摘要

重點關注(zhu)了(le)吉林油(you)(you)(you)(you)田中(zhong)(zhong)更換的(de)(de)(de)(de)L80油(you)(you)(you)(you)套管(guan)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)行(xing)為(wei)，通過(guo)SEM和(he)體(ti)式(shi)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)對其表(biao)(biao)面形(xing)貌(mao)和(he)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)(wu)進行(xing)了(le)分(fen)析，同時采(cai)(cai)用電化學測(ce)試和(he)慢應(ying)變速(su)率拉(la)伸實驗對模(mo)擬油(you)(you)(you)(you)井采(cai)(cai)出(chu)液環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)試樣(yang)的(de)(de)(de)(de)電化學性(xing)能和(he)應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開(kai)裂風(feng)險(xian)進行(xing)了(le)評估。結果(guo)表(biao)(biao)明，在(zai)吉林油(you)(you)(you)(you)田服(fu)役一(yi)段時間后(hou)，L80套管(guan)鋼的(de)(de)(de)(de)外壁腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)比較輕微(wei)(wei)，主(zhu)要以均勻腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)為(wei)主(zhu)，僅有少量的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)(wu)在(zai)表(biao)(biao)面附著(zhu)；而(er)L80套管(guan)的(de)(de)(de)(de)內壁腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)程(cheng)度相對嚴重，有一(yi)層致密(mi)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)(wu)覆蓋在(zai)基體(ti)表(biao)(biao)面，且在(zai)產(chan)物(wu)(wu)膜下(xia)出(chu)現了(le)一(yi)定(ding)程(cheng)度的(de)(de)(de)(de)局部腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)和(he)點蝕(shi)(shi)(shi)坑，伴(ban)隨著(zhu)一(yi)些(xie)細小(xiao)的(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)裂紋(wen)。室內研究表(biao)(biao)明，服(fu)役環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)水分(fen)增加、CO2和(he)H2S的(de)(de)(de)(de)產(chan)生均能加速(su)其電化學過(guo)程(cheng)，從而(er)加速(su)L80鋼在(zai)油(you)(you)(you)(you)田采(cai)(cai)出(chu)液中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。然(ran)而(er)，這些(xie)因素(su)對其應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)敏感性(xing)影響較小(xiao)。L80鋼在(zai)模(mo)擬油(you)(you)(you)(you)田采(cai)(cai)出(chu)水環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)具有較好的(de)(de)(de)(de)耐應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開(kai)裂性(xing)能，說明其作(zuo)為(wei)油(you)(you)(you)(you)井中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)油(you)(you)(you)(you)套管(guan)材料(liao)具有較小(xiao)的(de)(de)(de)(de)應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開(kai)裂風(feng)險(xian)。

關鍵詞： L80油套(tao)管； CO2/H2S; 含水率； 應力(li)腐蝕(shi)； 點蝕(shi)

近年來(lai)，隨著石油(you)(you)和天然氣(qi)資(zi)源(yuan)需求的(de)加大(da)，各類油(you)(you)管鋼得到大(da)量應(ying)(ying)用[1,2,3]。在(zai)油(you)(you)氣(qi)開(kai)采(cai)過程中，油(you)(you)管材(cai)料會長(chang)期處于油(you)(you)井采(cai)出(chu)液(ye)環(huan)(huan)境中。油(you)(you)井采(cai)出(chu)液(ye)及伴生(sheng)氣(qi)中通常含有大(da)量的(de)CO2和H2S等氣(qi)體，隨著時間的(de)推(tui)移(yi)，能(neng)夠形(xing)成強(qiang)烈的(de)酸性腐蝕(shi)環(huan)(huan)境。同時由于采(cai)油(you)(you)井底壓力(li)、油(you)(you)藏(zang)溫度、含水率和pH值等因素變化(hua)，往往會導致油(you)(you)管鋼發生(sheng)嚴重的(de)腐蝕(shi)[4,5,6,7,8,9]，甚至(zhi)由此引發安全問題。世界上多(duo)處油(you)(you)田均發生(sheng)過由于腐蝕(shi)特別(bie)是應(ying)(ying)力(li)腐蝕(shi)開(kai)裂(lie) （SCC） 導致的(de)油(you)(you)管鋼失效事(shi)故[10,11]。

