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高溫 H2S/CO2/O2 環(huán)境下N80油管腐蝕規(guī)律與機(jī)理研究

文檔作者：劉海彬,李洪畢,劉錦,王智博,楊盈盈,耿月文檔來源：遼河油田采油工藝研究院		更新日期： 2026年05月28日	點擊數(shù)：
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高溫 H2S/CO2/O2 環(huán)境下 N80油管腐蝕規(guī)律
與機(jī)理研究
劉海彬,李洪畢,劉 錦,王智博,楊盈盈,耿 月
(遼河油田采油工藝研究院,遼寧 盤錦 124010)
摘要:研究了油管在 H2S/CO2/O2 三相混合氣體高溫條件的腐蝕機(jī)理,采用室內(nèi)掛片失重法評價了腐蝕因素
對腐蝕速率的影響。結(jié)果表明:腐 蝕 產(chǎn) 物 的 主 要 成 分 為 Fe2O3、FeS和 Fe3O4。油 管 的 腐 蝕 速 率 隨 著 腐 蝕 環(huán)
境下溫度的升高表現(xiàn)趨勢為先減小后增大,且在160 ℃時達(dá)到最低值之后迅速增大;O2、H2S、CO2 分壓升高
時,腐蝕速率增大,但增大趨勢表現(xiàn)不同,O2 分壓和溫度對腐蝕速率的影響明顯大于 H2S和 CO2。
關(guān)鍵詞:高溫 腐蝕產(chǎn)物 腐蝕規(guī)律 腐蝕機(jī)理
中圖分類號:TG172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.20075/j.cnki.issn.1003-9384.2025.03.011
隨著稠油熱采的不斷推進(jìn),注汽井地層及汽
腔 溫 度 大 幅 度 升 高,尤 其 是 蒸 汽 輔 助 重 力 泄 油
(SAGD)熱 采 開 發(fā),汽 腔 溫 度 可 以 達(dá) 到 240 ℃。
在高溫的加持下,原油和地層水中的鹽類在地層
礦物催化作 用 下 發(fā) 生 裂 解,產(chǎn) 生 H2S、CO2 等 腐
蝕性伴生氣,其產(chǎn)量隨著溫度增大而增加,伴隨著
管柱環(huán)空中的氧氣,以及稠油熱采現(xiàn)場的情況復(fù)
雜,高溫、蒸汽等都會加劇管柱的腐蝕[1-2],形成管
柱穿孔、錯段等現(xiàn)象。這些腐蝕情況不僅會造成
油氣管柱無法正常生產(chǎn)運行,甚至還會給安全生
產(chǎn)帶來危害。
人們圍繞 H2S、CO2、O2 單 一 氣 體 或 兩 項 混
合氣體進(jìn)行了深入研究[3-14],發(fā)現(xiàn)單一的 CO2 氣
體,隨著溫度的升高,腐蝕速率加快,在90 ℃時出
現(xiàn)腐蝕速率拐點,溫度增加腐蝕速率減小;相同溫
度下,CO2 分壓越大,腐蝕速率越快[3-5]。對 于 單
一的氧腐蝕,在敞口系統(tǒng)中,溫度對于鋼鐵的腐蝕
速率影響相對復(fù)雜。當(dāng)水溫為65~70 ℃時,均勻
腐蝕最強;當(dāng)水溫為90~100 ℃時,局部腐蝕最劇
烈[5-8]。在封閉系統(tǒng) 中,隨 著 溫 度 的 升 高,腐 蝕 速
率呈現(xiàn)增加趨勢。另外,在油田環(huán)境中,多數(shù)鉆桿
出 現(xiàn) 明 顯 的 氧 腐 蝕,并 在 鉆 桿 表 面 生 成 疏 松 的
FeO(OH)和 Fe2O3 等腐蝕產(chǎn)物[8-14]。
目前針對三相混合氣體的腐蝕機(jī)理認(rèn)識尚屬
空白。筆者根據(jù)某油田 SAGD 現(xiàn)場實際情況,開
展了 N80管材在不同溫度、不同氣體分壓下的室
內(nèi)腐蝕實驗。
1 實 驗
1.1 主要材料
實驗掛片材質(zhì)為某油田提供的 N80管材,尺
寸為50 mm×10 mm×3 mm,化 學(xué) 元 素 組 成 及
含量見表1。
表1 N80管材的化學(xué)成分 w ,%
C Si Mn P S Cr Mo Fe
0.28 0.31 1.72 0.012 0.005 0.63 0.13 余量
