毕红军1,徐国强2,朱永强2,齐建涛2,石秀慧1,毕军红1,李春林1
[1.中国石化胜利油田有限公司 临盘采油厂,德州 251507;2中国石油大学(华东),青岛 266580]
摘 要:采用盲孔法对不同注水井油管进行残余应力测试,用电化学腐蚀测试及水接触角法结 合的方式对油管进行腐蚀性能测试,对不同材料的油管进行性能评价。结果表明:镀渗钨合金油 管、普通油管、玻璃纤维增强塑料油管、防垢油管的残余应力依次由大到小;玻璃纤维增强塑料油 管、镀渗钨合金油管、防垢油管、普通油管的抗腐蚀性能依次由大到小。
关键词:注水井油管;残余应力;腐蚀性能;性能评价 中图分类号:TB304;TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)12-0039-04
注水井油管在油田开采过程中发挥着重要的作 用,然而受油管自身材料以及注入水的品质等因素 的影响,注水井油管的性能也会随着服役时间的延 长发生相应的变化。为确保服役过程中油管的安 全,需要对其力学性能及化学性能进行测试。 残余应力是油管断裂的重要因素,故测量残余 应力具有重要意义。目前,普遍采用的方法包括应 力松弛法(如盲孔法[1-3])和无损检测法[4-7],其中盲 孔法因精度高、理论完善等优点得到了较为广泛的 应用,但仅适用于表面残余应力的测量。残余应力 的盲孔 法 测 量 执 行 标 准 包 括 ASTM E837—2001 《通过钻孔应变计测量残余应力的标准试验方法》、 GB/T31310—2014《金属材料 残余应力测定 钻孔 应变法》和 CB/T3395—2013 《残余应力测试方法 钻孔应变释放法》等,该方法较为成熟。 注水油管的腐蚀问题日益突出[8],这与油管自 身材料及水的品质有关。电化学腐蚀测试技术是基 于电化学原理对油管进行腐蚀性能测试的方法,保 障了注水井油管的安全性,避免了相关安全隐患的 发生,被广泛应用于油田系统的金属腐蚀与防护领 域[9]。然而,该方法并不适用于非导体材料,可借助 水接触角法进行非导体材料的腐蚀性能评价[10]。 笔者采用盲孔法进行残余应力测试,用电化学 腐蚀测试及水接触角法结合的方式进行腐蚀性能测 试,对不同材料的注水井油管进行性能评价,为油田 注水井油管的选用提供参考。
1 试验方法
1.1 试样制备
选取镀渗钨合金油管(1 # 油管试样)、普通油管 (2 # 油管试样)、防垢油管(3 # 油管试样)和玻璃纤维 增强塑料油管(4 # 油管试样),并分别截取试样(见 图1)。
1.2 残余应力测试
采用 GB/T31310—2014标准测试油管外表面 的残余应力。
1.3 电化学腐蚀测试
采用 CS310H 型电化学工作站对1 # ,2 # ,3 # 油 管试样进行原位电化学阻抗谱(EIS)测试。测试过 程使用的电解池为标准三电极体系,参比电极为饱 和甘汞电极,在测试温度下,相对标准氢电极的电位 为0.241V,对电极为碳棒,工作电极为试样。腐蚀 溶液为 NaCl溶液,开路电位采集频率为10Hz,采 集时间设置为60min,达到稳定的标准为10min内 上下波动不超过10 mV。交流阻抗测试阻抗谱频 率设置为10 -2~10 5 Hz。水样温度为80 ℃。
1.4 水接触角测试
研究表明,材料表面能越低、接触角越大,则污 垢结晶成核势垒越大、成核速率越低,防结垢性能则 越好。取盐雾腐蚀试验后的1 # ,3 # ,4 # 油管试样, 其中盐雾箱温度稳定在47 ℃,低盐水密度为(50± 10)g/L,pH 为6.5~7.2,喷雾压力为1 MPa,盐雾 腐蚀时间为24h,使用光学接触角仪进行纯水接触 角测试。主要测试盐雾腐蚀试验后水在试样表面的 接触角,用于判断腐蚀的程度,尤其用于对比玻璃纤 维增强塑料管材试样与其他金属管材试样的抗腐蚀 结垢性能。
