喬 琦,管英柱,王長權,劉文博

(長江大學 石油工程學院，武漢 430100)

CO2是一種有效的驅油劑，CO2驅采油技術已成為近年來油田提高采收率的主要技術之一[1-2]。但是，在CO2注入過程和CO2突破后在生產(chǎn)井產(chǎn)出的過程中，CO2會與水接觸形成弱酸，易對注入井和生產(chǎn)井的井筒管柱及井下附件工具造成較嚴重的腐蝕，從而影響油田的正常生產(chǎn)，也會造成安全隱患[3]。

將塑料或耐腐蝕金屬包覆或電鍍在抽油桿表面制成防腐蝕抽油桿，可以減緩腐蝕。目前，市面上常用的防腐蝕抽油桿有鍍鉻或鎢型防腐蝕抽油桿、合金鋼防腐蝕抽油桿、包覆型防腐蝕抽油桿[4]，而關于這些防腐蝕抽油桿的腐蝕評價與優(yōu)選研究較少，故本工作選取鍍鎢型、KH型合金鋼和聚乙烯包覆型三種具有代表性的防腐蝕抽油桿，以X區(qū)塊為背景，通過室內動態(tài)腐蝕試驗和力學試驗等模擬三種材料在CO2腐蝕條件下的耐腐蝕性能和力學性能。在多組試驗條件下得到三種材料在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和腐蝕前后抽油桿強度的變化，以期篩選出耐磨、耐蝕的抽油桿。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料采用KH型、聚乙烯包覆層和鍍鎢鋼型防腐蝕抽油桿，其表面化學成分見表1。KH型抽油桿采用鎳鉻系合金鋼制成，該材料通過降低含碳量和加入少量鎳鉻耐腐蝕元素，達到防腐蝕效果；聚乙烯包覆型抽油桿桿體采用常規(guī)鋼材，桿體表面防腐蝕層采用高分子聚乙烯，包覆厚度為1.96～2.00 mm，該材料具有較強的耐蝕性和耐磨性，可以提高抽油桿的使用壽命；鍍鎢型抽油桿是表面電鍍耐蝕且高硬度金屬元素的抽油桿，鍍層厚度為176～248 μm，該鍍層具有抗高溫氧化性好、耐磨耐蝕性佳及與桿體結合能力強等優(yōu)點。文中試樣為采用三種防腐蝕抽油桿制得試樣。

表1 抽油桿表面的化學成分Tab. 1 Chemical composition of the surface of sucker rods %

動態(tài)腐蝕試驗用試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm；力學試驗用試樣依照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準進行，將三種防腐蝕抽油桿材料加工成長小于等于270 mm，直徑25 mm，基面偏差小于2.5%的不同標準比例試件[5]。

1.2 試驗

利用高溫高壓動態(tài)腐蝕結垢評價儀，模擬了CO2驅采出井的腐蝕環(huán)境，考察了CO2含量對三種抽油桿腐蝕速率的影響。CO2含量指在常溫常壓下注入CO2的體積占整個油水體系的體積百分數(shù)，本工作中CO2含量為20%、50%、80%。

室內動態(tài)腐蝕模擬試驗的流程如圖1所示。X區(qū)塊地層溫度為60 ℃，地層壓力為19 MPa，故設定試驗溫度為60 ℃、試驗壓力為19 MPa，根據(jù)行業(yè)標準設定試驗時間為72 h。X區(qū)塊采出液為含CO2的高礦化度(70 611.36 mg/L)油水混合液，試驗溶液為油田采出水與凝析油的混合液，為研究礦化度對三種抽油桿腐蝕速率的影響，將礦化度為0的溶液記為溶液1，礦化度為70 000 mg/L的溶液記為溶液2。

圖1 動態(tài)腐蝕模擬試驗的流程圖Fig. 1 Flow chart of dynamic corrosion simulation test

試驗結束后，取出掛片，用石油醚、自制酸液、無水乙醇清洗后吹干[6-7]，腐蝕速率rc的計算方法參照SY/T 5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標及評價方法》，使用精度為0.1 mg的電子天平稱量[8-10]，按式(1)計算腐蝕速率：

(1)

