孫麗麗 王尊策 孫振旭 王 勇

(1. 東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為研究*

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(1. 東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

以油田常用套管鋼(P110、N80和J55)為研究對象，以水力噴砂壓裂液為介質(zhì)，借助自制管道沖刷腐蝕模擬測試實驗臺，研究套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為，分析沖刷時間、含砂量、流速、沖擊角度和KCl含量對其沖刷腐蝕行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明：硬度是決定套管鋼噴射沖刷腐蝕速率的主要因素，N80鋼硬度高沖刷腐蝕速率最低，P110鋼居中，J55次之；隨著沖刷時間、含砂量、流速和KCl含量的增加，套管鋼沖刷腐蝕速率增加，含砂量和流速極大地增加了沖刷腐蝕過程中的機械沖刷作用，而KCl則增加了其中的腐蝕過程；噴射沖刷腐蝕敏感沖擊角度為30°；沖刷腐蝕后表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主，沖刷腐蝕機理主要為壓痕機制。

套管鋼 水力噴砂 壓裂 沖刷腐蝕

壓裂是利用水力作用使油氣層形成裂縫，把高壓大排量且具有一定粘度的液體擠入油氣層，在所形成的裂縫中充填支撐劑(如石英砂、陶粒等)，人為增加油氣流動的通道，提高油氣層的滲透能力和產(chǎn)量[1]。水力噴砂壓裂是目前改善低滲透油藏的主要開發(fā)手段，是提高低滲透油田采收率的有效措施之一。目前，水力噴砂壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大慶油田、長慶油田及吐哈油田等，用于改造低滲透油井，提高產(chǎn)能[2]。

在水力噴砂壓裂過程中，由于壓裂液中含有高濃度的固體顆粒，壓裂速度高，對壓裂工具及外圍套管等產(chǎn)生了極大的沖刷腐蝕或沖刷磨損破壞。近年來，為提高壓裂效率，油田壓裂施工設(shè)計趨向于高壓和大砂量，常用的攜砂液排量可達到3.5m3/min左右，平均砂比將近20%(體積比)，壓裂壓力普遍在20～40MPa左右，個別實驗區(qū)域甚至達到將近100MPa。目前國內(nèi)壓裂工具與國外還存在較大差距，在如此惡劣的工況下沖刷腐蝕現(xiàn)象極為嚴重，局部沖刷腐蝕惡劣部位往往導(dǎo)致壓裂工具失效，極大限制了壓裂施工的安全運行[1～3]。因此，深入研究水力噴砂壓裂液對壓裂工具和套管的沖刷腐蝕破壞機理，不僅可為壓裂工具的優(yōu)化設(shè)計提供有效的理論依據(jù)，對于延長其使用壽命及提高壓裂施工成功率等都具有非常重要的現(xiàn)實意義，同時又具有良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。

沖刷腐蝕是由電化學(xué)腐蝕和機械沖刷過程所引起的一種材料加速破壞形式，廣泛存在于石油工業(yè)、電力及化工等行業(yè)。套管鋼在傳統(tǒng)含氯介質(zhì)中的沖刷腐蝕行為已取得一定認識[4，5]。截止目前，關(guān)于套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕行為的研究并沒有相關(guān)的報道。筆者以水力噴砂壓裂過程所涉及的套管鋼為對象，研究不同套管鋼在水力噴砂壓裂液中的沖刷腐蝕行為，分析材料、沖擊時間、含砂量、流速、沖擊角度和KCl含量對其沖刷腐蝕行為的影響，以期為套管鋼在壓裂液中的沖刷腐蝕機理提供參考。

1 實驗

1.1實驗材料

實驗材料為油田常用3種級別套管用鋼(P110、N80和J55)，其成分經(jīng)過德國Spctrolab-M10直讀光譜儀測試，主要成分見表1。

表1 3種級別套管用鋼的化學(xué)成分 mt%

1.2實驗介質(zhì)

實驗介質(zhì)為油田常用水力噴砂壓裂液，配方如下：

改性胍膠 4g/L

交聯(lián)比(硼砂) 100∶1

KCl 1.2%

支撐劑φ0.45～φ0.90mm陶粒

穩(wěn)定劑、殺菌劑 適量

1.3實驗過程

沖刷腐蝕實驗在自制管道沖刷腐蝕模擬測試實驗臺上進行，裝置主要由立式離心泵、交流電機、凸輪泵和智能電磁流量計組成，可實現(xiàn)流量、沖擊角度調(diào)節(jié)和非接觸測量。沖刷腐蝕試樣以直徑為20±0.02mm的表面為工作面(面積3.14cm2)。實驗時，將試樣非工作面用704硅膠涂封。測量前先將工作面依次經(jīng)400#、800#、1 500#水砂紙打磨，無水乙醇擦拭干凈，去離子水沖洗涼干后備用。沖刷腐蝕條件是：速率22m/s，沖刷3h，沖擊角90°。

