公司对应力作用下套管钢的腐蚀行为进行研究
1、研究背景
石油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行，由于地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭应力综合作用于管体，这对套管的强度提出了较高的要求。按钢材本身的强度套管可分为不同钢级，即J55、K55、N80、L80、C90、T95、P110、Q125、V150等。井况、井深不同，采用的钢级也不同，一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。
在井下，由于高温、高矿化度、二氧化碳等因数的作用，使得套管钢容易遭受腐蚀。国内外对套管钢腐蚀的影响因素，如氯离子浓度、二氧化碳及硫化氢分压、温度等进行了研究。但是，对于套管钢强度与其腐蚀性能关联性的研究非常少，同时对套管钢本身存在不同应力时的腐蚀研究工作也较少。而对不锈钢的研究已经证实，金属的强度及应力会显著影响其腐蚀行为。本课题组对铬基不锈钢在含有二氧化碳的完井液中的腐蚀行为进行了研究，结果发现，超级13Cr不锈钢比普通13Cr不锈钢具备更高的强度，但超级13Cr不锈钢更容易发生应力腐蚀开裂，同时还发现，在铬基不锈钢应力集中区域，点蚀更为严重。西安管材所对N80套管钢在应力状态下的二氧化碳腐蚀行为进行了研究，提出了应力会加速腐蚀反应的过程，从而加速二氧化碳腐蚀速率的结论；国内研究进一步证实，应力状态下的腐蚀速率比无应力条件下的腐蚀速率快13.6-24%。
目前对套管钢的腐蚀评价往往是在常压模拟介质中进行的，很少考虑到液压及钢材自身应力及强度的影响。然而，现场条件下，井下套管受到高压地层水的作用，同时套管钢处于弯曲状态，其本身还具备很高的应力。通过我们对铬基不锈钢研究的实验结论以及国内外相关的研究成果得知，在这种特殊环境下，套管钢腐蚀会显著受到液压及自身应力的影响。由于套管钢的强度会导致其自身的显微结构及应力发生改变，因此套管钢的强度也会影响其腐蚀性能。
影响套管钢腐蚀的因数众多，除了上面谈到的套管本身的强度及应力，还包括介质中离子浓度（Cl-、HCO3-、SO42-等）、溶液pH值、CO2分压、温度等。要阐明影响套管钢腐蚀的主要因数，可以通过多因素、多水平设计，得到不同条件下套管钢的腐蚀速度，进而采用主因数分析，找到影响套管钢腐蚀的主要因数，同时利用回归分析，得到每个因数对碳钢套管钢腐蚀速度的影响强度，进而指导套管钢的选材。
2、实验方案
模拟现场环境，配制地层水溶液，以配制的地层水溶液为实验介质；选取三种常用的套管钢为研究材料，测试三种套管钢的强度以及元素组成，将套管钢分别制备成常规试片及四点弯曲试片。
2.1常规试片
a)采用挂片法，研究三种钢材在模拟地层水中的腐蚀速率；
b)采用极化曲线、交流阻抗等手段研究在模拟地层水中，三种套管钢的电化学行为；
c)采用电镜、能谱仪等表面分析手段，研究挂片后的试片表面形貌及腐蚀产物组成；
d)结合电化学研究结果、失重腐蚀速率、腐蚀产物组成等，阐明常规试片在地层水中的腐蚀行为。
2.1四点弯曲试片
a)采用挂片法，研究三种四点弯曲试样在模拟地层水中的腐蚀速率；
b)采用极化曲线、交流阻抗等手段研究在模拟地层水中三种四点弯曲套管钢的电化学行为；
c)采用电镜、能谱仪等表面分析手段，研究挂片后的四点弯曲试片表面形貌及腐蚀产物组成；
d)结合电化学研究结果、失重腐蚀速率、腐蚀产物组成等，阐明四点弯曲试样在常压地层水中的腐蚀机理。
3、因数设计
以HCO3-浓度、Cl-浓度、SO42-浓度、温度、pH值、二氧化碳分压为影响因素，改变这些因素的值，得3-5水平，通过均匀设计，研究在多因素、多水平下套管钢的腐蚀速率。
4、数据处理
4.1 主影响因数分析
以套管钢的腐蚀速率为主变量、以HCO3-浓度、Cl-浓度、SO42-浓度、温度、pH值、二氧化碳分压、套管钢强度等为因变量，通过主因数分析，找出影响套管钢腐蚀的主要因素。
4.2常规试片
通过回归分析，得到每个因数的回归系数，进而洞悉每个因数对腐蚀速度影响的大小。
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2013年8月14日
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