随着油气田的持续开采，地层压力逐渐降低，原油的开采变得更加困难，且开采成本也随之增加[1]。目前国内外已经形成提高原油采收率4大技术体系：化学驱、气驱、热力驱和微生物驱[2]。其中，气驱作为一项成熟的驱油技术越来越受到各大油田与研究机构的重视，应用范围也越来越广泛[3]。注空气驱不仅能够提高地层压力，还可以使原油发生氧化反应。同时，空气驱具有气源丰富、成本低廉等优点[4]。
由于氧是极强的去极化剂，未消耗完的氧气在水溶液环境中易发生电化学腐蚀；再加之油田高温、高压、高矿化度等复杂的腐蚀环境，难免会对油田管道及相关设备造成严重的腐蚀[5]。目前，国内外预防腐蚀的方法主要有提高溶液pH值、除氧措施以及使用缓蚀剂[6]。根据华北油田雁翎潜山油藏顶部注气重力驱先导实验，对油田所提供的L360与20#钢材在不同温度、压力、氧分压条件下的腐蚀实验，得出不同环境下材质的腐蚀因素，明确材质的腐蚀规律与机理，给油田注空气生产条件的控制提供指导。
实验腐蚀试样为油田所提供的L360与20#钢材，尺寸大小如图 1所示，材质的主要化学成分见表 1。
通过对油田水样的成分分析，得出的离子种类与质量浓度见表 2。
根据油田水样检测结果配制实验水样，为了减小试验误差，每种试样的平行试样为3个，最终腐蚀速率为3个平行试样的平均值。考察因素为氧含量、总压力与温度。其中，氧含量为氧分压与体系总压力之比。
利用C-276磁力驱动高温高压反应釜，参照SY/T 5273-2000《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》，通过静态挂片失重法测量油田所提供的20#与L360两种钢材在模拟工况条件下的腐蚀速率，主要实验操作如下：
(1) 实验前依次用180#、400#、800#和1 200#砂纸对两种试样进行打磨至光亮状态，去除试样表面的氧化膜与划痕等。
(2) 将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗10 min，再用无水酒精进行清洗，去除试样表面的油与水。
(3) 利用游标卡尺与电子天平对打磨后的试样进行尺寸与质量的测量，每个参数测量3次取平均值。
(4) 在腐蚀实验开始前先对反应釜进行除氧处理，先通入2 h的N2，充分除氧后再对反应釜加温到所需要的温度，最后向反应釜中通入O2与N2，达到试验所需要的氧含量与总压力，腐蚀时间为72 h。
(5) 腐蚀完成后，对腐蚀试样进行腐蚀形貌的表征与腐蚀产物的收集，然后利用酸洗液对试样进行清洗，干燥后称量腐蚀试样的质量，通过腐蚀前后试样质量的变化，由式(1)计算腐蚀速率[7]。
式中：V为腐蚀速率，mm/a；m0、m分别为腐蚀前后的样品质量，g；A为样品的暴露面积，cm2；t为实验时间(从充气到开始降温之间的时间)，h；ρ为试样的密度，g/cm3。
利用数码相机与金相显微镜对腐蚀前后试样表面形貌进行记录与观察，通过对比研究，得出材质的腐蚀宏观状况与腐蚀类型。
利用X射线衍射仪检测试样的腐蚀产物，通过对不同条件下腐蚀产物成分的分析，推断腐蚀可能发生的过程。
氧腐蚀是一种极为严重的电化学腐蚀，与其他腐蚀类型相比，氧腐蚀也最为显著，会对管线和其他相关设备的安全运行带来一定的威胁。所以，在油田注空气驱油的过程中，需要明确氧含量对材质腐蚀的影响，为油田生产提供一定的参考意见。实验中控制体系的温度为80 ℃，压力为2 MPa。
图 2为不同氧含量下两种材质的腐蚀速率图。由图 2可看出，随着体系中氧含量的升高，两种材质的腐蚀速率也随之增大。同时，L360与20#钢在不同温度下的腐蚀速率基本相同，主要是由于氧为体系中的主要腐蚀介质，且具有极强的去极化作用，两种材质在整个过程中都与氧发生反应而腐蚀。
当氧体积分数超过5%时，腐蚀速率急剧加快。在氧含量10%的情况下，两种材质的腐蚀速率达到4.5 mm/a左右。随着氧含量的升高，使得阴极反应O2+2H2O+4e→4OH-平衡右移，氧的去极化作用增强[8]，从而使得两种材质的腐蚀速率加快；另一方面，溶液中的氧直接把阳极反应生成的Fe2+氧化成Fe3+，使得反应进一步进行[9]。
图 3是氧体积分数10%下的腐蚀后试样的形貌图。由图 3可看出，大量黑色和砖红色的腐蚀产物附着在试样表面，通过对试样清洗发现，腐蚀产物与基体之间的附着性能差且易于清洗。从图 4腐蚀产物的SEM形貌可看出，腐蚀产物表面粗糙，呈多孔海绵状，且没有形成致密腐蚀产物膜。由此可以推断出，在腐蚀发生的过程中，体系中的氧通过扩散与渗透的方式到达基体表面，所以腐蚀产物不断地被积累。