1.2 實驗方法
根據(jù) 標(biāo) 準(zhǔn) SY/T 5273—2014的 相 關(guān) 要 求 處
理掛片,并配制 H2S/CO2/O2 環(huán)境下地層水的水
樣,離子組成見表2。
表2 現(xiàn)場水樣中離子組成 mg/L
SO24- HCO3- Na++K+ CO23- Cl-
24 1 243 516 127 129
將配 制 好 的 模 擬 地 層 水 裝 入 高 溫 高 壓 反 應(yīng)
釜。為了保 證 H2S/CO2/O2 混 合 氣 體 在 實 驗 過
程中的精準(zhǔn)分壓,設(shè)計中間混合釜,按照實驗設(shè)定
的 H2S/CO2/O2 壓力值注入到中間混合釜中,通
過壓差級總壓控制輸送到高溫高壓反應(yīng)釜中。實
收稿日期:2024 09 12;修改稿收到日期:2025 03 21
作者簡介:劉海彬(1989 ),碩 士,高 級 工 程 師,主 要 從 事 稠
油熱采工藝研究工作。E-mail:18642788387@163.com
基金項目:中 國 石 油 天 然 氣 股 份 有 限 公 司 科 技 專 項 (編 號
2023ZZ23)
49
第42卷 第3期
2025年5月
精 細(xì) 石 油 化 工
SPECIALITY PETROCHEMICALS
驗結(jié)束 后,按 照 GB/T 16545—2015標(biāo) 準(zhǔn) 中 的 相
關(guān)要求處理腐蝕掛片,計算腐蝕速率。
2 結(jié)果與討論
2.1 O2 對 N80管材腐蝕速率的影響
圖1是 O2 分壓對 N80腐蝕速率的影響。由
圖1可知,不同溫度下 O2 對 N80管材的腐蝕速
率趨勢保持 一 致,均 是 隨 著 O2 分 壓 的 增 大 腐 蝕
速率逐漸 增 大。當(dāng) O2 分 壓 小 于 0.12 MPa時,
N80管材的腐蝕速率增長緩慢,附著在 N80管材
表面的產(chǎn)物膜會抑制氧氣的擴(kuò)散,對管材起到保
護(hù)作用;O2 分壓超過0.12 MPa,腐蝕速率迅速增
大,溶 液 中 的 氧 會 將 管 材 表 面 附 著 的 FeCO3 和
FeS腐蝕產(chǎn)物膜 氧 化,新 形 成 的 氧 化 膜 會 阻 礙 致
密產(chǎn)物膜的形成;同時,分壓增大后,O2 在溶液中
的擴(kuò)散能力增強[14],也會剝離附著在管材表面的
保護(hù)膜,O2 分壓越高,這種剝離作用越明顯。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
4
3
2
1
0
腐蝕速率/(mm·a-1)
p（O2）/MPa
0.06 0.12 0.18 0.24 0.30
圖1 O2 分壓對 N80腐蝕速率的影響
(H2S分壓為0.34 MPa、CO2 分壓為0.56 MPa)
2.2 H2S分壓對 N80管材腐蝕速率的影響
圖2是 H2S分壓對 N80腐蝕速率的影響。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
腐蝕速率/(mm·a-1)
p（H2S）/MPa
3.3
2.8
2.3
1.8
1.3
0.8
0.17 0.34 0.51 0.58 0.85
圖2 H2S分壓對 N80腐蝕速率的影響
(O2 分壓為0.24 MPa、CO2 分壓為0.56 MPa)
從圖2可知,不同溫度下 H2S對 N80管材的
腐蝕速率趨勢保持一致,腐蝕速率均是隨著 H2S
分壓的增大而逐漸增大,但增長緩慢。H2S溶解
在水中電離出 S2- ,一方面隨著分壓的增大,H2S
的擴(kuò)散能力增大,會破壞 N80管材表面原有的鈍
化保護(hù)膜,加快對管材的腐蝕速率;另一方面,溶
液中電離出來的 S2- 會與 Fe2+ 結(jié)合,形成 FeS,結(jié)
構(gòu)致密,附著 在 N80管 材 表 面,對 管 材 起 到 一 定
的保護(hù)作用。
2.3 CO2 分壓對 N80管材腐蝕速率的影響
圖3是 CO2 分壓對 N80鋼腐蝕速率的影響。
