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摘要：胜利油田作业跟踪27口新管漏失井，均为单根外壁腐蚀，油管腐蚀问题给油田生产带来了极大的安全隐患。目前，油田注水管道系统采取的防腐措施主要有采用耐腐蚀管材、涂层防腐、镀层保护、氮化技术、化学防腐及阴极保护等几大类。文章研究了某井下采出液条件下水井管道在不同运行工况(不停井)中出现锈蚀现象的产生原因及机理，对该井漏失管开展了镍磷镀层防护实验并进行效果评价，确定该条件下管线发生锈蚀主要受井筒设计状况和套管内压力影响。根据实际情况开展镀层保护实验，并通过镀层保护方法提出后续防护措施。
关键词：套管；防蚀；镍磷镀层防护
0引言
在油田的注水水质中，pH值、溶解氧、溶解盐、CO 2、H 2 S以及细菌的存在，还有压力和温度的波动，都是导致管道腐蚀的关键元素[1]。此外，这些元素能够相互作用，从而加快腐蚀的产生和程度。在胜利油田套管水下环境中，需要深入研究其腐蚀机理，并采取科学合理的防护措施，避免腐蚀对油田生产效益产生消极影响。结合胜利油田套管水下环境特点和钻井技术特点，必须采取全面及时的技术措施和防护方案来提高注水井使用效率，做到有效预防腐蚀，并根据注水井腐蚀防护技术管理标准和要求[2]，延长注水井使用周期。本文结合水井管的工况条件，对水井环境进行了分析，并针对井下钢材J55、N80镀镍磷防护层的腐蚀情况，采用失重实验等方法对J55、N80、镀镍磷J55及镀镍磷N80进行腐蚀因素分析及防护效果评价。
1水井管道腐蚀因素分析
1.1水质测试分析
选取4井次采出液样(1#、2#、3#、4#)进行离子含量测试。1号水样编号为ST3-4-622，2号水样编号为STT58，3号水样编号为ST2-2-119(前)，4号水样编号为ST2-2-119(后)。
(1)测试现场采集水样离子含量
水相离子含量的测试依据HJ 776—2015、GB/T 11896—1989、HJ/T 342—2007分别对阳离子、碳酸盐、氯化物、硫酸盐进行测试。
碳酸盐和氯化物采用电位滴定法进行测量，其原理是滴定到终点时发生电位突变，从而根据体积的消耗量计算出阴离子浓度。
硫酸盐测试原理为硫酸盐与铬酸钡在酸性条件下发生反应，生成硫酸钡沉淀，并释放出铬离子。经中和处理后，残留的铬酸钡及产生的硫酸钡仍留在析出物中，需经过滤除去。在碱性条件下，铬离子容易显黄色，硫酸根浓度可由其吸收度来测定。
阳离子测试原理为经过滤或消解的水样注入电感耦合等离子体发射光谱仪后，目标元素在等离子体火炬中被气化、电离、激发并辐射特征谱线，在一定的浓度范围内，其特征谱线的强度与元素的浓度成正比。
将现场采集水样经严格的过滤除油后，采用自动电位滴定仪、紫外分光光度计、电感耦合等离子体发射光谱仪测量消耗的体积、吸收光谱，计算各种离子的含量。
(2)水样测试结果
如表1所示，可以看出水样中Cl-含量最多，均在10 000 mg/L以上，对腐蚀的影响较大，易引起点蚀。
1.2腐蚀产物检测
1.2.1腐蚀产物形貌分析
腐蚀形貌如图1所示，从水井管主腐蚀形貌来看，套管外壁整体腐蚀较为严重，有严重点蚀形成，存在由外向内的穿孔，腐蚀产物较松散，易脱落。对外壁腐蚀产物进行金相显微(OM)、扫描电镜(SEM)观察，其微观形貌如图2和图3所示，可以看出，腐蚀产物较为疏松，多呈针尖状和块状形式。
1.2.2管材内壁和外壁元素成分分析
