关键词:
N80钢
CO2腐蚀
O2腐蚀
腐蚀产物膜特征
原位电化学测试
摘要:
近年来,随着稠油油藏开发的推进,对稠油油田开发提出了更高的要求。注多元热流体吞吐技术能有效提高稠油采收率,有望成为稠油油田开发的主要手段。但注入的多元热流体成分主要由高温高压的水蒸气、CO、N及少量O等组成,高温高压CO和O共存的腐蚀环境极易导致油井管腐蚀失效,阻碍了注多元热流体技术的推广。因而油井管材在高温高压CO与O共存环境中的腐蚀机理成为腐蚀控制领域亟待解决的科学问题。由于O腐蚀的快慢主要受溶解氧在扩散层中的扩散速度控制,而流速不仅影响物质传质扩散过程,还会影响表面扩散层的厚度及溶解氧在扩散层中的扩散速度,因此研究流体流速对油井管在多元热流体CO和O共存环境下腐蚀行为的影响具有重要实际意义和理论价值。本文主要以常用油井管材N80钢为研究对象,利用自制的高温高压多相流冲刷腐蚀实验装置,进行多元热流体环境下的腐蚀模拟实验,结合原位电化学测量和现代表面分析等技术手段,研究流体流速对N80钢在高温高压CO和O共存环境下腐蚀行为的影响以及该环境下腐蚀产物膜的演变过程。获得主要结论如下:(1)0.5 m/s流速时,N80钢在52%CO-2.9%O共存环境中的腐蚀速率远大于在2.9%O和52%CO单独存在时的腐蚀速率之和,共存环境中试样表面腐蚀产物膜为双层膜结构,外层腐蚀产物主要为疏松多孔的FeO和Fe OOH,对基体基本没有保护作用,内层腐蚀产物主要由FeCO晶体构成。结合热力学计算可知:在此环境下N80钢阳极反应过程包括Fe的阳极溶解过程、Fe与HCO直接反应形成FeCO的过程以及Fe被足够O氧化成Fe的过程,阴极反应过程同时包括酸性条件下吸氧和析氢反应。(2)静态条件下,无局部腐蚀出现,腐蚀产物膜为FeCO单层膜结构,腐蚀产物膜层较致密。非静态条件下,试样表面腐蚀产物膜为双层膜结构,外层腐蚀产物膜由红褐色FeO和Fe OOH构成,内层为较致密的FeCO晶粒。随着流速的增大,部分疏松的腐蚀产物脱落使得膜层厚度减薄。(3)流体流速由0 m/s增加到0.5 m/s,N80钢腐蚀168 h时的腐蚀电流I减小,阳极Tafel斜率b变大,阴极Tafel斜率b变小,极化电阻R、膜层电阻R_f、电荷传递电阻R_t和扩散电阻W均增大;流体流速由0.5 m/s到2.0 m/s,I变大,b基本不变,b变小,R、R_t和W均变小。流速由0 m/s增加到0.5 m/s,氧在界面处扩散层厚度由94.16μm减薄为2.84μm,吸氧反应速度加快,使试样表面快速形成较厚的Fe的氧化物,导致R、R_f、R_t和W均变大。流速由0.5 m/s增加到2.0 m/s时,氧在界面处扩散层厚度进一步减薄,从2.84μm减小到0.62μm。但由于腐蚀产物膜减薄使R、R_f、R_t和W均变小。(4)流速为0.5 m/s时,N80钢多元热流体CO和O共存环境下腐蚀产物膜演变机制:腐蚀初期,N80钢基体快速溶解,试样表面局部迅速形成少量FeCO及铁的氧化物,使电化学阻抗中出现低频感抗。随着腐蚀的进行,试样表面腐蚀产物逐渐增多,腐蚀7 h时,试样表面被腐蚀膜完全覆盖,感抗L消失,阻抗谱Nyquist图由两个容抗弧构成。腐蚀24 h时阻抗谱Nyquist图低频出现扩散阻抗。随着腐蚀继续进行,24 h后,试样表面产物膜厚度增大,膜层电阻R_f、电荷传递电阻R_t和扩散电阻W均增大。