一種油田深井用新型耐高溫鋅合金犧牲陽極

1、一種油田深井用新型耐高溫鋅合金犧牲陽極趙密鋒;常澤亮;周理志;謝俊峰;李巖【摘要】為解決某油田4 000 m深井TP110-3Cr套管外腐蝕問題,研制了一種新 型耐高溫鋅合金犧牲陽極.采用電化學(xué)技術(shù)對陽極材料進(jìn)行了極化曲線和電流效率 測試結(jié)果表明:在80工時，陽極極化曲線較平緩,開路電位較負(fù)，無高溫“逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象, 電流效率大于80,腐蝕均勻,腐蝕產(chǎn)物易脫落.在模擬某油田地層水條件下,評估了 新型陽極的高溫防腐蝕性能結(jié)果表明:新型鋅合金犧牲陽極在125工以下，可有效保 護(hù)套管;在130C時,陽極發(fā)生斷裂失效,無法繼續(xù)使用.To control the external corrosion of

2、TP110-3Cr casing of a 4 000 m depth well in an oilfield,a new- type zinc alloy sacrificial anode at elevated temperature was developed.Measurements of polarization curves and current efficiency of the anode show that at 80 C,polarization curve was relatively flat,open circuit potential quite negativ

3、e and no potential reversal phenomenon was observed,the current efficiency reached 80,its corrosion morphology was uniform and corrosion products easily falled off.In simulated water of the oilfield site,the corrosion protection performance of the new-type sacrificial anode was evaluated at elevated

4、 temperature.It can be concluded that the new anode can protect the casing material efficiently below 125 C,while at 130 Ccracking phenomenon might appear and the anode can not be used.【期刊名稱】 腐蝕與防護(hù)年(卷),期】 2017(038)012【總頁數(shù)】5頁(P949-952,958) 【關(guān)鍵詞】 耐高溫;鋅合金;極化曲線;電流效率【作 者】 趙密鋒;常澤亮;周理志;謝俊峰;李巖【作者單位】 中國石油塔里木

5、油田油氣工程研究院,庫爾勒841000;中國石油塔里 木油田油氣工程研究院,庫爾勒841000;中國石油塔里木油田油氣工程研究院,庫爾 勒841000;中國石油塔里木油田油氣工程研究院,庫爾勒841000;中國石油塔里木 油田油氣工程研究院,庫爾勒841000【正文語種】 中 文【中圖分類】 TG174某油田油氣藏埋深達(dá)4 500 m，地層壓力為70 MPa ,溫度為120 C,腐蝕環(huán)境復(fù)雜。自1998年以來，部分開發(fā)井簡化井身結(jié)構(gòu)，大段生產(chǎn)套管外固井水泥不連 續(xù)或存在未封固段，導(dǎo)致套損非常嚴(yán)重。調(diào)研分析認(rèn)為，油井套管腐蝕以外腐蝕為 主，而高溫、高壓條件下，C02、CI-、高礦化度地層水是導(dǎo)致

6、套損的重要原因。犧牲陽極陰極保護(hù)是公認(rèn)的控制套管外腐蝕行之有效的方法，但保護(hù)效果好壞與犧 牲陽極材料本身的性能有直接的關(guān)系。鋅合金是常用的陽極材料之一，具有資源豐 富，制造工藝簡單，電化學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，而且鋅合金熔點(diǎn)低，流動性好，易熔 焊，在大氣中耐腐蝕1。但鋅基犧牲陽極材料在使用過程中，環(huán)境介質(zhì)及溫度對 其電化學(xué)性能影響非常大，如在高于60 C高溫海水環(huán)境中，鋅陽極相對被保護(hù)的 鋼鐵材料會發(fā)生電位逆轉(zhuǎn)，鋼鐵材料不再得到保護(hù)，反而加速腐蝕2。普通鋅合 金在高溫環(huán)境中的應(yīng)用受到限制，因此研究耐高溫的新型陽極材料是很必要的。本工作在GB/T 4950-2002提供的Zn-AI-Cd合金基礎(chǔ)上，通