采用電子天平(精度0.01mg)對實驗前后試樣進行稱重。試樣沖刷腐蝕后的表面形貌采用日本Hitachi S-3400II掃描電鏡(SEM)進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1不同套管鋼材料的影響

3種套管鋼在壓裂液(含0.75%砂)中沖刷腐蝕速率如圖1所示。由圖1可知，在3種套管鋼中，J55鋼沖刷腐蝕速率最高，P110鋼居中，N80鋼沖刷腐蝕速率則最小。

對于韌性材料，硬度的高低對于其沖刷腐蝕行為具有決定性作用。硬度可以有效提高韌性材料的耐磨損性[6]。漿料體系中的沖蝕過程，硬度的增加降低了砂粒的沖刷作用，進而減小了材料的沖蝕速率。經(jīng)測試，3種套管鋼維氏硬度分別為：245HV(P110)，350HV(N80)，220HV(J55)?？梢?，高的硬度是N80鋼呈現(xiàn)出優(yōu)異沖刷腐蝕阻力的主要原因。

2.2沖蝕時間的影響

圖2反映的是不同沖刷時間時，套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕的累積失重量W?？梢姡S沖刷時間的延長，3種套管鋼沖刷腐蝕累積失重量均增加，只是在超過2h后，增加幅度較為緩慢。為了更好反映增加的程度，將累積失重量換算為沖刷腐蝕速率(圖3)。由圖3可清晰看出，套管鋼在沖刷過程中，沖刷腐蝕速率呈現(xiàn)出先增加后降低，并最后趨于一個穩(wěn)定值的規(guī)律，說明材料在噴射條件下處于穩(wěn)定磨損階段。

噴射條件下，高速砂粒撞擊材料表面，撞擊點局部產(chǎn)生壓應(yīng)力，只有當(dāng)壓應(yīng)力高于材料臨界應(yīng)力，材料才會發(fā)生塑性變形，進而易于被砂粒沖刷磨損。由于在噴射沖刷后期(如超過2h)，壓應(yīng)力累積致使材料產(chǎn)生局部加工硬化，材料發(fā)生局部形變能力降低，因而沖刷磨損程度降低。最終，壓應(yīng)力和加工硬化之間處于一個平衡值，材料也就以一個穩(wěn)定的沖刷腐蝕率發(fā)生失效。

圖2 套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕累積失重量

圖3 套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕速率

2.3含砂量影響

圖4為含砂量對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響趨勢圖?？梢钥闯?，3種套管鋼沖刷腐蝕速率隨含砂量增加而增加。在含砂量高于0.4%時，增加幅度較為明顯，對于硬度較低的J55鋼增加幅度要遠高于P110鋼和N80鋼。含砂量高，砂粒對于材料的機械沖刷作用增加，因而提高了整個沖刷腐蝕速率，硬度低的材料機械沖刷作用體現(xiàn)得更為明顯。

圖4 含砂量對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.4流速的影響

流速對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響如圖5所示。與圖4的含砂量影響趨勢類似，3種套管鋼的沖刷腐蝕速率均隨流速的增加而呈線性增加趨勢。一般來說，沖蝕過程中失重速率與流速符合w∝Vn關(guān)系[7]，n為速率指數(shù)，通常在0.8～12.0之間。本實驗條件下，高流速增加了套管鋼的機械沖刷損傷，流速越高，這種損傷越明顯。

圖5 流速對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.5沖擊角度的影響

圖6為沖擊角度對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響圖。由圖6可知，3種套管鋼敏感沖擊角度在30°左右，低于30°時，隨沖擊角度增加，沖刷腐蝕速率急劇增加，但3種材料沖刷腐蝕速率相關(guān)不大；高于30°時則呈現(xiàn)出降低的趨勢。這與文獻報道基本一致[8]，如：碳鋼在低攻角(15～30°)沖刷下表現(xiàn)出相似的噴射沖蝕性能，此時延展性越強的材料耐磨損性越高；而其在高攻角(從30～90°)時，由于破壞機制由壓痕機制變?yōu)槔缦鳈C制，對提高材料耐磨損性起重要作用的便是硬度。

圖6 沖擊角度對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

2.6壓裂液中KCl含量的影響

壓裂液中KCl含量對套管鋼沖刷腐蝕速率的影響如圖7所示。隨KCl含量增加，沖刷腐蝕速率增加，這主要是由于KCl的存在加速了材料的腐蝕過程，進而增加了整個沖刷腐蝕速率。值得注意的是，KCl含量較高時，J55鋼的沖刷腐蝕速率增加幅度較大，這可能與J55鋼相對較低的耐蝕性有關(guān)。

