果表明:超级13Cr不锈钢油管在120℃、三种磷酸盐完井液环境中均存在一定程度的SCC敏感性,且其在三种磷酸盐完井液中的腐蚀程度由弱到强依次为1号磷酸盐完井液<2号磷酸盐完井液<3号磷酸盐完井液。材料SCC敏感性的增加源于材料腐蚀的加剧和断裂韧性的下降。

超级13Cr马氏体不锈钢在鲜酸中的腐蚀行为

通过不同温度的高温高压鲜酸(15%HCl+1.5%HF+3%HAc+4.5%缓蚀剂)腐蚀试验及极化曲线测量,研究超级13Cr马氏体不锈钢油管材质在鲜酸溶液中的腐蚀行为及其与酸化缓蚀剂的匹配性。结果表明:鲜酸中加入酸化缓蚀剂,超级13Cr的开路电位正移,自腐蚀电流密度显著降低,酸化缓蚀剂主要改变了超级13Cr的阳极过程;在较低温度条件下,超级13Cr与酸化缓蚀剂的匹配性良好;随着鲜酸试验温度的提高,超级13Cr材质的均匀腐蚀速率增大,其在160℃的均匀腐蚀速率为47.08mm/a,接近50.8mm/a;温度低于120℃,超级13Cr未出现明显点蚀,超过160℃,其点蚀程度显著增大;140~160℃应为酸化缓蚀剂缓蚀效果显著降低的突变区。

微观组织对高强度超级13Cr材料性能的影响

为了满足塔里木盆地含CO_2致密砂岩气藏氮气钻完井一体化管柱的需要,中国石油塔里木油田公司与钻杆生产厂家联合研制了一种既满足钻井工况又能满足完井和采气工况的高强度超级13Cr不锈钢油钻杆。为检验该油钻杆的可靠性,开展了管材的机械性能和腐蚀性能室内试验检测对比研究:采用金相显微镜观测得出了该油钻杆金相组织特征;采用拉伸试验机和示波冲击试验机实验测得了该油钻杆材料的基本力学性能;采用高温高压循环流动腐蚀仪实验获得了模拟工况下油钻杆材料的耐腐蚀性能。结果表明,超级13Cr油钻杆金相组织均匀、δ-铁素体含量符合标准要求;拉伸性能达到了S135级钻杆的强度要求,屈服强度达953 MPa;冲击性能优于S135级钻杆,冲击功达165.56 J;在模拟高温、高含CO_2、高矿化度采气工况下油钻杆耐均匀腐蚀和耐点蚀性能良好,而较高的δ-铁素体含量对照样在模拟采气工况下出现严重点蚀,不能满足油田生产要求。结论认为,新研制的超级13Cr油钻杆性能优良,将在塔里木油田氮气钻完井作业中得到充分应用。

超级13Cr不锈钢的临界点蚀温度

采用电化学测试和化学浸泡两种方法,研究了超级13Cr不锈钢的临界点蚀温度,并对其点蚀形貌进行了分析。结果表明,电化学和化学浸泡法测定的超级13Cr钢的临界点蚀温度相差了4℃,主要原因是FeCl3强烈的氧化作用促进了点蚀的发生。化学浸泡法主要适用对比评价几种材料的耐点蚀性能,电化学测试则可准确描述点蚀形成的临界条件。当温度低于临界点蚀温度(CPT)时,材料表面形成孔径小于30μm的点蚀坑,蚀坑处于亚稳态;当温度高于CPT时,为点蚀的发展提供了条件,形成稳定的点蚀。

