頁巖氣井滑溜水和返排液對N80鋼和TP125V鋼的腐蝕研究

陳文 彭林彩 王彥然 周寧

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.四川川港燃氣有限責任公司

川渝地區頁巖氣開發主要采用大規模壓裂技術,單井加入的壓裂液量普遍為(40～60)×104m3[1]。頁巖氣井主要使用滑溜水作為壓裂液,進入地層后,隨著氣井開采逐漸返排至地面。為了實現頁巖氣環保、低成本開發,返排液經過簡單處理后,在現場再次配制成滑溜水,用于下一口頁巖氣井壓裂[2-4]。

川渝地區頁巖氣井大量采用了N80鋼油管和TP125V鋼套管,隨著氣井的開采,部分氣井出現了油管腐蝕失效的情況。國內外有少量關于頁巖氣井油管腐蝕的報道[5-9],發現溫度、壓力、CO2和硫酸鹽還原菌含量都對腐蝕有影響。截至目前,沒有專門針對不同液體對油套管材質腐蝕影響的相關研究報道。本研究利用腐蝕失重法和電化學法,分析了室內配制滑溜水、現場滑溜水和氣井返排液3種液體對N80鋼和TP125V鋼腐蝕的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

去離子水、CO2(99.9%(φ))、金屬試樣(N80鋼、TP125V鋼)、實驗室配制滑溜水(使用去離子水配制,其中,殺菌劑(CT10-4B)質量分數為0.5‰、助排劑(CT5-12A)質量分數為1‰、降阻劑(CT1-20D)質量分數為1‰)、現場滑溜水(川渝地區某頁巖氣井壓裂現場取樣)、現場返排液(川渝地區某頁巖氣井現場取樣)、電子天平(JJ500,常熟市雙杰測試儀器廠)、電化學工作站(CS350,武漢科斯特儀器有限公司)、掃描電子顯微鏡(JSM-IT200,日本JEOL)、超景深3D顯微鏡(LEICA DVM6,德國Leica Microsystems)。

1.2 實驗方法

實驗所用腐蝕液、試劑瓶等在高溫高壓滅菌鍋中(121 ℃)進行滅菌20 min。不能進行高溫高壓滅菌的實驗物品,如工作電極、參比電極和對電極等,均須放至紫外燈下進行紫外滅菌30 min。滅菌后的腐蝕液于紫外箱中通入CO2氣體4 h,用作腐蝕介質。失重實驗及實驗后試片處理參考相關標準中所述方法開展[10-11]。實驗中所測電化學數據均通過CS350電化學工作站完成;N80鋼和TP125V鋼電極作為工作電極,以Ag/AgCl為參比電極,對電極為Pt電極,進行開路電位以及極化曲線等電化學測試。實驗中的動電位極化曲線掃描范圍為相對開路電位-250～+350 mV,以0.5 mV/s的掃描速度進行。

2 實驗結果

2.1 失重測試

圖1所示為在100 ℃下不同腐蝕介質中腐蝕測試14天后由失重計算得到的N80鋼和TP125V鋼的腐蝕速率。從圖1可看出:在實驗室配制的滑溜水、現場滑溜水和現場返排液環境中,N80鋼腐蝕速率分別為0.051 mm/a、0.145 mm/a和0.202 mm/a,在現場返排液環境中的腐蝕速率最大,在實驗室配制的滑溜水中的腐蝕速率最小;TP125V鋼在3種腐蝕環境中的腐蝕規律也相同,腐蝕速率分別為0.022 mm/a、0.090 mm/a和0.131 mm/a。

2.2 電化學測試

由于N80鋼和TP125V鋼在不同腐蝕介質中耐蝕性能趨勢相同,因此選取N80鋼開展電化學測試。圖2和表1分別是N80鋼在實驗室配制的滑溜水、現場滑溜水和現場返排液環境中實驗14天后的極化曲線圖和擬合結果,實驗溫度為100 ℃。從圖2和表1可以看出:在實驗室配制的滑溜水環境中,N80鋼自腐蝕電位為-0.627 71 V,腐蝕電流為1.958 5×10-7A/cm2;在現場滑溜水環境中,N80鋼自腐蝕電位為-0.674 77 V,腐蝕電流為1.113 8×10-6A/cm2;在現場返排液環境中,N80鋼自腐蝕電位為-0.699 79 V,腐蝕電流為2.451 0×10-5A/cm2。

表1 不同腐蝕液環境中極化曲線擬合結果Ba(V·dec-1)Bc(V·dec-1)Ecorr(V vs. Ag/AgCl)icorr(A·cm-2)實驗室配制的滑溜水0.576-0.156-0.627 711.958 5×10-7現場滑溜水0.257-0.236-0.674 771.113 8×10-6現場返排液0.129-0.103-0.699 792.451 0×10-5