吉林(lin)油(you)(you)田(tian)是一(yi)個老油(you)(you)田(tian)，位于吉林(lin)省松原市，始(shi)建于1961年，為了提高采收率采用了CO2注(zhu)入(ru)(ru)(ru)驅(qu)油(you)(you)技術。然而(er)，CO2注(zhu)入(ru)(ru)(ru)導致下游(you)設備(bei)發生腐(fu)(fu)蝕(shi)[12]，其在(zai)長(chang)期注(zhu)入(ru)(ru)(ru)開(kai)采過程中(zhong)還會產生次(ci)生的(de)H2S，進一(yi)步加重腐(fu)(fu)蝕(shi)。油(you)(you)管鋼(gang)(gang)服(fu)役(yi)環(huan)境(jing)屬于典型的(de)H2S與CO2共存(cun)環(huan)境(jing)。相關(guan)調(diao)查(cha)表明，隨著(zhu)注(zhu)水開(kai)采時(shi)間的(de)延長(chang)，原油(you)(you)含(han)水率達(da)到約85%，腐(fu)(fu)蝕(shi)可(ke)能已經發生并進入(ru)(ru)(ru)了快速發展階(jie)段。高含(han)水率、CO2以及次(ci)生H2S等(deng)多(duo)重因素的(de)協同作用極易(yi)引發腐(fu)(fu)蝕(shi)，大(da)大(da)加速油(you)(you)管鋼(gang)(gang)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)速率，甚至提高受(shou)力管段和(he)部件(jian)的(de)硫(liu)致SCC風險[13,14,15]，極大(da)程度上(shang)影響油(you)(you)套管的(de)服(fu)役(yi)壽命。因此，有必要對吉林(lin)油(you)(you)田(tian)環(huan)境(jing)中(zhong)服(fu)役(yi)的(de)油(you)(you)管鋼(gang)(gang)開(kai)展腐(fu)(fu)蝕(shi)行為調(diao)查(cha)，對其腐(fu)(fu)蝕(shi)機理(li)進行分析，同時(shi)結合室(shi)內腐(fu)(fu)蝕(shi)電(dian)化學技術和(he)慢應(ying)變速率拉伸實驗，判斷(duan)其SCC開(kai)裂傾向，為油(you)(you)管鋼(gang)(gang)在(zai)吉林(lin)油(you)(you)田(tian)的(de)安全服(fu)役(yi)提供相應(ying)的(de)理(li)論依(yi)據和(he)技術支撐。

本(ben)工作利用體式顯微(wei)鏡、掃描(miao)電(dian)子(zi)顯微(wei)鏡 （SEM） 手段，結合現(xian)場(chang)(chang)工況條件，對(dui)現(xian)場(chang)(chang)服役過(guo)的L80油管鋼內外壁腐(fu)蝕行為進行了對(dui)比(bi)分(fen)析(xi)，通過(guo)電(dian)化學阻抗(kang)譜、極化曲線測量和(he)慢應變速率拉伸實驗研究了L80鋼在模擬油田采出水環境中的電(dian)化學和(he)SCC行為。

1 實(shi)驗方法

1.1 實驗材料

實(shi)驗材(cai)料為(wei)CO2驅油(you)區(qu)塊某采油(you)井中服役過(guo)一段時(shi)間的(de)L80油(you)套(tao)管(guan)鋼，其(qi)化學成(cheng)分 （質量(liang)分數(shu)，%） 為(wei)：C 0.29，S 0.001，P 0.007，Si 0.21，Mn 1.32，Cu 0.09，Fe余量(liang)。利用(yong)線切割切取一端面積(ji)為(wei)1 cm×1 cm的(de)塊狀試樣，并通過(guo)砂紙(zhi)逐級(ji)打(da)磨，然(ran)后拋光和酒精清洗，接著用(yong)4% （體(ti)積(ji)分數(shu)） 硝酸進行刻蝕，金(jin)相組織照片(pian)見(jian)圖1。可以看出，L80油(you)管(guan)鋼的(de)晶粒(li)細小均(jun)勻，主要由針狀鐵素體(ti)和少量(liang)多邊形(xing)鐵素體(ti)組成(cheng)，并未觀察到較大尺寸的(de)夾(jia)雜物。

圖(tu)1   L80油(you)管鋼金相組織

1.2 帶(dai)銹油管腐蝕(shi)行為分析

將(jiang)L80油(you)管鋼帶銹(xiu)試(shi)樣置(zhi)于(yu)VHX-2000體式顯(xian)微鏡和Quanta 250 型SEM下觀察其銹(xiu)層形貌，同(tong)時(shi)采用EDAX Elite T型能譜儀 （EDS） 對銹(xiu)層成分進行鑒定。隨后，利(li)用除銹(xiu)液 （500 mL H2O+500 mL HCl+4~10 g六(liu)次甲基四(si)胺） 超聲(sheng)去(qu)除表面腐蝕產物，利(li)用SEM和體視顯(xian)微鏡分別對其表面腐蝕形貌和點蝕深度(du)進行分析。