图 5为不同氧含量下两种试样清洗后的局部腐蚀形貌图。由图 5可清晰地看出，随着氧含量的升高，两种试样的溃疡腐蚀越来越严重。随着氧含量的增大，试样表面结合力较强的腐蚀产物越少，通过文献调研可知，氧腐蚀主要控制因素为氧含量与扩散能力[10]。在氧含量低的情况下，覆盖在试样表面的腐蚀产物能抑制溶液中氧的扩散，当氧体积分数在5%以下时，腐蚀形貌较轻，试样表面略微粗糙；当氧体积分数大于5%时，氧扩散能力增强，腐蚀产物不断地积累最终被剥离，所以试样的腐蚀形貌变得粗糙，并且氧含量越高腐蚀坑越明显，这与氧含量对腐蚀速率的影响相吻合。
由于不同油井所处的压力环境不同，针对油田工况环境，在温度30 ℃与氧体积分数3%的条件下，利用高温高压反应釜模拟了3种压力(2 MPa、5 MPa、10 MPa)下L360与20#钢的腐蚀实验，结果见图 6。
由图 6可知，随着压力升高，材质的腐蚀速率随之升高。这主要是由于总压力增加，氧含量也随着增加。压力从2 MPa升到5 MPa时，腐蚀速率急剧增加；从5 MPa升高到10 MPa时，腐蚀速率增加较为缓慢。这是因为在材质腐蚀的过程中，腐蚀产物不断地积累，压力大时腐蚀产物更加致密[11]，在一定程度上限制了氧、Cl-等腐蚀介质往基体扩散的能力[12]。
图 7为两种材质腐蚀前后在金相显微镜下放大100倍的照片。从图 7可看出，随着体系压力的增大，材质的腐蚀形貌越来越严重。两种材质的试样在未腐蚀前表面平整，仅仅存在均匀的打磨痕迹；在2 MPa的条件下，试样表面变得粗糙，腐蚀类型主要为均匀腐蚀，试样表面仅出现很轻微的点蚀形貌；当压力大于2 MPa时，体系中的氧含量也随总压力的增大而增大。在氧含量增大的情况下，点蚀的直径与深度都随之增加，相邻较近的点蚀逐渐合并，从而形成更大的腐蚀坑。同时，在氧的作用下，腐蚀坑内又形成新的点蚀。通过对图 7的分析，明确了氧腐蚀主要类型为点腐蚀，并且在氧含量较高的情况下，点蚀之间相互合并而发展成典型的溃疡腐蚀。
为了明确温度对材质腐蚀的影响，在压力2 MPa、氧含量为3%的条件下，分别对L360与20#钢在30 ℃、45 ℃、60 ℃和80 ℃进行高温高压反应釜试验，两种材质的腐蚀速率随温度变化的关系如图 8所示。
由图 8可知，随着温度的升高，两种材质的腐蚀速率也随之增大，并且腐蚀速率与温度之间基本呈线性变化的关系。反应釜为密封系统，溶液中溶解的气体不会随着温度的升高而大量降低。从化学平衡的角度来看，温度升高，溶液中氧和Cl-等腐蚀介质的活性更加活泼，所以两种材质的腐蚀速率增大；此外，热溶液中氧的扩散系数也随着温度的升高而增大，氧更容易到达材质的表面而发生氧去极化作用。
图 9为不同温度下，试样腐蚀后放大100倍的金相显微照片。从图 9可知，温度的升高促进了点蚀的发展。主要是因为温度的升高提高了体系中腐蚀介质的动力学性能[13]，更多的氧与Cl-通过扩散到达基体的表面，最终导致试样的腐蚀速率加快[14]。
通过对L360与20#钢腐蚀产物的XRD分析，可以明确试样腐蚀产物的具体成分，根据分析结果从而推断出试样的腐蚀过程。通过不同氧含量、压力和温度条件下试样的腐蚀产物的分析可知，L360与20#钢的腐蚀产物没有明显的区别。同时，不同氧含量与不同压力对试样的腐蚀产物成分也没有明显的影响，其主要成分均为Fe2O3与Fe3O4。由此可以说明，L360与20#钢在整个腐蚀过程中主要发生的是氧腐蚀，产物的主要成分为铁的氧化物，并且腐蚀产物Fe2O3结构疏松，在整个腐蚀过程中并不能对基体起到屏蔽保护作用。
图 10为30 ℃与80 ℃条件下腐蚀产物的XRD图谱，通过对两种温度下腐蚀产物的XRD图谱对比可知，低温(30 ℃)状态下与高温(80 ℃)状态下的腐蚀产物有明显的区别，两种条件下腐蚀产物都有Fe2O3和Fe3O4，但在30 ℃时腐蚀产物有FeO(OH)的存在。FeO(OH)热稳定性能较差，在温度大于30 ℃时容易转化成为Fe2O3[15]。综上分析可知，温度不仅影响试样的腐蚀速率，还影响腐蚀产物的成分。
(1) 20#与L360两种钢材的腐蚀速率随着氧含量、压力及温度的升高而升高，主要控制因素为氧含量。所以油田在注气作业中应适当控制氧含量，未消耗的氧会对管柱造成严重的腐蚀。
(2) 在有氧条件下，氧具有极强的去极化作用，两种材质的腐蚀速率没有明显的区别，主要腐蚀类型为点蚀，并且在氧含量较高的情况下，点蚀之间相互合并，演变为典型的溃疡腐蚀。
(3) 通过对不同条件下腐蚀产物成分分析可知，两种材质的腐蚀产物主要成分均为Fe3O4和Fe2O3，压力、氧含量对腐蚀产物的成分没有明显的影响；在低温(30 ℃)时，腐蚀产物中有FeO(OH)存在，说明温度不仅影响腐蚀速率，还影响腐蚀产物成分。
2018, Vol. 47 Issue (3): 67-72
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