公司對應力作用下套管鋼的腐蝕行為進行研究
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行和完井后整個油井的正常運行，由于地質條件不同，井下受力狀態(tài)復雜，拉、壓、彎、扭應力綜合作用于管體，這對套管的強度提出了較高的要求。按鋼材本身的強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、溫度等進行了研究。但是，對于套管鋼強度與其腐蝕性能關聯(lián)性的研究非常少，同時對套管鋼本身存在不同應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，金屬的強度及應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行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，超級13Cr不銹鋼比普通13Cr不銹鋼具備更高的強度，但超級13Cr不銹鋼更容易發(fā)生應力腐蝕開裂，同時還發(fā)現(xiàn)，在鉻基不銹鋼應力集中區(qū)域，點蝕更為嚴重。西安管材所對N80套管鋼在應力狀態(tài)下的二氧化碳腐蝕行為進行了研究，提出了應力會加速腐蝕反應的過程，從而加速二氧化碳腐蝕速率的結論；國內研究進一步證實，應力狀態(tài)下的腐蝕速率比無應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中進行的，很少考慮到液壓及鋼材自身應力及強度的影響。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力。通過我們對鉻基不銹鋼研究的實驗結論以及國內外相關的研究成果得知，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力的影響。由于套管鋼的強度會導致其自身的顯微結構及應力發(fā)生改變，因此套管鋼的強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度及應力，還包括介質中離子濃度（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、多水平設計，得到不同條件下套管鋼的腐蝕速度，進而采用主因數(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度，進而指導套管鋼的選材。
2、實驗方案
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驗介質；選取三種常用的套管鋼為研究材料，測試三種套管鋼的強度以及元素組成，將套管鋼分別制備成常規(guī)試片及四點彎曲試片。
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)結合電化學研究結果、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。
2.1四點彎曲試片
a)采用掛片法，研究三種四點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彎曲套管鋼的電化學行為；
c)采用電鏡、能譜儀等表面分析手段，研究掛片后的四點彎曲試片表面形貌及腐蝕產(chǎn)物組成；
d)結合電化學研究結果、失重腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物組成等，闡明四點彎曲試樣在常壓地層水中的腐蝕機理。
3、因數(shù)設計
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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