1.3 室內電化學測量

利用傳統的三(san)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)體系在P2273型電(dian)(dian)(dian)化學(xue)(xue)工(gong)作(zuo)站上進(jin)行(xing)電(dian)(dian)(dian)化學(xue)(xue)阻(zu)抗(kang)譜(pu)和(he)極(ji)(ji)化曲(qu)線(xian)(xian)(xian)測(ce)量，其中(zhong)(zhong)L80鋼為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)，Pt片(pian)為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)對電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)，飽和(he)甘汞電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji) （SCE） 為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)參比電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)。試樣(yang)(yang)尺寸為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)10 mm×10 mm×3 mm，工(gong)作(zuo)面積為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)1 cm×1 cm。測(ce)量之(zhi)前先將(jiang)試樣(yang)(yang)用環氧樹脂密(mi)封，將(jiang)工(gong)作(zuo)面用砂紙逐級打磨至2000#，然(ran)后置于腐蝕環境中(zhong)(zhong)30 min，獲得(de)穩定的開路電(dian)(dian)(dian)位。阻(zu)抗(kang)譜(pu)的激(ji)勵電(dian)(dian)(dian)位為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)10 mV，掃(sao)描范圍為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)105~10-2 Hz。極(ji)(ji)化曲(qu)線(xian)(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)位掃(sao)描區間為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)-1.2~0 VSCE，掃(sao)描速率(lv)(lv)為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)0.5 mV/s。每組電(dian)(dian)(dian)化學(xue)(xue)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)測(ce)量3次以確保(bao)其準確性。電(dian)(dian)(dian)化學(xue)(xue)測(ce)試環境為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)不同含(han)(han)水率(lv)(lv)、CO2和(he)H2S分(fen)(fen)壓下的油田腐蝕環境模擬液，實驗溫度為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)80 ℃，含(han)(han)水率(lv)(lv)分(fen)(fen)別(bie)為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)30%和(he)80%，CO2分(fen)(fen)壓分(fen)(fen)別(bie)為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)0，0.5和(he)1.1 MPa，H2S分(fen)(fen)壓分(fen)(fen)別(bie)為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)0，0.03和(he)0.15 MPa，其中(zhong)(zhong)總壓為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)10 MPa。

1.4 室內慢應變速率拉伸實驗(yan)

利用慢應(ying)變速率拉(la)(la)(la)伸(shen)實(shi)驗(yan)研究了L80鋼在上(shang)述模(mo)(mo)擬(ni)油(you)井采出液(ye)(ye)下(xia)的(de)SCC行為(wei)和(he)敏感性，模(mo)(mo)擬(ni)溶液(ye)(ye)成分與電化學測試(shi)溶液(ye)(ye)保(bao)持(chi)一致。采用標準的(de)片狀拉(la)(la)(la)伸(shen)試(shi)樣(yang)，其中(zhong)間工作段長度為(wei)30 mm，寬度和(he)厚度分別為(wei)6和(he)2 mm。為(wei)了更好地模(mo)(mo)擬(ni)已(yi)服役(yi)過的(de)L80鋼的(de)力(li)學性能，先(xian)將試(shi)樣(yang)置于油(you)田(tian)采出液(ye)(ye)腐(fu)蝕環境中(zhong)720 h，然后(hou)取出試(shi)樣(yang)進行實(shi)驗(yan)。其中(zhong)一組(zu)試(shi)樣(yang)直(zhi)接在空氣中(zhong)拉(la)(la)(la)伸(shen)，其它試(shi)樣(yang)分別在各自(zi)的(de)腐(fu)蝕液(ye)(ye)中(zhong)拉(la)(la)(la)伸(shen)。實(shi)驗(yan)前(qian)先(xian)將試(shi)樣(yang)置于500 N預加(jia)載(zai)力(li)維持(chi)24 h以(yi)便(bian)避免夾具間縫隙(xi)，隨后(hou)開始實(shi)驗(yan)直(zhi)至試(shi)樣(yang)斷裂。拉(la)(la)(la)伸(shen)速率為(wei)1×10-6 s-1，每組(zu)曲線測量3次以(yi)確(que)保(bao)其準確(que)性。

2 結(jie)果與討(tao)論(lun)