從圖3可知,不同溫度下 CO2 對 N80管材的腐蝕
速率趨勢保持一致,均是隨著 CO2 分壓的增大腐
蝕速 率 緩 慢 增 大。CO2 分 壓 增 大,一 方 面,擴(kuò) 散
能力增強,溶解 度 增 大,溶 液 的 pH 值 降 低,酸 性
環(huán)境會破壞 N80管材表面原有的腐蝕產(chǎn)物膜,加
速管材腐蝕 速 率;另 一 方 面,CO2 在 溶 液 中 水 解
生成的 CO23- 會與溶液中 的 Fe2+ 結(jié)合,產(chǎn) 生
FeCO3 致密保護(hù)膜附著在管材表面,抑制管材的
腐蝕速率。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
腐蝕速率/(mm·a-1)
p（CO2）/MPa
3.3
2.8
2.3
1.8
1.3
0.8
0.28 0.56 0.84 1.12 1.40
圖3 CO2 分壓對 N80鋼腐蝕速率的影響
(O2 分壓為0.24 MPa、H2S分壓為0.34 MPa)
2.4 溫度對 N80管材腐蝕速率的影響
在 H2S分 壓 為 0.34 MPa、CO2 分 壓 為 1.2
MPa、O2 分 壓 為 0.10 MPa的 條 件 下,N80材 質(zhì)
的腐蝕速率隨溫度的變化關(guān)系如圖4所示。
腐蝕速率/(mm·a-1)
溫度/℃
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
100 120 140 160 180 200 220 240
圖4 溫度對 N80腐蝕速率的影響
從圖4可知,N80管材的腐蝕速率 隨 著 腐 蝕
5 0 精 細(xì) 石 油 化 工 2025年5月
環(huán)境下溫度的升高表現(xiàn)趨勢為先降低后升高,并
在160~180 ℃時達(dá)到最低值后快速增大。隨著
溫度的升高,N80管材表面形成了致密的保護(hù)膜,
同時水中溶解的 H2S、CO2、O2 氣體含量降低,特
別是溶液中氧氣含量的降低致使腐蝕速率大大減
小;在密閉的反應(yīng)釜腐蝕系統(tǒng)中,隨著溫度的繼續(xù)
升高,氣體在溶液中的溶解度不會大量降低,反而
會 增 加 氣 體 以 及 溶 液 中 離 子 的 活 躍 程 度,增 強
N80管材與溶 液 之 間 的 擴(kuò) 散 程 度;溫 度 超 過 180
℃時,N80管材表面附著的腐蝕產(chǎn)物膜 FeCO3 就
會與溶液發(fā)生反應(yīng),生成質(zhì)地疏松的 Fe3O4,加快
管材腐蝕。
2.5 腐蝕樣貌與腐蝕產(chǎn)物分析
不同溫 度、不 同 H2S、CO2、O2 氣 體 分 壓 下,
腐蝕產(chǎn)物的 形 貌 見 圖 5。由 圖 5可 以 看 出,絮 狀
物是組成腐蝕產(chǎn)物微觀形貌的主要形態(tài),腐蝕產(chǎn)
物主要由 Fe、O、C、S組成(表 3)。溫度小于 160
℃時,腐 蝕 產(chǎn) 物 主 要 是 由 FeCO3、FeS、Fe2O3 組
成;溫度大于160 ℃時,腐 蝕 產(chǎn) 物 主 要 是 由 FeS、
Fe2O3 和 Fe3O4 組成。
10 μm 10 μm
a.145 ℃ b.235 ℃
圖5 腐蝕產(chǎn)物的形貌
表3 145 ℃和235 ℃ EDS測試結(jié)果
溫度/℃ 質(zhì)量分?jǐn)?shù),%
C O S Fe
145 10.68 20.34 8.23 49.69
235 5.69 28.42 26.86 52.08
在 H2S、O2 含量較少的腐蝕環(huán)境中,能夠觀
察到明顯 的 FeCO3 特 征 峰,當(dāng) 溫 度、H2S分 壓、
O2 分 壓 增 大 時,FeCO3 會 被 溶 解 氧 氧 化 為
Fe(OH)3,并進(jìn)一步水解生成 Fe2O3;同時水中溶
解的 H2S會和 Fe2O3 反應(yīng)生成 FeS,FeS在溶解
氧的作用下再次生成 Fe2O3,但由于 FeS、Fe2O3
在水中的溶解度更小,更容易析出附著在鋼體表