圖7 KCl含量對套管鋼沖刷腐蝕速率影響

3 沖刷腐蝕形貌

3種套管鋼在壓裂液中沖刷腐蝕3h后的表面形貌如圖8所示。

圖8 套管鋼沖刷腐蝕形貌

由圖8可知，3種套管鋼沖刷腐蝕后的表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主?？梢姡坠茕撛趬毫岩褐械臎_刷腐蝕機制主要為壓痕機制。當(dāng)高速砂粒撞擊材料表面后，砂粒對撞擊點材料產(chǎn)生壓應(yīng)力，以撞擊點為圓心特定范圍內(nèi)材料由于應(yīng)力作用產(chǎn)生塑性變形，周圍產(chǎn)生隆起， 隨后的固體砂粒不斷撞擊鍛造這些隆起部位，直至斷裂造成材料的沖刷損失。3種套管鋼中由于J55硬度最低，壓痕較P110鋼和N80鋼更為明顯，因而沖刷腐蝕速率較高，沖刷較為嚴重。

4 結(jié)論

4.1硬度是決定套管鋼噴射沖刷腐蝕速率的主要因素。3種套管鋼中，J55鋼硬度低沖刷腐蝕速率最高，P110鋼居中，N80鋼硬度高沖刷腐蝕速率則最小。

4.2套管鋼噴射沖刷腐蝕速率隨沖刷時間、含砂量、流速和KCl含量的增加而增加，敏感沖擊角度為30°。含砂量和流速極大地增加了沖刷腐蝕過程中的機械沖刷作用，而KCl則增加了其中的腐蝕過程，均加劇了整個沖刷腐蝕過程。

4.3套管鋼噴射沖刷腐蝕后表面以帶有飛邊的壓痕形貌為主，沖刷腐蝕機理主要為壓痕機制。

[1] 張旭昀.壓裂工況下工具材料及表面涂層沖刷磨損機理研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[2] 張書進.壓裂管柱內(nèi)固液兩相流動特性及磨損機理研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2010.

[3] 王森.水平井噴砂器內(nèi)流特性及磨損規(guī)律研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

[4] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等. P110鋼在含Cl-介質(zhì)中的沖刷與腐蝕行為研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2012，35(1)：1～5.

[5] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等.砂粒和氯離子對P110鋼沖刷與腐蝕性能的影響[J].化工機械，2012，39(4)：447～451.

[6] Zu J B，Hutchings I M，Burstein G T.Design of a Slurry Erosion Test Rig[J].Wear，1990，140(2)：331～344.

[7] Bjordal M，Bardal E，Rogne T，et al.Erosion and Corrosion Properties of WC Coatings and Duplex Stainless Steel in Sand-containing Synthetic Sea Water[J].Wear，1995，186/187(8)：508～514.

[8] 胡紅祥.核電站典型過流部件液滴沖蝕和流致振動的實驗研究與數(shù)值模擬[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2012.

Erosion-CorrosionBehaviorofCasingSteelinHydraulicFracturingFluid

SUN Li-li1, WANG Zun-ce1, SUN Zhen-xu2, WANG Yong1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;

2.EngineeringandTechnologyResearchInstitute,CNPCGreatwallDrillingCompany,Panjin124010,China)

Having commonly-used casing steel (P110, N80 and J55) in oilfields taken as the object of study, and the hydraulic fracturing fluid employed as the medium as well as the erosion-corrosion simulation platform adopted for the test, the effects of erosion time, sand content, velocity, impact angle and the KCl concentration on erosion-corrosion behaviors of the casing steel were analyzed to show that, the steel hardness affects erosion-corrosion of the casing steel; the N80 steel boasting of the highest hardness has the lowest erosion-corrosion rate, then comes the P110 steel and J55 steel in turn; the erosion-corrosion rate can increase with the erosion time, sand content, velocity and the KCl concentration; both sand content and velocity enlarges the mechanical erosion in erosion-corrosion process and the KCl there intensifies this process; the sensitive impact angle of casing steel stays at 30°. The morphology of the casing after erosion-corrosion mainly resembles the indentation accompanied with corners, and the indentation characterizes the mechanism of erosion corrosion process.

casing steel, hydraulic sandblasting, fracture, erosion-corrosion

*國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH28F03)，國家火炬計劃(2013GH530190)，黑龍江省自然科學(xué)基金項目(QC2013C056)，黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541079)。

**孫麗麗，女，1982年3月生，博士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ050.9+1

A

0254-6094(2015)02-0176-05

2014-09-10)