2.1 L80鋼腐蝕(shi)產物(wu)成分

圖2所(suo)示為(wei)L80油(you)管(guan)鋼(gang)帶(dai)銹(xiu)的(de)表面腐蝕(shi)(shi)形(xing)貌。可(ke)見，L80油(you)管(guan)鋼(gang)的(de)外(wai)壁腐蝕(shi)(shi)比較輕微，僅出現(xian)一些(xie)斑點銹(xiu)跡，外(wai)層有(you)脫落現(xian)象(xiang)，外(wai)表面附著少量的(de)腐蝕(shi)(shi)產物(wu)。油(you)管(guan)鋼(gang)表面并(bing)未(wei)觀察到明(ming)顯(xian)的(de)局部腐蝕(shi)(shi)或(huo)者點蝕(shi)(shi)現(xian)象(xiang)。相比之下，油(you)管(guan)鋼(gang)內壁銹(xiu)層堆積明(ming)顯(xian)，形(xing)成了(le)一層薄的(de)腐蝕(shi)(shi)產物(wu)膜，腐蝕(shi)(shi)產物(wu)較為(wei)致密，為(wei)基體(ti)提供了(le)一定(ding)程(cheng)度(du)的(de)保護(hu)作(zuo)用，但也(ye)易于引起局部腐蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)[16,17]，加速油(you)管(guan)鋼(gang)的(de)腐蝕(shi)(shi)穿孔或(huo)SCC。

圖2   L80油管鋼表面(mian)腐(fu)蝕產物形貌照片(pian)

圖3所(suo)示(shi)為L80鋼內(nei)外表面腐(fu)蝕(shi)產物EDS分析結果。內(nei)外壁腐(fu)蝕(shi)產物元素組成基本相同，主要由Fe、S、O和(he)C這4種元素構(gou)成，其(qi)中(zhong)(zhong)S和(he)C含(han)(han)量遠高(gao)于(yu)基體成分。這說明L80鋼在服(fu)役過程中(zhong)(zhong)受到外來介(jie)質的(de)(de)侵蝕(shi)。在石油(you)(you)(you)開采(cai)過程中(zhong)(zhong)，油(you)(you)(you)井采(cai)出(chu)液(ye)及伴生氣(qi)中(zhong)(zhong)含(han)(han)有(you)CO2和(he)H2S等氣(qi)體，容易與L80油(you)(you)(you)管鋼接觸并形成FeS和(he)FeCO3等腐(fu)蝕(shi)產物。圖3中(zhong)(zhong)列出(chu)了各元素的(de)(de)質量分數，其(qi)結果顯示(shi)外壁產物中(zhong)(zhong)S含(han)(han)量達到26.58%，而內(nei)壁中(zhong)(zhong)S僅有(you)10.13%。這是由于(yu)FeS較為致(zhi)密，通(tong)常處于(yu)腐(fu)蝕(shi)產物膜的(de)(de)最內(nei)側，EDS檢測到的(de)(de)僅為表面的(de)(de)S含(han)(han)量，因此相比外側產物中(zhong)(zhong)的(de)(de)S含(han)(han)量有(you)所(suo)降低。

圖3   L80油(you)管鋼腐(fu)蝕產物EDS分(fen)析結果

2.2 L80鋼腐蝕形貌

除去表(biao)面腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)產物后，采用體式顯微鏡對其表(biao)面點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)深(shen)度進行檢(jian)測，如圖4所(suo)(suo)示。從表(biao)面形貌可以看出，外(wai)壁(bi)腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)較(jiao)為一致，以均勻(yun)(yun)腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)為主。表(biao)面蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)較(jiao)少(shao)，并未觀察(cha)到較(jiao)大較(jiao)深(shen)的點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)，所(suo)(suo)測坑(keng)深(shen)為35.47 μm。相比之(zhi)下，L80鋼(gang)內壁(bi)上(shang)局部(bu)腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)程度較(jiao)為嚴(yan)重(zhong)，最大蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)深(shen)度可達118.59 μm，遠高于(yu)外(wai)側蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)的，這是由于(yu)腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)產物膜的覆蓋減(jian)緩了均勻(yun)(yun)腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)過程，誘(you)導腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)的萌生(sheng)和擴(kuo)展，相比之(zhi)下更(geng)容(rong)易引起SCC。

圖4   L80油管鋼表面點(dian)蝕坑觀察

隨后(hou)，通過(guo)SEM對試樣內外表面的腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕形貌進行了觀(guan)察，結果(guo)如圖(tu)5所示(shi)。從圖(tu)5a可以(yi)看出，L80鋼(gang)的外壁腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕較為輕微，主(zhu)要以(yi)均勻腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕為主(zhu)，并(bing)未觀(guan)察到蝕坑(keng)和(he)(he)裂紋。而內壁腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕非常嚴(yan)重，以(yi)局部(bu)(bu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕為主(zhu)，呈現出大量(liang)的點蝕坑(keng)和(he)(he)微裂紋，這種(zhong)局部(bu)(bu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕現象極(ji)易(yi)引起SCC，導(dao)致L80油管鋼(gang)的突然失(shi)效。結合上述腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕產物分析和(he)(he)點蝕坑(keng)深度測量(liang)可以(yi)確定，管內壁上大量(liang)點蝕坑(keng)和(he)(he)微裂紋的萌生主(zhu)要是由(you)于生成的致密腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕產物膜(mo)，導(dao)致油管鋼(gang)的腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕形式由(you)全面腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕向局部(bu)(bu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕轉變。同時，致密產物膜(mo)下(xia)容易(yi)產生閉塞自催化效應(ying)，從而誘發點蝕和(he)(he)微裂紋，在(zai)長期服役過(guo)程(cheng)中影響(xiang)其服役安全。