2 试验结果与分析
2.1 残余应力测试
4种油管的盲孔法残余应力测试结果如表1所 示。测点分布于油管的外表面,均发现有不同程度 的残余应力,这与油管成型和后期加工等工艺处理 有关。残余应力对油管的承载、腐蚀等有重大影响, 需要限制在一定范围内。参照标准 Q/SY1394— 2011《高抗挤套管》,残余应力应低于152 MPa,才 能保证套管的抗挤毁等安全性能[11]。测试结果表 明,1 # 镀渗钨合金油管试样的残余应力最大,超过 高抗挤套管标准规定的152 MPa,3 # 防垢油管试样 的残余应力最小。4个油管试样的残余应力从大到 小依次为:1 # 油管试样、2 # 油管试样、4 # 油管试样、 3 # 油管试样。
2.2 腐蚀测试
2.2.1 水的品质测试
按照SY/T5329—2012 《碎屑岩油藏注水水质 指标及分析方法》标准,测试注入水的品质,结果如表 2所示,测试油田水的总矿化度为24684.4mg/L。
2.2.2 电化学性能测试
浸泡试验过程中,每隔24h对试样进行 EIS测 试,并结合等效电路图(见图2)进行数据拟合分析。 电化学阻 抗 谱 可 快 速 评 价 材 料 的 腐 蚀 行 为,其 中 R1,R2,CPE 分别为溶液电阻、溶液/金属界面电阻 和恒常数元件[12-13]。R2 可作为评价不同材料在相 同环境中腐蚀性能的标准,表3为3个试样的电化学性能测试数据拟合结果。排除1 # 试样在72h内 的试验误差后,可以看出:对于单一试样,随着时间 的延长,R2 不断增大,说明试样的抗腐蚀性能不断 降低。在同一浸泡时间下,3 # 油管试样的 R2>1 # 油管试样的R2>2 # 油管试样的R2,说明试样的抗 腐蚀性能从大到小依次为:1 # 油管试样、3 # 油管试 样、2 # 油管试样。
图3为3个试样在80 ℃油田水样环境中的电 化学阻抗谱 。图 中 箭 头 表 示 阻 抗 模 值 随 反 应 时 间逐步下 降,该 趋 势 与 等 效 电 路 数 值 模 拟 的 R2 一 致。随着材 料 在 油 田 水 样 中 浸 泡 时 间 的 延 长,表 面腐蚀产物疏松多孔,无法抑制腐蚀过程,疏松多 孔的腐蚀产物下的金属材料与本体溶液之间溶解 氧扩散路径改变,即形成腐蚀产物内、外氧气浓差 电池,进一步 加 速 了 腐 蚀 产 物 下 的 金 属 基 体 腐 蚀 速率。
2.2.3 表面纯水接触角测试
玻璃纤维增强塑料油管耐酸碱腐蚀,但玻璃纤 维增强塑料为非导体,故不能用电化学等试验评价 其抗腐蚀性能。对1 # 油管试样、3 # 油管试样、4 # 油 管试样进行盐雾腐蚀后的水接触角测试,结果如表 4所示。4 # 油管试样的接触角最大,且数据相对集 中,说明该管材的防结垢性及抗腐蚀性最好,其次是 1 # 油管试样。3 # 油管试样的接触角最小,说明防垢 油管腐蚀严重,最易于结垢。由此可知,镀渗钨合金 油管的抗腐蚀性和防结垢性优于防垢油管。这3个 油管试样的抗腐蚀性从大到小 依 次 为:4 # 油 管 试 样、1 # 油管试样、3 # 油管试样。 结合电化学腐蚀测试及水接触角测试,可知4 种油管的抗腐蚀性从大到小依次为:4 # 油管试样、 1 # 油管试样、3 # 油管试样、2 # 油管试样。
3 结语
(1)由残余应力测试结果可知,4种油管的残 余应力从大到小依次为:镀渗钨合金油管、普通油管、玻璃纤维增强塑料油管、防垢油管。 (2)结合电化学腐蚀测试及水接触角测试,4 种油管的抗 腐 蚀 性 从 大 到 小 依 次 为:玻 璃 纤 维 增 强塑 料 油 管、镀 渗 钨 合 金 油 管、防 垢 油 管、普 通 油管。
来源：材料与测试网