7、過嚴(yán)格控制鋁元素的含量，并添加錳、鎂等元素，制備了一種新型的鋅合金犧牲陽極，并模擬某油田 深井高溫工況，研究了新型陽極的高溫防腐蝕性能。 采用電化學(xué)與金屬材料學(xué)相結(jié)合的合金相電化學(xué)理論與方法設(shè)計合金3。對于普 通鋅合金犧牲陽極來說，錳元素的加入，可以使鋁在鋅中溶解度提高，進(jìn)一步穩(wěn)定 陽極活性，降低自溶解速率4；微量鎂元素的加入可提高陽極的均勻腐蝕性能； 另外，銦元素可以改善鋅的放電性能，使其活化電位區(qū)增大；同時，嚴(yán)格控制鋁元 素的含量，可以改善鋅合金陽極在高溫環(huán)境中的電化學(xué)性能。最終確定新型鋅合金 陽極的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為:0.1%0.3% AI,0.05% Cd,0.5% Mn,0.1%

8、 Mg,0.15%In,余量為Zn。合金熔煉加工的方法為：根據(jù)合金配方，稱取各種合金元素，金屬鋁和鎂的熔點(diǎn)遠(yuǎn) 高于鋅，故合金中的鋁和鎂以事先熔煉的Al-Mg二元中間合金的形式加入到合金中。電阻爐溫度設(shè)定為500 C,將鋅錠隨爐一起加熱至全部熔化，撒入木炭粉保 護(hù)，將稱量好的Al-Mg中間合金和MnO2加入鋅液后，爐溫升至600 C,多次 攪拌使反應(yīng)充分、溶解均勻后，控制爐溫為500 C,加入鎘，攪拌均勻后，在爐 內(nèi)靜置10 min后，扒渣、用碳棒引流后，于鑄鐵模具中澆鑄，自然冷卻凝固即可， 無需進(jìn)行熱處理。極化曲線測試對新型鋅合金犧牲陽極（簡稱陽極）進(jìn)行極化曲線測試。測試設(shè)備為Princeto

9、n電化 學(xué)綜合測試系統(tǒng)（見圖1）。工作電極為新型鋅合金犧牲陽極，用環(huán)氧樹脂封閉，露 出1 cm2的工作面積；輔助電極為Pt電極;參比電極為飽和甘汞（SCE）電極。試驗(yàn) 前將工作電極用金相砂紙（120 800號）逐級打磨至鏡面光亮，蒸餾水沖洗，丙酮 脫脂去油。試驗(yàn)時首先通入氮?dú)? h，除去測試溶液中的氧氣，然后將工作電極浸 于測試溶液中2 h，待穩(wěn)定后開始極化曲線測試。電位掃描速率為0.33 mV/s，掃 描范圍為士 250 mV（相對于開路電位）。測試溶液為模擬某深層油田的地層水，含 150 mg/L HCO3- ,18x104 mg/L Cl- , 1 500 mg/L SO42- ,2.3

10、x104 mg/LCa2+ , 3 000 mg/L Mg2+，總礦化度 28x104 mg/L, pH 為 7.5。測試溫度為20 80 OC。電流效率測試采用GB/T 17848-1999標(biāo)準(zhǔn)方法測定陽極的電流效率。在設(shè)定的試驗(yàn)周期內(nèi)，通 入恒定電流進(jìn)行極化，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使陽極電流密度保持在規(guī)定值。試驗(yàn)中采 取加速試驗(yàn)法測定電流效率，每天定時測量其工作電位。結(jié)束試驗(yàn)后，對陽極的實(shí) 際電容量和電流效率進(jìn)行計算分析，并觀察其腐蝕形貌。試驗(yàn)條件如下：將試 樣浸泡在前文所述模擬某深層油田的地層水(其中，NaCI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%)中； 溫度為80 C;選用石蠟或者環(huán)氧樹脂對試樣進(jìn)行密封，預(yù)留出