式中：rc為均勻腐蝕速率，mm/a；m和m1分別為試驗前后試片的質量，g；S為試片的總面積，cm2；ρ為試片的密度，g/cm3；t為試驗時間，h[11]。

1.3 力學試驗

為模擬試樣在真實井下環(huán)境中的受力情況，在力學性能測試前，將試樣浸泡在含有CO2原油(含水50%、礦化度70 000 mg/L、壓力19 MPa)中1個月，與未浸泡試樣的拉伸測試結果進行對比分析，測試包括：抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率。拉伸試驗在電子萬能試驗機測試系統(tǒng)儀上完成。

將拉伸試樣置于試驗機承壓板中心，調整好軸向位移傳感器；采用適當?shù)目刂品绞?，根?jù)具體情況設定拉伸破壞上限值，以某一恒定速率施加軸向荷載或者卸載，直至試樣破壞或達到拉伸破壞限值為止。將試樣安裝在試驗機的夾頭中，然后開啟試驗機，緩慢增加拉力，直至試樣拉斷[12]。試驗過程中系統(tǒng)自動讀取數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理。試驗結束后，取出試樣，進行試驗數(shù)據(jù)的記錄；設備歸位，存放好試樣[13]。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖2可見：隨著CO2含量和礦化度的增加，KH型抽油桿在2種溶液中的動態(tài)腐蝕速率均增大，且在含80% CO2、70 000 mg/L礦化度試驗溶液(溶液2)中的腐蝕速率最大，為1.678 mm/a，該試樣在不同條件下的腐蝕速率均超過0.076 mm/a，屬于嚴重腐蝕，說明該試樣不耐CO2腐蝕。鍍鎢型抽油桿在溶液1(礦化度為0)中的腐蝕速率隨著CO2量的增加而增大；在溶液2(礦化度為70 000 mg/L)中的腐蝕速率隨著CO2量的增加逐漸減小，且鍍鎢型抽油桿材料的最大腐蝕速率僅為0.052 mm/a，耐CO2腐蝕。

(a) KH型抽油桿 (b) 鍍鎢型抽油桿 (c) 聚乙烯包覆型抽油桿圖2 三種抽油桿材料在含不同量CO2的試驗溶液中的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rates of three sucker rod materials in test solutions containing different amounts of CO2:(a) KH sucker rod; (b) tungsten-plated sucker rod; (c) polyethyene-coated sucker rod

由圖2還可見：在不同試驗條件下，聚乙烯包覆型抽油桿試樣的動態(tài)腐蝕速率均為負值，說明該試樣在不同條件下均未發(fā)生腐蝕。試驗后掛片質量增加的主要原因有兩個：一是試驗過程中可能有部分流體進入聚乙烯包覆層與抽油桿桿體的空隙中導致其質量增加;二是試驗過程中,在高溫高鹽等條件下聚乙烯材料性質發(fā)生變化所致。因此單純從耐腐蝕性能方面分析，該材料可作為CO2驅產(chǎn)出井的防腐蝕抽油桿備選材料。

2.2 腐蝕形貌

由圖3可見：在含80% CO2的試驗溶液中腐蝕后，KH型和鍍鎢型2種抽油桿材料腐蝕最嚴重，而聚乙烯包覆抽油桿沒有腐蝕發(fā)生。由圖3還可見：經(jīng)過動態(tài)腐蝕試驗后，鍍鎢型抽油桿表面呈2種變化趨勢，一種是有明顯的油跡或油漬，此時掛片表面變暗或有斑點出現(xiàn)，另一種是掛片變紅且顏色明亮?？傮w上看，鍍鎢型抽油桿料的耐蝕性較好，沒有出現(xiàn)大量的腐蝕產(chǎn)物或坑蝕；而KH型抽油桿經(jīng)腐蝕試驗后，掛片表面暗淡，并有明顯銹蝕，其腐蝕產(chǎn)物膜相對均勻，部分掛片出現(xiàn)斑蝕，有不均勻腐蝕現(xiàn)象；聚乙烯包覆抽油桿經(jīng)腐蝕試驗后的表面顏色發(fā)生了變化，清洗后有少數(shù)結垢物和黏滯原油，有變黃的趨勢，未發(fā)現(xiàn)腐蝕點。

(a) 溶液1

(a) 溶液1圖3 3種抽油桿材料在含80% CO2試驗溶液中浸泡后的表面宏觀形貌Fig. 3 Surface morphology of three sucker rod materials after soaking in test solution containing 80% CO2

