摘要
冲蚀和腐蚀是油田生产过程中一直面临的问题。由于油井产出流体含盐量高，同时含有酸性气体和地层砂等有害物质，对井下管柱将产生撞击、刮蹭和腐蚀作用，最终可导致油套管破损，无法继续进行生产。目前国内外对不同钢材的单一冲蚀或腐蚀行为，进行了较为完善的研究，对其规律性有了一定的认识。为数不多的研究发现，在冲蚀和腐蚀共同作用下，金属的质量损耗速率远大于单一冲蚀和腐蚀。特别对于出砂严重，且产出流体中含有CO2的高产气井来说，有必要进行井下管柱钢材的抗冲蚀-CO2腐蚀耦合实验，测试材料的冲蚀-腐蚀速率，为管柱选材和井筒完整性评价提供依据。 本论文针对我国南海琼东南盆地陵水凹陷深水高压气田生产工况，采用自行设计建造的高温高压冲蚀-腐蚀耦合实验装置，进行井下管材的冲蚀、腐蚀、冲蚀-CO2腐蚀耦合实验，通过挂片失重法测试冲蚀和腐蚀速率，研究不同工况条件下不同金属材料（包括13Cr和N80、P110普通碳钢）的冲蚀-腐蚀耦合现象和作用，测试温度、CO2分压、含砂量、砂粒粒径、流体流速、冲击角度等对冲蚀-腐蚀速率的影响。通过实验结果的分析对比，揭示冲蚀和腐蚀的相互作用关系；通过量化实际工况条件下不同金属材料的损耗冲蚀-腐蚀速率，为井下管柱选材和设计提供基础数据。 研究结果表明，与N80和P110钢材相比，13Cr钢具有良好的抗CO2腐蚀能力。在地层盐水和CO2分压0-5MPa条件下，13Cr钢的腐蚀速率0.014mm/a增至0.047mm/a，而N80钢的腐蚀速率由0.197mm/a增长到2.813mm/a；13Cr钢在40℃和60℃腐蚀速率分别为0.015mm/a和0.028mm/a。N80在60℃左右时的腐蚀速率最大。冲蚀速率随含砂量、粒径和流速增大而增大。没有CO2条件下的冲蚀-盐水腐蚀实验结果表明，水中含砂量从0.3wt%增至1wt%，13Cr的冲蚀速率由0.014mm/a提至0.038mm/a，N80碳钢的冲蚀速率从0.118mm/a增长到0.246mm/a；流体流速从7.47m/s增至10.84m/s，13Cr的冲蚀速率从0.014mm/a增长到0.0189mm/a，N80碳钢的冲蚀速率从0.118mm/a增长到0.163mm/a。在没有CO2条件下，冲蚀和地层盐水腐蚀对13Cr和N80管材造成的损害不严重。 冲蚀-CO2腐蚀耦合实验结果表明，具有较高抗CO2腐蚀能力的钢材，其抗冲蚀-腐蚀耦合的能力也较好。对13Cr钢来说，当CO2分压从0增加到5MPa时，其冲蚀和腐蚀耦合速率从0.014mm/a增至0.062mm/a，而N80的冲蚀和腐蚀耦合速率从0.118mm/a增大到24.19mm/a，同样，N80和P110钢的冲蚀-CO2腐蚀速率受含砂量、粒径和流速的影响也较大。流体流速从7.47m/s增至10.84m/s时，13Cr的冲蚀-腐蚀速率从0.0171mm/a增大到0.062mm/a，而N80碳钢的冲蚀-腐蚀速率由16.175mm/a增至24.98mm/a。实验结果表明，在目标气田实际工况条件下，13Cr钢的抗冲蚀-CO2腐蚀能力较强，能够满足生产过程中井下管柱完整性设计要求。由于腐蚀破坏了材料的表层结构，腐蚀速率越大，材料表面的抗冲蚀能力越低，其冲蚀-腐蚀耦合作用对材料的损耗越大，即腐蚀对冲蚀-腐蚀耦合的影响更大。
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