公司對應(yīng)力作用下套管鋼的腐蝕行為進(jìn)行研究
1、研究背景
石油套管主要用于鉆井過程中和完井后對井壁的支撐，以保證鉆井過程的進(jìn)行和完井后整個油井的正常運(yùn)行，由于地質(zhì)條件不同，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用于管體，這對套管的強(qiáng)度提出了較高的要求。按鋼材本身的強(qiáng)度套管可分為不同鋼級，即J55、K55、N80、L80、C90、T95、P110、Q125、V150等。井況、井深不同，采用的鋼級也不同，一旦套管本身由于某種原因而損壞，可能導(dǎo)致整口井的減產(chǎn)，甚至報廢。
在井下，由于高溫、高礦化度、二氧化碳等因數(shù)的作用，使得套管鋼容易遭受腐蝕。國內(nèi)外對套管鋼腐蝕的影響因素，如氯離子濃度、二氧化碳及硫化氫分壓、溫度等進(jìn)行了研究。但是，對于套管鋼強(qiáng)度與其腐蝕性能關(guān)聯(lián)性的研究非常少，同時對套管鋼本身存在不同應(yīng)力時的腐蝕研究工作也較少。而對不銹鋼的研究已經(jīng)證實(shí)，金屬的強(qiáng)度及應(yīng)力會顯著影響其腐蝕行為。本課題組對鉻基不銹鋼在含有二氧化碳的完井液中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超級13Cr不銹鋼比普通13Cr不銹鋼具備更高的強(qiáng)度，但超級13Cr不銹鋼更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，同時還發(fā)現(xiàn)，在鉻基不銹鋼應(yīng)力集中區(qū)域，點(diǎn)蝕更為嚴(yán)重。西安管材所對N80套管鋼在應(yīng)力狀態(tài)下的二氧化碳腐蝕行為進(jìn)行了研究，提出了應(yīng)力會加速腐蝕反應(yīng)的過程，從而加速二氧化碳腐蝕速率的結(jié)論；國內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)，應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕速率比無應(yīng)力條件下的腐蝕速率快13.6-24%。
目前對套管鋼的腐蝕評價往往是在常壓模擬介質(zhì)中進(jìn)行的，很少考慮到液壓及鋼材自身應(yīng)力及強(qiáng)度的影響。然而，現(xiàn)場條件下，井下套管受到高壓地層水的作用，同時套管鋼處于彎曲狀態(tài)，其本身還具備很高的應(yīng)力。通過我們對鉻基不銹鋼研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及國內(nèi)外相關(guān)的研究成果得知，在這種特殊環(huán)境下，套管鋼腐蝕會顯著受到液壓及自身應(yīng)力的影響。由于套管鋼的強(qiáng)度會導(dǎo)致其自身的顯微結(jié)構(gòu)及應(yīng)力發(fā)生改變，因此套管鋼的強(qiáng)度也會影響其腐蝕性能。
影響套管鋼腐蝕的因數(shù)眾多，除了上面談到的套管本身的強(qiáng)度及應(yīng)力，還包括介質(zhì)中離子濃度（Cl-、HCO3-、SO42-等）、溶液pH值、CO2分壓、溫度等。要闡明影響套管鋼腐蝕的主要因數(shù)，可以通過多因素、多水平設(shè)計，得到不同條件下套管鋼的腐蝕速度，進(jìn)而采用主因數(shù)分析，找到影響套管鋼腐蝕的主要因數(shù)，同時利用回歸分析，得到每個因數(shù)對碳鋼套管鋼腐蝕速度的影響強(qiáng)度，進(jìn)而指導(dǎo)套管鋼的選材。
2、實(shí)驗(yàn)方案
模擬現(xiàn)場環(huán)境，配制地層水溶液，以配制的地層水溶液為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)；選取三種常用的套管鋼為研究材料，測試三種套管鋼的強(qiáng)度以及元素組成，將套管鋼分別制備成常規(guī)試片及四點(diǎn)彎曲試片。
2.1常規(guī)試片
a)采用掛片法，研究三種鋼材在模擬地層水中的腐蝕速率；
b)采用極化曲線、交流阻抗等手段研究在模擬地層水中，三種套管鋼的電化學(xué)行為；
c)采用電鏡、能譜儀等表面分析手段，研究掛片后的試片表面形貌及腐蝕產(chǎn)物組成；
d)結(jié)合電化學(xué)研究結(jié)果、失重腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物組成等，闡明常規(guī)試片在地層水中的腐蝕行為。
2.1四點(diǎn)彎曲試片
a)采用掛片法，研究三種四點(diǎn)彎曲試樣在模擬地層水中的腐蝕速率；
b)采用極化曲線、交流阻抗等手段研究在模擬地層水中三種四點(diǎn)彎曲套管鋼的電化學(xué)行為；
c)采用電鏡、能譜儀等表面分析手段，研究掛片后的四點(diǎn)彎曲試片表面形貌及腐蝕產(chǎn)物組成；
d)結(jié)合電化學(xué)研究結(jié)果、失重腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物組成等，闡明四點(diǎn)彎曲試樣在常壓地層水中的腐蝕機(jī)理。
3、因數(shù)設(shè)計
以HCO3-濃度、Cl-濃度、SO42-濃度、溫度、pH值、二氧化碳分壓為影響因素，改變這些因素的值，得3-5水平，通過均勻設(shè)計，研究在多因素、多水平下套管鋼的腐蝕速率。
4、數(shù)據(jù)處理
4.1 主影響因數(shù)分析
以套管鋼的腐蝕速率為主變量、以HCO3-濃度、Cl-濃度、SO42-濃度、溫度、pH值、二氧化碳分壓、套管鋼強(qiáng)度等為因變量，通過主因數(shù)分析，找出影響套管鋼腐蝕的主要因素。
4.2常規(guī)試片
通過回歸分析，得到每個因數(shù)的回歸系數(shù)，進(jìn)而洞悉每個因數(shù)對腐蝕速度影響的大小。
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2013年8月14日
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