圖(tu)5   L80油管鋼除銹后的(de)腐蝕形貌觀察

2.3 電(dian)化學行為

2.3.1 阻(zu)抗譜分析

采用(yong)不同含(han)水率(lv)(lv)、CO2和(he)H2S分(fen)壓條件(jian)下的油田腐蝕(shi)(shi)模擬液對(dui)L80鋼(gang)電化學和(he)SCC行(xing)為(wei)(wei)進(jin)行(xing)了(le)研究，圖(tu)6所示(shi)即為(wei)(wei)各種條件(jian)下的阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)譜結果。各種條件(jian)下L80鋼(gang)的阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)均呈(cheng)(cheng)現出(chu)(chu)(chu)兩(liang)個半(ban)圓弧(hu)(hu)，表明有(you)兩(liang)個時(shi)間常數。由圖(tu)6a可以看出(chu)(chu)(chu)，含(han)水率(lv)(lv)對(dui)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)弧(hu)(hu)半(ban)徑(jing)產(chan)生顯(xian)著(zhu)的影響，當(dang)含(han)水率(lv)(lv)從(cong)30%增(zeng)加(jia)到(dao)80%，其(qi)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)弧(hu)(hu)半(ban)徑(jing)從(cong)15000 Ω·cm2降到(dao)了(le)600 Ω·cm2，表明其(qi)耐蝕(shi)(shi)性(xing)急(ji)劇(ju)下降。相比(bi)含(han)水率(lv)(lv)，CO2和(he)H2S分(fen)壓的改變對(dui)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)的影響較低(di)。當(dang)CO2分(fen)壓從(cong)0 MPa增(zeng)加(jia)到(dao)0.5 MPa時(shi)，其(qi)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)值變化較小；而(er)(er)(er)繼續增(zeng)大CO2分(fen)壓到(dao)1.1 MPa時(shi)，其(qi)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)弧(hu)(hu)半(ban)徑(jing)有(you)一(yi)個明顯(xian)的縮小，體現出(chu)(chu)(chu)腐蝕(shi)(shi)能力(li)的下降。H2S與上述(shu)兩(liang)種因素不同，當(dang)其(qi)分(fen)壓較低(di)時(shi)，如(ru)0.03 MPa，其(qi)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)呈(cheng)(cheng)現出(chu)(chu)(chu)增(zeng)大的現象；而(er)(er)(er)繼續增(zeng)加(jia)H2S濃度至0.15 MPa時(shi)，阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)弧(hu)(hu)半(ban)徑(jing)則(ze)顯(xian)著(zhu)降低(di)。這是因為(wei)(wei)當(dang)H2S濃度較低(di)時(shi)，試(shi)樣表面能夠形成一(yi)層致密的腐蝕(shi)(shi)產(chan)物膜(mo)，為(wei)(wei)基體提(ti)供了(le)一(yi)定程(cheng)度的保護作用(yong)，從(cong)而(er)(er)(er)增(zeng)大了(le)其(qi)耐蝕(shi)(shi)性(xing)。

圖6   L80鋼在不(bu)同(tong)條件(jian)下(xia)的油(you)田模擬液中的電化學阻(zu)抗譜

2.3.2 極化曲線分析

圖(tu)7所示為L80鋼在不同條(tiao)件下的(de)(de)動電(dian)位極化(hua)(hua)曲線。可以(yi)看出，含水率(lv)、CO2和(he)H2S濃度(du)的(de)(de)變化(hua)(hua)并沒有(you)改變L80鋼在油(you)田模擬液中(zhong)的(de)(de)陰陽極過程(cheng)(cheng)，陽極表(biao)現出明顯(xian)(xian)的(de)(de)活性(xing)溶解過程(cheng)(cheng)，而(er)陰極為吸氧(yang)和(he)析(xi)氫反應的(de)(de)混合過程(cheng)(cheng)。含水量從30%增大到(dao)80%時，陰陽極過程(cheng)(cheng)均(jun)呈現出明顯(xian)(xian)的(de)(de)右移現象，如圖(tu)7a所示，腐蝕(shi)(shi)電(dian)流密度(du)增大了兩個數量級，表(biao)明其電(dian)化(hua)(hua)學過程(cheng)(cheng)得到(dao)顯(xian)(xian)著的(de)(de)促進。同時，腐蝕(shi)(shi)電(dian)位降(jiang)低(di)近200 mV，說明含水率(lv)的(de)(de)增大降(jiang)低(di)了L80鋼的(de)(de)耐蝕(shi)(shi)性(xing)，顯(xian)(xian)著加劇了腐蝕(shi)(shi)電(dian)化(hua)(hua)學過程(cheng)(cheng)，這(zhe)一結(jie)果與EIS測試結(jie)果相一致(zhi)。