超级13Cr马氏体不锈钢在单质硫环境中的腐蚀行为

采用单质硫悬浮实验法,利用失重法、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)和pH计等分析手段,研究了单质硫沉积对国产超级13Cr马氏体不锈钢在模拟高温高压环境中腐蚀行为的影响,分析了腐蚀产物的表面形貌、元素组成及其含量、组分以及单质硫对高浓度NaCl溶液酸化程度的影响。结果表明:国产超级13Cr马氏体不锈钢的耐蚀性能因单质硫的添加而降低,其均匀腐蚀速率随着单质硫含量的增大而增大,并且在90℃取得最大值,但均小于0.0125mm/a;单质硫的添加改变了腐蚀产物膜的组分,硫化物的含量随单质硫含量的增大而增大;单质硫/金属界面处的pH值因单质硫与水发生歧化反应而降低,进而降低了超级13Cr马氏体不锈钢的耐蚀性能,Cl-与单质硫协同作用进一步加剧其腐蚀。

超级13Cr钢在不同温度NaCl溶液中的膜层电特性与腐蚀行为

采用全浸泡腐蚀实验方法和扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、失重法、极化曲线、交流阻抗等分析手段,对超级13Cr油管钢在不同温度NaCl溶液中的腐蚀速率、腐蚀形貌、腐蚀产物及其膜层的电性能进行了分析,研究了溶液温度对其膜层电性能和腐蚀行为的影响。结果显示:超级13Cr油管钢在温度低于80℃的NaCl溶液中具有较好的耐腐蚀性,其表面膜层具有钝化特性,温度对其腐蚀有一定程度的影响,随溶液温度的升高,钝化膜层对基体的保护作用降低,其抗腐蚀性能降低,发生腐蚀的倾向性增大,当溶液温度高于60℃时尤为显著。超级13Cr在不同温度NaCl溶液中由点蚀引发了局部腐蚀,进而导致了全面腐蚀的发生,其腐蚀产物均由Fe和Cr的氧化物组成,且表面的腐蚀产物疏松不致密。

超级13Cr钢在蒸馏水和3.5 wt% NaCl含砂流体中的冲蚀实验研究

大型储层改造过程中,高速含砂流体引起的冲蚀是管柱失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀实验装置,以蒸馏水和3.5 wt%Na Cl为模拟溶液,对比研究了超级13Cr钢在含砂液固两相流体中的冲蚀速率随主流速度和压裂排量的变化规律。分析了Cl^-1对超级13Cr钢的冲蚀的加速作用机理。研究表明,对于89mm×6.45 mm油管压裂,当排量低于2.2 m^3/min时,Cl^-1加速超级13Cr钢冲蚀速率作用不够明显;当排量在2.2-2.75 m^3/min时,Cl^-1使得电化学腐蚀加剧,导致总的冲蚀速率急剧增加;当排量大于2.75 m^3/min时,冲蚀速率主要由冲刷流体产生及机械作用主导,Cl^-1的影响开始降低。

温度对超级13Cr马氏体不锈钢CO_2腐蚀行为的影响

在模拟某油田腐蚀环境中,采用高温高压CO2腐蚀试验及SEM、EDS和XPS等测试手段,研究温度对超级13Cr马氏体不锈钢CO2腐蚀行为的影响。结果表明,在气、液两相环境下,随温度升高,超级13Cr马氏体不锈钢的均匀腐蚀速率增大,局部腐蚀速率呈现上升的趋势;随温度升高,点蚀敏感性增强;表面钝化膜主要成分是Cr2O3。

含CO_2甲酸盐完井液中超级13Cr不锈钢的局部腐蚀性能

在深井及超深井中,超级13Cr油管失效的情况时有发生。为确定超级13Cr油管在井下环境中发生点蚀及局部腐蚀的风险,采用高温高压腐蚀试验方法研究了模拟井筒环境下超级13Cr油管的表面腐蚀形貌,并通过微区电化学扫描开尔文探针(SKP)方法研究了超级13Cr在饱和CO2环境中的电位分布。通过腐蚀形貌观察发现,在高温环境下,试样表面出现明显的局部腐蚀现象。而SKP扫描结果也表明,随着浸泡时间的增加,阳极区与阴极区电位差值逐渐变大,并出现明显的电位峰值,局部腐蚀不断加速。