模拟渤海水源井工况条件下典...属_非金属材料的适用性评价_邢希金.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 0 6模拟渤海水源井工况条件下典型金属/非金属材料的适用性评价邢希金1,张玉楠2,冯桓榰1,马滨霞2,何 松1,朱金阳2,张 雷3(1.中海油研究总院有限责任公司,北京 1 0 0 0 2 8;2.北京科技大学国家材料服役安全科学中心,北京 1 0 0 0 8 3;3.北京科技大学新材料技术研究院,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要:在模拟渤海某油田水源井典型工况条件下对N 8 0钢、1 C r钢、3 C r钢、高密度聚乙烯(HD P E)和超高分子量聚乙烯(UHMWP E)开展了腐蚀试验,评价了各类金属/非金属材料在目标工况条件下的适用性。结果表明:在模拟含氧水源井工况条件下,N 8 0钢和1 C r钢的腐蚀速率均较高,3 C r钢的腐蚀速率相对较低,但存在一定的点蚀倾向;随着浸泡腐蚀时间的延长,HD P E和UHMWP E的密度、硬度以及拉伸性能均存在一定程度的下降,相比之下,塑性和强度较为均衡的UHMWP E更适用于含氧的水源井工况。关键词:碳钢;低合金钢;HD P E;UHMWP E;水源井中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 3 3-0 7A p p l i c a b i l i t y E v a l u a t i o n o f T y p i c a l M e t a l a n d N o n m e t a l M a t e r i a l s u n d e r S i m u l a t e d W o r k i n g C o n d i t i o n s o f W a t e r S o u r c e W e l l i n B o h a i S e aX I NG X i j i n1,Z HANG Y u n a n2,F E NG H u a n z h i1,MA B i n x i a2,HE S o n g2,Z HU J i n y a n g2,Z HANG L e i3(1.C NOO C R e s e a r c h I n s t i t u t e L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 2 8,C h i n a;2.N a t i o n a l C e n t e r f o r M a t e r i a l s S e r v i c e S a f e t y,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a;3.I n s t i t u t e f o r A d v a n c e d M a t e r i a l s a n d T e c h n o l o g y,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:C o r r o s i o n t e s t s w e r e c a r r i e d o u t o n N 8 0 s t e e l,1 C r s t e e l,3 C r s t e e l,h i g h-d e n s i t y p o l y e t h y l e n e(HD P E)a n d u l t r a-h i g h m o l e c u l a r w e i g h t p o l y e t h y l e n e(UHMWP E)u n d e r s i m u l a t e d t y p i c a l w o r k i n g c o n d i t i o n s o f w a t e r s o u r c e w e l l s i n a n o i l f i e l d i n B o h a i S e a.T h e a p p l i c a b i l i t y o f v a r i o u s m e t a l a n d n o n m e t a l m a t e r i a l s u n d e r t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s w a s e v a l u a t e d.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o r r o s i o n r a t e s o f N 8 0 s t e e l a n d 1 C r s t e e l w e r e h i g h e r t h a n t h a t o f 3 C r s t e e l,b u t 3 C r s t e e l h a d a c e r t a i n t e n d e n c y o f p i t t i n g c o r r o s i o n.T h e d e n s i t i e s,h a r d n e s s e s a n d t e n s i l e p r o p e r t i e s o f HD P E a n d UHMWP E d e c r e a s e d t o a c e r t a i n e x t e n t w i t h t h e p r o l o n g a t i o n o f i mm e r s i o n c o r r o s i o n t i m e.UHMWP