超级13Cr不锈钢在油田模拟液中的应力腐蚀研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.03.006

摘要/Abstract

摘要：

为延长超深井超级13Cr不锈钢油管的生命周期，降低生产过程中复杂钻完井工作液及地层产出流体导致的应力腐蚀，开展了应力腐蚀产生机理分析，并提出了应对策略；基于聚合成膜缓蚀机理研发了缓蚀剂；在模拟工况和标准工况下，评价了超级13Cr不锈钢在酸液及加/未加缓蚀剂的返排液中的应力腐蚀情况。结果表明，加入缓蚀剂的酸液达到缓蚀要求；在返排液中，超级13Cr不锈钢的宏观腐蚀速率较大；在酸液及返排液中，超级13Cr不锈钢发生应力腐蚀，且在返排液中应力腐蚀较严重；在实验温度为140 ℃、压力为10 MPa的条件下，超级13Cr不锈钢在返排液中7 d后的应力腐蚀裂纹宽度为3~5 μm，而加入体积分数为1%的缓蚀剂后测试72 h，超级13Cr不锈钢试片未产生应力腐蚀，说明该缓蚀剂可抑制超级13Cr不锈钢在高温环境中的应力腐蚀开裂。研究结果对超深井钻完井安全施工及安全生产具有借鉴意义。

关键词: 超级13Cr不锈钢, 酸液, 含酸盐水, 应力腐蚀, 缓蚀剂

Abstract:

In order to extend the life cycle of super 13Cr stainless steel tubing in ultra-deep wells and reduce the stress corrosion caused by complex drilling and completion fluids and formation output fluids during the production process, a stress corrosion generation mechanism analysis has been carried out and a countermeasure strategy has been put forward.Based on the corrosion inhibition mechanism of polymerized film-forming corrosion inhibitor, a corrosion inhibitor has been developed. The stress corrosion of super 13Cr stainless steel has been evaluated in the acid fluids and the return fluids with/without the corrosion inhibitor in the simulated and standard conditions. The results show that the acid solution with corrosion inhibitor met the corrosion inhibition requirements. The macroscopic corrosion rate of super 13Cr stainless steel in the return fluids was larger. There was stress corrosion in the acid solution and the return fluids, and the stress corrosion of the return fluids was more serious.Under the experimental temperature of 140 ℃ and pressure of 10 MPa, the stress corrosion crack width of super 13Cr stainless steel in the return fluids after one week was 3~5 μm,test 72 h after the addition of corrosion inhibitor with a volume fraction of 1%, super 13Cr stainless steel test piece did not produce stress corrosion, which indicated that the corrosion inhibitor could restrain the stress corrosion cracking of super 13Cr stainless steel in the high temperature environment. The result of study is of great significance for the safe construction and safe production of ultra-deep well drilling and completion.

Key words: Super 13Cr stainless steel, Acid liquid, Salt water containing acid, Stress corrosion, Corrosion inhibitor

中图分类号:

TE298

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图/表 7

表1 腐蚀评价用液体的组成

Table 1 Composition of liquids for corrosion evaluation

介质编号	组成
A	15.0%盐酸+2.0%黏土稳定剂+4.5%缓蚀剂+2.0%铁离子稳定剂
B	9.0%盐酸+3.0%乙酸 +2.0%氢氟酸+2.0%黏土稳定剂+4.5%缓蚀剂+2.0%铁离子稳定剂
C	0.4%胍胶+1.0%助排剂+1.0%破乳剂+0.5%温度稳定剂+0.4%交联调节剂+5.0%甲醇
D	C压裂液与地层水的混合液
E	A、B残酸与地层水的混合液

表2 超级13Cr不锈钢试片在不同介质中的均匀腐蚀速率

Table 2 Uniform corrosion rate of super 13Cr stainless steel specimens in different media

钢片编号	介质编号	表面积×10⁶/m²	初始质量/g	腐蚀后质量/g	质量损失/g	均匀腐蚀速率/（g·m^－2·h^－1）
301	A	1 326.170	10.996	10.938	0.058	10.933
302	B	1 338.250	11.125	11.019	0.106	19.801
303	C	1 321.140	11.038	11.033	0.005	0.946
304	D	1 318.360	11.265	11.249	0.016	3.034
305	E	1 320.420	11.555	11.201	0.354	67.024

图1 实验装置及超级13Cr不锈钢试片E介质中的均匀腐蚀形貌

Fig.1 Experimental setup and uniform corrosion morphology of super 13Cr specimen in E medium

图2 应力腐蚀的腐蚀面宏观形貌

Fig.2 Macroscopic morphology of corrosion surface under stress corrosion

图3 E介质中应力腐蚀开裂的微观形貌

Fig.3 Microstructure of stress corrosion cracking in E medium

表3 基于能谱分析的超级13Cr不锈钢腐蚀产物的元素组成

Table 3 Element composition of corrosion products of super 13Cr stainless steel based on energy spectrum analysis

元素	w/%
O	16.76
S	10.05
Cr	11.71
Fe	50.16
Ni	4.15
Ca	7.17

图4 加入新型缓蚀剂后超级13Cr不锈钢试片的应力腐蚀形貌

Fig.4 Stress corrosion morphology of super 13Cr stainless steel specimens after adding a new type of corrosion inhibitor

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