圖4所示為力學試驗用聚乙烯包覆型抽油桿試樣經(jīng)原油(含80% CO2)腐蝕1個月前后的表面形貌。由圖4可見：拉伸試驗用試件的兩頭采用聚乙烯包覆，試件中間為包覆聚乙烯的抽油桿桿體，桿體材料為碳鋼，其耐蝕性較差。經(jīng)過原油腐蝕后，桿體顏色暗淡沒有光澤，有明顯的腐蝕現(xiàn)象。

2.3 力學性能

由圖5可見：對于未浸泡試樣，鍍鎢抽油桿試件的屈服強度和抗拉強度最大，斷口有明顯頸縮現(xiàn)象(圖略)，表現(xiàn)出韌性斷裂；聚乙烯包覆抽油桿的抗拉強度與KH抽油桿試件的接近，屈服強度低于鍍鎢抽油桿試件的。KH抽油桿試件的屈服強度和抗拉強度略低于鍍鎢型抽油桿試件的，且測試過程中KH抽油桿試件出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象并且發(fā)生嚴重腐蝕，但未發(fā)生斷裂，表明其彈性較大。

(a) 腐蝕前

(b) 腐蝕后圖4 聚乙烯包覆型抽油桿試驗經(jīng)原油腐蝕前后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of polyethylene coated sucker rod test before (a) and after (b) crude oil corrosion

(a) 鍍鎢型抽油桿 (b) 聚乙烯包覆型抽油桿 (c) KH型抽油桿圖5 三種試樣在含80% CO2原油中浸泡前后的力學性能Fig. 5 Mechanical properties of three samples before and after soaking in 80% CO2 crude oil:(a) tungsten-plated sucker rod; (b) polyethyene-coated sucker rod; (c) KH sucker rod

浸泡后，試件的力學性能下降，這是由于試件在高濃度CO2和高礦化度介質中浸泡后，試件基體鋼與氫接觸發(fā)生氫脆[14]，導致浸泡后試件的抗拉強度、屈服強度及延伸率等下降。

3 防腐蝕抽油桿材料的優(yōu)選

動態(tài)循環(huán)腐蝕試驗結果表明：KH型抽油桿試件在試驗環(huán)境中發(fā)生嚴重腐蝕，且腐蝕速率較高，耐CO2腐蝕性能很差，因此該材料若要應用于CO2驅采出井中，需在使用前采取防護措施。鍍鎢型和聚乙烯包覆型抽油桿試件在試驗環(huán)境中的動態(tài)腐蝕速率能滿足要求。其中，鍍鎢型抽油桿試件具有良好的機械性能，同時又具有耐磨、耐蝕性和抗高溫氧化性，與基體結合能力較強[15]，這些優(yōu)點延長了抽油桿的使用壽命，一般工況下推薦使用該材料。聚乙烯包覆型抽油桿試件具有較強的防腐蝕性能，并且價格較鍍鎢型的便宜，但目前存在如下問題：聚乙烯包覆層的耐熱溫度均小于150 ℃，若服役溫度為150 ℃，包覆層會快速老化，且由于黏附力不足使包覆層產(chǎn)生脫離并污染油井，脫離所產(chǎn)生的碎片易堵塞抽油泵，包覆材料雖然能隔絕井液和基體抽油桿，但是易破損從而失去防腐蝕效果。

綜上所述，防腐蝕抽油桿采用鍍鎢型較為合適。雖然聚乙烯包覆型抽油桿的耐蝕性很好，但因在高溫條件下會產(chǎn)生脫落，高溫工況下不推薦選用。KH型抽油桿的耐CO2腐蝕性能很差，一般不推薦使用。

4 結論

(1) KH型、聚乙烯包覆型和鍍鎢型抽油桿在CO2驅油田采出井條件下的耐蝕性由大到小依次為：聚乙烯包覆型>鍍鎢型>KH型。其中KH型抽油桿腐蝕嚴重，鍍鎢型抽油桿受到輕微CO2腐蝕，聚乙烯包覆型抽油桿在CO2驅采出井環(huán)境中沒有腐蝕發(fā)生。

(2) 三種抽油桿在含CO2原油中浸泡后，KH型的力學性能較未浸泡的大幅下降，抗拉強度和屈服強度分別下降6.2%和14.4%，聚乙烯包覆型抽油桿的力學強度降低較小，說明浸泡對該材料的強度影響不大。

(3) 鍍鎢型抽油桿可用作CO2驅采出井井下防腐蝕抽油桿。聚乙烯包覆型抽油桿不建議在高溫地層條件下服役。