在現場返排液環境中,N80鋼腐蝕電位最負,腐蝕電流最大,腐蝕速率也最高,說明試樣在現場返排液環境中有更大的腐蝕傾向,腐蝕最嚴重。

3 腐蝕行為分析

圖3所示為在100 ℃下,實驗鋼材在實驗室配制的滑溜水、現場滑溜水和現場返排液體系中開路電位(OCP)隨時間的變化曲線。從圖3可看出:在實驗室配制的滑溜水體系中,OCP先隨浸泡時間的延長而不斷增大,增至第5天后,開始下降,最終下降至-0.5 V;在現場滑溜水中,OCP先增大后減小,從第4天開始逐漸穩定在-0.60～-0.65 V;在現場返排液中,試樣OCP隨浸泡時間的延長不斷增大,從第5天開始穩定在-0.65～-0.70 V。從圖3可看出,試片在現場返排液環境中OCP最負,具有更強的電化學腐蝕傾向。

圖4所示為N80鋼在不同腐蝕介質體系中表面腐蝕產物的SEM圖像與EDS能譜分析圖。從圖4(a)、圖4(b)可看出:在實驗室配制的滑溜水環境中,試樣表面腐蝕產物較少,不連續,且可以看見試片表面的金屬擦痕,說明腐蝕較輕;腐蝕產物膜分布不均勻,可以觀察到有腐蝕坑;在實驗室配制的滑溜水環境中試樣表面腐蝕產物元素以Fe、O、C等為主。在現場滑溜水環境中,實驗后試片表面有較多腐蝕產物,有局部成團,且有大量的孔洞存在,試樣表面腐蝕產物元素以C、O、Fe、Si、Ca等為主(見圖4(c)和圖4(d))。在現場返排液中,腐蝕產物在試樣表面成團分布,腐蝕產物顆粒較大,腐蝕產物膜疏松多孔,試樣表面腐蝕產物主要由C、O、Fe、Si、Ca等元素組成(見圖4(e)和圖4(f))。

通過圖4的SEM分析結果可知,在現場滑溜水和現場返排液環境中,N80試樣表面腐蝕產物比室內配制的滑溜水更多、更疏松,說明更容易發生腐蝕。

圖5所示為TP125V鋼在不同腐蝕介質體系中表面腐蝕產物的SEM圖像與EDS能譜分析圖。在實驗室配制的滑溜水環境中,試樣表面基體裸露,沒有觀察到明顯連續的腐蝕產物膜(見圖5(a)),結合EDS能譜結果可以看出,試樣表面腐蝕產物元素以Fe、C、O等為主(見圖5(b))。在現場滑溜水環境中,試樣表面分布著大量塊狀腐蝕產物,腐蝕產物膜較為致密,但存在裂痕,試樣表面腐蝕產物主要由C、O、Fe、Ca、Si等元素組成(見圖5(c)和圖5(d))。在現場返排液環境中,TP125V鋼表面腐蝕產物膜較為致密,分布不均勻,試樣表面腐蝕產物主要包括C、O、Fe、Ca、Si等元素(見圖5(e)和圖5(f))。

通過圖5 的SEM分析結果可知,在實驗室配制的滑溜水環境中,TP125V鋼表面沒有明顯的腐蝕產物膜,說明腐蝕較現場滑溜水和現場返排液更為輕微。

圖6所示為N80鋼在不同腐蝕介質中去除試片表面腐蝕產物后的腐蝕形貌分析圖。從圖6可看出:N80鋼在實驗室配制的滑溜水環境中,其表面比較光滑平整,劃痕清晰可見,腐蝕坑比較小且孤立,腐蝕較輕,最大腐蝕坑深度為18.49 μm(見圖6(a));在現場滑溜水環境中,表面有明顯腐蝕痕跡,點蝕坑分布較實驗室配制的滑溜水更密集,最大腐蝕坑深度為21.15 μm(見圖6(b));在現場返排液環境中,表面出現較大的點蝕坑,局部腐蝕嚴重,最大點蝕坑深度為24.74 μm(見圖6(c))。

圖7所示為TP125V鋼在不同腐蝕腐蝕介質中去除試片表面腐蝕產物后的腐蝕形貌圖。從圖7可看出:TP125V鋼在實驗室配制的滑溜水和現場滑溜水環境中,其表面均可見到明顯的金屬擦痕,腐蝕坑數量比較少,最大腐蝕坑深度接近(分別為10.83 μm和10.38 μm,見圖7(a)和圖7(b)),但是在現場滑溜水環境中的表面腐蝕痕跡更明顯,開始出現密集的點蝕痕跡;在現場返排液環境中,表面腐蝕明顯,出現大量腐蝕坑,說明發生了嚴重局部腐蝕,最大腐蝕坑深度高于實驗室配制的滑溜水和現場滑溜水(19.80 μm,見圖7(c))。

結合失重實驗、電化學實驗、腐蝕產物形貌分析和試片表面形貌分析可以看出,N80鋼和TP125V鋼在室內配制的滑溜水、現場滑溜水和現場返排液中的耐蝕性能逐漸降低,點蝕情況逐漸加深。

4 結論

(1) 研究了N80鋼和TP125V鋼在實驗室配制的滑溜水、現場滑溜水和現場返排液3種不同腐蝕環境中的耐蝕性能。結果表明,現場返排液對這兩種鋼的腐蝕性最強,且會出現明顯的點蝕。

(2) 現場返排液在回用前,應充分考慮其腐蝕性問題,通過水質預處理[12]、添加緩蝕劑等措施來減輕對油套管的腐蝕。