圖7   不同條(tiao)件下(xia)L80鋼在(zai)模擬油田采出水環境(jing)中(zhong)的極化曲線

CO2和H2S分壓的改(gai)變并未對(dui)腐蝕電(dian)位產(chan)(chan)生(sheng)較大(da)(da)的影響(xiang)，這在熱(re)力學上說(shuo)明(ming)，其(qi)耐蝕性并未受(shou)到明(ming)顯的改(gai)變，如圖(tu)7b和c所示，這與EIS分析結果(guo)相一(yi)致(zhi)。然而，CO2和H2S的增(zeng)加對(dui)其(qi)陰(yin)陽(yang)(yang)極(ji)(ji)過(guo)程(cheng)(cheng)也產(chan)(chan)生(sheng)了一(yi)定(ding)的影響(xiang)，隨(sui)著CO2的增(zeng)加，電(dian)化(hua)學陰(yin)陽(yang)(yang)極(ji)(ji)過(guo)程(cheng)(cheng)均(jun)呈現出右(you)移的趨勢(shi)，腐蝕電(dian)流(liu)密(mi)度(du)增(zeng)大(da)(da)一(yi)個數(shu)量級，說(shuo)明(ming)其(qi)電(dian)化(hua)學過(guo)程(cheng)(cheng)得到較大(da)(da)的促進(jin)。H2S濃度(du)的增(zeng)大(da)(da)則呈現出不同的趨勢(shi)，當濃度(du)僅為0.03 MPa時(shi)(shi)，電(dian)化(hua)學陰(yin)陽(yang)(yang)極(ji)(ji)過(guo)程(cheng)(cheng)均(jun)向(xiang)左移動(dong)，腐蝕電(dian)流(liu)密(mi)度(du)有(you)所下降，表(biao)明(ming)其(qi)電(dian)化(hua)學過(guo)程(cheng)(cheng)受(shou)到一(yi)定(ding)程(cheng)(cheng)度(du)的抑(yi)制(zhi)；繼(ji)續增(zeng)大(da)(da)H2S濃度(du)時(shi)(shi)，陽(yang)(yang)極(ji)(ji)過(guo)程(cheng)(cheng)依(yi)然處于輕(qing)微(wei)的受(shou)抑(yi)制(zhi)狀態，而陰(yin)極(ji)(ji)析氫過(guo)程(cheng)(cheng)有(you)所增(zeng)加，這與H2S引起的酸化(hua)有(you)關。

2.4 實(shi)驗室內SCC行為分析(xi)

為了(le)比較L80鋼(gang)(gang)在(zai)不同含(han)水(shui)(shui)率(lv)、CO2和H2S濃(nong)度(du)下的(de)(de)(de)油(you)(you)田模擬(ni)液(ye)中(zhong)SCC行(xing)(xing)為，分別(bie)在(zai)相應環(huan)(huan)境中(zhong)進(jin)行(xing)(xing)了(le)慢應變(bian)速度(du)拉伸(shen)實驗，結果如圖8所(suo)示。可以看(kan)出，含(han)水(shui)(shui)率(lv)、CO2和H2S對L80鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)SCC行(xing)(xing)為均產生(sheng)了(le)一(yi)定的(de)(de)(de)影(ying)響，且影(ying)響程(cheng)度(du)有所(suo)不同。圖8a顯示隨著含(han)水(shui)(shui)率(lv)的(de)(de)(de)增(zeng)加，L80鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)強度(du)變(bian)化(hua)不大，但延伸(shen)率(lv)有所(suo)降低，試樣在(zai)含(han)80%水(shui)(shui)的(de)(de)(de)油(you)(you)氣開采液(ye)環(huan)(huan)境中(zhong)表現出一(yi)定程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)敏(min)感(gan)性。相比之下，無(wu)論是CO2濃(nong)度(du)升(sheng)高至(zhi)(zhi)1.1 MPa，還是H2S濃(nong)度(du)升(sheng)至(zhi)(zhi)0.15 MPa，L80鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)應力-應變(bian)曲線幾乎與空氣中(zhong)的(de)(de)(de)相重合(he)，延伸(shen)率(lv)僅有微小的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)。這說(shuo)明在(zai)特定的(de)(de)(de)含(han)水(shui)(shui)率(lv) （80%） 條件(jian)下，L80鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)SCC敏(min)感(gan)性受CO2和H2S濃(nong)度(du)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)影(ying)響較小，具有較好(hao)的(de)(de)(de)抗SCC能(neng)力。