E w i t h b a l a n c e d p l a s t i c i t y a n d s t r e n g t h w a s r e l a t i v e l y s u i t a b l e f o r t h e c o n d i t i o n s o f w a t e r s o u r c e w e l l c o n t a i n i n g o x y g e n.K e y w o r d s:c a r b o n s t e e l;l o w a l l o y s t e e l;h i g h-d e n s i t y p o l y e t h y l e n e(HD P E);u l t r a-h i g h m o l e c u l a r w e i g h t p o l y e t h y l e n e(UHMWP E);w a t e r s o u r c e w e l l 油气资源是国民经济的重要命脉,随着经济的快速发展,油气资源的需求量不断扩大,开采程度逐年增加。为了恢复油田投入开发后不断下降的油层能量,保持或提高油层压力,获得较高的采收率,国内外大多数油田都选择注水作为油田开发方式。水源井管柱长期处于高温高压且含有多种腐蚀性成分收稿日期:2 0 2 1-0 4-1 2基金项目:中海油总院研究课题(2 0 2 0 Z Y Z L-Z C 0 1)通信作者:朱金阳(1 9 8 8-),副研究员,博士,研究方向为金属材料腐蚀与防护,z h u j i n y a n g u s t b.e d u.c n的环境中,在诸多因素联合作用下,必然会发生严重的腐蚀,造成管柱局部穿孔等问题。这使得管材使用年限缩短,检泵或换管柱频率增加,极大影响了油田的正常生产和经济效益,严重时会影响到油田生产的安全1。水源井的正常生产成为了维持或提高油田产量的重要条件,因此急需对目标油田水源井管柱的腐蚀规律、主控因素以及合理选材、防腐蚀措施等开展系统深入的研究,以解决或缓解水源井管柱腐蚀问题,保证油田正常高效生产。影响水源井管柱腐蚀的因素主要有温度2、压力3、矿化度4、C O2含量5、流速6等,关联度排33第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3序为温度矿化度C O2含量压力流速7,这些因素共同作用构成了复杂的腐蚀体系,水源井管柱腐蚀问题随之变化。渤海油田采用地层水作为注入水,地层水矿化度过高,水中含有C a2+、M g2+、C O32-、S O42-等结垢离子,以及C l-等腐蚀性 离子8。在水源井生产过程中,工况条件不断变化,这些无机离子产生的腐蚀结垢产物会堵塞管道,减小水流截面积,增大水流阻力,从而使输送所需能量增加,且额外增加洗除费用以及停产检修时间;另外,这些离子还会增加金属管材局部腐蚀的倾向,引起腐蚀穿孔,导致水源井的产量下降,从而影响到整个油田的石油产量。由于水源井中存在C O2、H2S9和溶解氧等腐蚀性物质,且结垢物中通常伴有各种价态铁化合物,如F e2(C O3)2、F e2O3、F e S等,这些物质的存在都会引起管材的局部腐蚀,增加管道穿孔和泄漏的风险,在地下产生的结垢物还可能会对地下储层带来伤害,使储层的渗透率降低,导致注水困难。另外,地层水中含有的硫酸盐还原菌(S R B)、铁细菌等微生 物也会造 成水源井 管 柱 的 严 重 腐蚀1 0。目前控制水源井管柱腐蚀的技术方法主要有选用耐蚀材料、添加缓蚀剂、使用有机内衬、金属镀层等。普通碳钢油管能够满足日常要求且成本较低,但碳钢耐蚀性差,需定期更换,影响油田产出效率。低合金钢(1 C r、3 C r)油管的耐点蚀性好,电化学阻抗大,在腐蚀介质中反应较慢。对于高排量、高穿孔率的问题水源井,3 C r低合金钢是目前性价比较高的管材1 1。内 衬 防 腐 蚀 技 术 是 将 高 密 度 聚 乙 烯(HD P E)或超高分子量聚乙烯(UHMWP E)材料通过特殊工艺衬在油管内部,减小管道的摩阻系数,使管道承受的压应力分布更均匀,加强薄弱管段,阻断介质接触,减少油管内壁的腐蚀,同时还可以对腐蚀失效的管道进行修复,有效解决水源井管道腐蚀失效问题1 2。高密度聚乙烯(HD P E)具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性能及力学性能;超高分子量聚乙烯(UHMWP E)具有优良的耐磨性、抗冲击性能和抗内压强度1 3。使用前,需对二者的适用工况进行分析。本工作在模拟渤海某水源井工况条件下,对N 8 0钢、1 C r钢、3 C r钢、HD P E和UHMWP E等材料开展腐蚀模拟试验,分析各金属材料和非金属材料的腐蚀规律,对HD P E和UHMWP E进行老化性能评价,评价了各材料在工况条件下的适用性。1 试验1.1 试验材料试验选用的金属材料有N 8 0钢、1 C r钢、3 C r钢,其化学成分如表1所示。将金属材料制成尺寸为7 0 mm2 0 mm3 m的试样;然后用砂纸逐级打磨(至1 2 0 0号),1 m金刚石膏抛光;再用去离子水清洗,丙酮除油、无水乙醇清洗;最后冷风吹干,放入干燥皿中待用。表1 试验用金属材料的化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f m e t a l s f o r t e s t金属材料质量分数/%CS iM nSPC rF eN 8 0 0.2 6 0.1 9 1.3 70.0 0 40.0 0 90.1 4 8余量1 C r 0.3 5 0.3 5 0.7 50.0 50.0 3 51.1 2余量3 C r 0.2 4 0.2 1 0.5 30.0 0 1 5 0.0 0 53.1 0余量非金属材料选取高密度聚乙烯(HD P E)和超