对外壁腐蚀产物及内壁进行能谱(EDS)分析及成分分析，管材外壁EDS检测能谱如图4所示，管材内壁EDS检测能谱如图5所示，管材外壁腐蚀产物XRD检测结果如图6所示，管材内壁腐蚀产物XRD检测结果如图7所示，腐蚀产物EDS分析如表2所示。EDS结果表明，管壁腐蚀产物的主要元素为Fe、O、C元素，还有少量S、Ca、Na、Cl等元素，说明在管道表面生成了铁的氧化物和少量的碳酸盐和硫酸盐；XRD结果表明，管壁腐蚀产物主要以Fe2O3为主，还含有少量FeCO3。内壁X射线衍射图谱在44°附近出现Ni峰，衍射峰尖锐，说明镀层为晶态结构。
1.3本节小结
水样结果表明，水样中含有大量Cl-，极少量的HCO3-、SO42-、Ca2+，几乎不含有CO32-，这使注水水质具有很强的点蚀倾向。
通过分析管线腐蚀区域可知，注水系统管线出现严重腐蚀现象，①号和②号管材外壁穿孔，腐蚀处管道穿孔呈台阶状分布，越靠近管道外表面的孔洞面积越大，壁厚越薄，腐蚀越重，除腐蚀穿孔外，邻近部位也有不同程度的局部腐蚀，说明穿孔由外壁向内发展，整体以外腐蚀为主；③号管材管壁穿孔，腐蚀孔周围发生大面积溃烂，有许多的红棕色的腐蚀产物，沉积物较为松散，越靠近管道内表面的孔洞面积越大，说明穿孔是从内壁向外壁发展，以内腐蚀为主，脱落的黑色腐蚀产物是铁的氧化物。
对管材进行EDS分析及XRD成分分析可知，管壁腐蚀产物的主要元素为Fe、O、C元素，还有少量S、Ca、Na、Cl等元素，表明管壁腐蚀产物主要以Fe2O3为主，还含有少量FeCO3。
2不同材质管材在不同水质环境下的腐蚀规律研究
2.1失重实验原理
失重实验在评价缓蚀剂性能时，原理是通过对比金属材料在有无添加缓蚀剂的腐蚀介质中经过一定时间后的质量变化(即失重程度)，来评估缓蚀剂对金属腐蚀速率的影响。具体步骤通常包括：
(1)准备试样
选择具有一定代表性的金属材料，将其加工成标准尺寸和形状的试样，并进行必要的预处理，如清洗、干燥等，确保表面状态一致。
(2)设置对照组与实验组
对照组：将一组金属试样直接置于模拟实际工作环境的腐蚀介质中，不添加任何缓蚀剂。
实验组：另一组金属试样则在同样的腐蚀介质中加入待测缓蚀剂。
(3)试验过程
将两组试样在相同的温度、压力等条件下暴露于腐蚀介质中一段时间(根据实际情况可能需要几天到几周不等)。
(4)测量失重
试验结束后，取出试样并清洗干净，精确称量每片试样的质量变化。由于金属被腐蚀会导致质量减少，因此失重可以反映腐蚀的程度。
(5)计算缓蚀效率
依据公式计算各组试样的平均腐蚀速率以及缓蚀效率。缓蚀效率一般定义为使用缓蚀剂后金属腐蚀速率降低的百分比。
(6)分析评价
通过对对照组和实验组数据的对比分析，判断缓蚀剂的缓蚀效果，以及其在不同条件下的稳定性、适用性等性能指标。
这种方法直观、直接，但由于其依赖于长时间的质量损失监测，对腐蚀速率较慢或者要求快速评价缓蚀剂性能的情况，可能耗时较长且对实验条件控制要求较高。同时，失重法更适合于评价全面腐蚀，对局部腐蚀(例如点蚀或缝隙腐蚀)的评价可能存在局限性。
失重法是缓蚀剂性能评价的最有效方法之一，是指在给定条件下，在进行腐蚀试验前后，称取金属片的质量，由此计算金属反应前后的质量，通过与反应时间、金属片的面积一起计算，得到金属在这段反应时间内的平均腐蚀速度、缓蚀效率，然后由此来判断出缓蚀剂对金属腐蚀的抑制性能。失重法实验的操作简单、重现性好，因此准确性高，是最经典的腐蚀检测手段[2]。
腐蚀速率计算如式(1)所示：
C=(1)
式中：W为挂片腐蚀前后失去重量的平均值；A为挂片的总表面积；T为腐蚀实验时间。