圖8   不同條件下(xia)L80鋼在模擬油田采出水環境(jing)中的應力應變曲(qu)線

3 分(fen)析(xi)與(yu)討(tao)論(lun)

通過對吉(ji)林油(you)田取(qu)回的L80油(you)管鋼進(jin)行腐蝕(shi)(shi)(shi)分析，顯示(shi)其(qi)內外壁(bi)腐蝕(shi)(shi)(shi)并(bing)不一(yi)致，油(you)管外壁(bi)以(yi)均(jun)勻腐蝕(shi)(shi)(shi)為主，腐蝕(shi)(shi)(shi)產物較(jiao)少，盡管有一(yi)定的點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)出現，但點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑深度相對較(jiao)淺，整體而(er)言腐蝕(shi)(shi)(shi)較(jiao)為輕微。相比之下，油(you)管內壁(bi)表面(mian)覆蓋有一(yi)層(ceng)致密的腐蝕(shi)(shi)(shi)產物膜(mo)，膜(mo)下發生了較(jiao)為嚴重的局部腐蝕(shi)(shi)(shi)，表面(mian)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑和微裂紋清晰可(ke)見，點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑深度達約120 μm，容易誘發SCC，對其(qi)使(shi)用造成嚴重的威脅。

同時，為(wei)調查油(you)田腐蝕(shi)環(huan)境(jing)中各因素(su)與L80鋼的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)(hua)學和應(ying)力腐蝕(shi)的(de)(de)(de)關系，在實驗室(shi)內分別進行了不(bu)同條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)(hua)學阻(zu)抗譜、極(ji)化(hua)(hua)曲線測量和慢應(ying)變(bian)(bian)(bian)速率(lv)拉伸實驗。結果顯(xian)示(shi)，含(han)水率(lv)為(wei)腐蝕(shi)過(guo)程(cheng)中最為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)環(huan)境(jing)因素(su)，隨著含(han)水率(lv)的(de)(de)(de)增加，阻(zu)抗弧半徑急劇下(xia)降，腐蝕(shi)電(dian)流(liu)密度和腐蝕(shi)電(dian)位也(ye)急劇變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，表(biao)明(ming)其(qi)耐蝕(shi)性大大降低。更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)是，SCC敏感性也(ye)隨著含(han)水率(lv)的(de)(de)(de)增加而有(you)所升高(gao)。雖然CO2和H2S對(dui)電(dian)化(hua)(hua)學過(guo)程(cheng)產生了較為(wei)明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)影響，但在特定(ding)的(de)(de)(de)含(han)水率(lv)下(xia)，SCC行為(wei)幾乎(hu)沒(mei)有(you)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，SCC敏感性差異較小，表(biao)明(ming)L80鋼在油(you)田采出液環(huan)境(jing)中具有(you)較好的(de)(de)(de)耐SCC能力。

吉林油田腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)環(huan)境(jing)以(yi)油水(shui)混合(he)液和CO2/H2S伴生(sheng)氣(qi)為主(zhu)(zhu)，腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)初期含水(shui)率(lv)及H2S含量不(bu)高時，外(wai)壁腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)輕微；隨著(zhu)服役時間的延長，含水(shui)率(lv)及H2S含量有(you)所增加，環(huan)境(jing)介質腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性加劇，導(dao)致一定(ding)程度點蝕(shi)(shi)(shi)坑的生(sheng)成，并形成較少(shao)的腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產物(wu)(wu)。由(you)于油管鋼外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)涂覆有(you)一層黑(hei)色的保護膜，在靜態環(huan)境(jing)下，油水(shui)混合(he)液中的水(shui)分(fen)難以(yi)接觸L80鋼表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，而輕微的腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)又難以(yi)形成穩(wen)定(ding)的腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產物(wu)(wu)層，整個外(wai)壁表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)活性一致，始終以(yi)均(jun)勻(yun)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)為主(zhu)(zhu)。