11、14 cm2的工 作面積；時間240 h。電流效率的測試裝置見圖2。高溫防腐性能測試將陽極掛片和套管掛片(TP110-3Cr鋼)用金屬螺母連接，在高溫條件下，采用腐蝕 失重法測試其高溫防腐蝕性能。若套管掛片產(chǎn)生腐蝕，表明陽極失效，陽極在此溫 度下不能起到防護(hù)效果。反之，套管掛片就能得到保護(hù)，鋅合金犧牲陽極仍可繼續(xù) 使用。試驗(yàn)設(shè)備為高溫高壓腐蝕測試反應(yīng)釜，測試條件：1.8x102 g/L CI-,溫度為90 130 C,時間為72 h,腐蝕介質(zhì)為模擬某深層油田的地層水。掛片制備和反應(yīng)后腐蝕產(chǎn)物處理均依據(jù)GB/T 17848-1999標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法。將兩 種掛片分別用砂紙(120 800號)打磨后

12、，用鑷子夾取少許脫脂棉，蘸丙酮清洗樣 品，去除試樣表面的油脂，然后在無水乙醇中浸泡5 min，進(jìn)一步脫脂和脫水；取 出放置于濾紙上,用冷風(fēng)吹干后,用濾紙包裹,放置于干燥器內(nèi)；最后稱量掛片, 精確至0.1 mg。由圖3可見,試樣在4種溫度下的極化曲線均較平緩,表明電極極化率較??；高 溫下電位仍然保持較負(fù)，說明沒有出現(xiàn)高溫“逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，且高溫時鈍化現(xiàn)象亦不 明顯。新型鋅合金犧牲陽極在20 C和80 C下的電化學(xué)性能見表1,腐蝕形貌見圖4。 可以看出，新型鋅合金陽極表面腐蝕均勻，無局部嚴(yán)重腐蝕孔洞，腐蝕產(chǎn)物易脫落， 顯示 了良好的電化學(xué)腐蝕性能。腐蝕形貌 圖5為新型鋅合金陽極及套管掛片在不同溫度下經(jīng)

13、掛片腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌。(圖中：1為未保護(hù)TP110-3Cr套管掛片；2為鋅合金陽極掛片；3為與鋅合金陽極 相連的套管掛片)?？梢钥闯鱿嗤瑴囟认?，尤其是在100 120 C時，未保護(hù)的套 管掛片表面存在大量腐蝕產(chǎn)物，套管掛片發(fā)生了腐蝕，而與陽極相連的套管掛片由 于受到保護(hù)，則光亮如新或只有輕微的腐蝕，鋅合金陽極在110 C時表面開始出 現(xiàn)腐蝕坑，在130 C時，與陽極相連的套管掛片受到了腐蝕，鋅合金陽極失效無 法保護(hù)套管掛片。腐蝕速率由表2可見：未受保護(hù)套管即未與鋅合金陽極相連的套管掛片，除130 C以外， 腐蝕速率均處于極嚴(yán)重腐蝕范圍(NACE RP0775-2005規(guī)定：A0.254 m

14、m/a屬于 極嚴(yán)重腐蝕)，最高腐蝕速率為0.403 8 mm/a ;而受到保護(hù)的套管即與鋅合金陽 極相連的套管掛片，幾乎沒有發(fā)生腐蝕或者僅有輕度腐蝕，除130 C外，腐蝕速 率均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.254 mm/a ;在130 C時，陽極斷裂，受保護(hù)套管掛片腐 蝕明顯加重，大于0.254 mm/a，因此，認(rèn)為此溫度下鋅合金陽極失效而無法繼續(xù) 使用。成功制備了一種新型鋅合金陽極。80 C時，新型鋅合金犧牲陽極極化曲線平緩，無高溫“逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，表面沒 有鈍化現(xiàn)象，電流效率大于80% ，且腐蝕均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。在模擬某深層油田地層水條件下，新型鋅合金陽極的高溫防腐蝕性能良好。在溫度低于130 C時，該陽極均可有效保護(hù)TP110-3Cr套管不受腐蝕，而在130 C