本文的失重实验选取0、5、10 m/s三个试验点，总压力40 MPa，温度100℃,试验周期72 h，腐蚀介质为胜利油田套管模拟水，采用J55、N80、镀镍磷J55及镀镍磷N80进行高压釜腐蚀实验，计算腐蚀速率，评价不同材质耐蚀性。
2.2失重实验分析
失重实验在分析缓蚀剂性能时，主要是定量评价金属材料在腐蚀介质中在添加和未添加缓蚀剂条件下腐蚀程度的差异。以下是详细的分析步骤：
(1)实验准备阶段
选择合适的金属试样：根据实际应用环境选取具有代表性的金属材质。
制备试样：将金属加工成标准尺寸的试片，并进行必要的表面处理以确保其初始状态的一致性。
准备腐蚀介质：模拟实际使用条件下的腐蚀溶液，如酸、碱或盐溶液等。
(2)实验设计
对照组设置：一组金属试样直接放入腐蚀介质中，不添加任何缓蚀剂，用于测量无保护措施下的自然腐蚀速率。
实验组设置：另一组金属试样则在相同腐蚀介质中加入一定浓度的待测缓蚀剂。
(3)试验执行
在恒定的温度和其他必要条件(如搅拌速度、时间等)下，两组试样分别在各自的溶液中浸泡预定时间段。
(4)数据收集
取出浸泡后的试样，清洗、干燥后精确称量其质量变化，以此计算失重量，失重量反映的是金属因腐蚀而损失的质量。
(5)结果分析
计算对照组与实验组的平均腐蚀速率，通常采用单位面积、单位时间内的质量损失来表示。
通过比较添加缓蚀剂前后腐蚀速率的变化，得出缓蚀剂降低腐蚀速率的百分比。
根据腐蚀速率和缓蚀效率，评估缓蚀剂在特定条件下的缓蚀效果和适用性。
(6)综合评价
分析缓蚀剂在不同浓度、温度、pH值等因素下的作用效果，绘制相关曲线图，确定最佳使用条件。
若有必要，结合其他电化学测试方法(如极化曲线法、交流阻抗法等)，从更深层次探讨缓蚀剂的作用机制。
总之，失重实验是一种简单且直观的方法，通过量化金属在有无缓蚀剂时的质量损失，可以有效评估缓蚀剂对金属腐蚀过程的抑制效果，为缓蚀剂的研发和优化提供重要的实验依据。利用高温高压反应釜，采用失重试验方法研究流速及镀层对于J55、N80的耐蚀性影响。试验选取0、5、10 m/s三个试验点，3种套管水，设置腐蚀试验，计算腐蚀速率。
2.3本节小结
通过腐蚀速率统计图可知1号水样腐蚀性强，J55腐蚀速率较大，N80耐蚀性较好，在镀镍磷后钢材的耐蚀性极大提高。实验数据结果如表3所示，腐蚀规律如图8所示。
3结语
(1)XRD结果表明，腐蚀产物主要以铁的氧化物为主，还含有少量的FeCO3，表面腐蚀介质中的Cl-对管壁的腐蚀具有较大影响；
(2)通过改变流速和水质环境对不同材质进行腐蚀模拟实验可以发现，1号水样腐蚀性强，J55腐蚀速率较大，N80耐蚀性较好；
(3)镍磷镀层能够有效在井下套管腐蚀环境中延缓J55和N80的腐蚀。
参考文献：
[1]王永鹏.试析油田注水管线的结垢腐蚀及其防治措施[J].石化技术,2022,29(2):253-254,249.
[2]覃敏,廖柯熹,朱万成,等.CO2和H2 S腐蚀环境中X65钢的气液界面腐蚀行为[J].材料保护,2022,55(3):33-40.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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水井管道腐蚀因素分析及镍磷镀层防护性能评价论文
人参与 2024-09-30 10:47:25 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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