相比之下(xia)，L80油(you)(you)管(guan)(guan)鋼(gang)內(nei)壁始終處于(yu)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)油(you)(you)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)混合(he)液以(yi)及CO2/H2S伴生氣環(huan)境(jing)中(zhong)，盡管(guan)(guan)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)介(jie)質與(yu)(yu)外壁差異不大(da)，但是介(jie)質的(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)導致離子交換速度(du)加(jia)快(kuai)，在(zai)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)初期含(han)(han)(han)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)率(lv)以(yi)及H2S含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)較(jiao)低時(shi)(shi)，腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速率(lv)在(zai)一定程度(du)上也能加(jia)快(kuai)，形成一些結構致密的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)FeCO3和FeS，而(er)且這些腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)與(yu)(yu)基體具(ju)有(you)(you)較(jiao)好(hao)的(de)(de)粘附性。隨著時(shi)(shi)間的(de)(de)推移(yi)，腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)堆積逐漸形成一層(ceng)(ceng)薄的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)層(ceng)(ceng)，對(dui)(dui)基體起(qi)到(dao)一定的(de)(de)保護作用(yong)(yong)(yong)(yong)[18,19]，降低腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速率(lv)，這也可以(yi)從(cong)實驗室內(nei)H2S組的(de)(de)電(dian)化學(xue)結果中(zhong)看出(chu)。隨著吉(ji)林油(you)(you)田開采時(shi)(shi)間的(de)(de)延(yan)長，CO2和次生的(de)(de)H2S含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)急劇增(zeng)加(jia)，含(han)(han)(han)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)率(lv)持續上升，最高達到(dao)85%，環(huan)境(jing)介(jie)質腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)性顯著增(zeng)強(qiang)，在(zai)流(liu)動(dong)(dong)力的(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)(yong)下(xia)，水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)分更(geng)易穿透腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物(wu)層(ceng)(ceng)并(bing)在(zai)其下(xia)誘(you)發局部(bu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。同時(shi)(shi)，CO2和H2S的(de)(de)增(zeng)多帶來更(geng)多的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)介(jie)質，因而(er)外部(bu)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)性離子不斷補充，局部(bu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效應顯著加(jia)強(qiang)，形成更(geng)深的(de)(de)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑，甚至誘(you)發微裂紋的(de)(de)形成[20,21,22,23]。然而(er)，考慮到(dao)油(you)(you)田浸出(chu)液中(zhong)含(han)(han)(han)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)才是誘(you)發SCC更(geng)為主要(yao)的(de)(de)因素(su)，而(er)油(you)(you)管(guan)(guan)取出(chu)時(shi)(shi)檢(jian)測到(dao)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)達85%，說明含(han)(han)(han)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)增(zeng)加(jia)的(de)(de)空間不大(da)，即(ji)對(dui)(dui)SCC行為的(de)(de)進一步(bu)影響較(jiao)為有(you)(you)限。因此，綜合(he)來看，吉(ji)林油(you)(you)田中(zhong)使用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)L80鋼(gang)對(dui)(dui)SCC具(ju)有(you)(you)較(jiao)好(hao)的(de)(de)抵抗力，適合(he)用(yong)(yong)(yong)(yong)于(yu)采油(you)(you)井(jing)油(you)(you)管(guan)(guan)材料，在(zai)使用(yong)(yong)(yong)(yong)過程中(zhong)只需加(jia)強(qiang)對(dui)(dui)L80油(you)(you)管(guan)(guan)鋼(gang)的(de)(de)監測和檢(jian)測，即(ji)可避免出(chu)現問題。

4 結論

（1） L80鋼在吉(ji)林油田(tian)環(huan)境中服役一(yi)段(duan)時(shi)間后，其內(nei)(nei)外(wai)表面均發(fa)生一(yi)定(ding)程度的(de)腐(fu)蝕(shi)，外(wai)壁腐(fu)蝕(shi)輕(qing)微(wei)，僅可見較淺(qian)的(de)腐(fu)蝕(shi)坑(keng)(keng)；內(nei)(nei)側腐(fu)蝕(shi)較為嚴重，出現了(le)尺寸較深的(de)蝕(shi)坑(keng)(keng)，同時(shi)還伴隨有一(yi)定(ding)的(de)微(wei)裂紋。

（2） 點蝕坑和SCC微裂紋均(jun)由含水率(lv)高的(de)(de)CO2/H2S環境引(yin)起(qi)，其(qi)中較高的(de)(de)含水率(lv)和流(liu)動的(de)(de)內部介質是引(yin)起(qi)其(qi)內表(biao)面腐(fu)蝕嚴重和出現裂紋的(de)(de)主要原因。

（3） 總體而言，所選用的L80鋼(gang)在模擬(ni)油田采(cai)出液(ye)環(huan)境(jing)(jing)下具有較低的SCC敏感性，CO2和H2S等環(huan)境(jing)(jing)因素(su)對其SCC行為(wei)影響較小，適(shi)合用于(yu)采(cai)油井油管材料。