面。當(dāng) 溫 度 超 過 160 ℃ 后,腐 蝕 產(chǎn) 物 膜 中 的
FeCO3 幾 乎 消 失,Fe2+ 和 FeCO3 會 與 水 直 接 反
應(yīng)生成 Fe3O4 沉積在試樣表面。由此可以推斷,
高溫環(huán)境下,SAGD開發(fā)方式 N80管材腐蝕的主
控因素為溫度,其次是 O2 分壓。
3 結(jié) 論
a.SAGD開發(fā) 方 式 下 N80管 材 的 腐 蝕 速 率
隨著溫 度、H2S、CO2、O2 氣 體 分 壓 的 增 大 而 增
大,主控因素為溫度,其次為 O2 分壓。
b.通過對不同環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物及腐蝕成分
分析可知,溫度小于160 ℃時,腐蝕產(chǎn)物主要是由
FeCO3、FeS、Fe2O3 組成;溫度大于 160 ℃時,腐
蝕產(chǎn)物主 要 是 由 FeS、Fe2O3、Fe3O4 組 成。所 以
溫度不僅影響 N80管材的腐蝕速率,也影響腐蝕
產(chǎn)物的成分。
參 考 文 獻(xiàn)
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第42卷 51 第3期 劉海彬,等.高溫 H2S/CO2/O2 環(huán)境下 N80油管腐蝕規(guī)律與機(jī)理研究
STUDY ON CORROSION LAW AND MECHANISM OF N80
TUBE IN HIGH TEMPERATURE H2S/CO2/O2 ENVIRONMENT
Liu Haibin, Li Hongbi, Liu Jin, Wang Zhibo, Yang Yingying, Geng Yue
(Oil Production Technology Research Institute, Liaohe Oilfield Company, Panjin 124010,
Liaoning, China)
Abstract: The corrosion mechanism of oil tube under high temperature condition of H2S/CO2/O2 mixture
gas was studied, and the corrosion factors were evaluated using weight loss method. The results
show that the main components of the corrosion products are Fe2O3, FeS, and Fe3O4. The corrosion
rate of the oil tubes shows a trend of first decreasing and then increasing with the increase of temperature
in the corrosive environment, and reaches its lowest value at 160 ℃ before rapidly increasing.
When the pressures of oxygen, hydrogen sulfide, and carbon dioxide increase, the corrosion rate increases,
but the increasing trend is different. The influence of oxygen pressure and temperature on
the corrosion rate is significantly greater than that of H2S and CO2.
Key words: high temperature; corrosion products; corrosion pattern; corrosion mechanism
發(fā)動機(jī)油節(jié)能性與抗氧化性間的平衡研究
許金山,雷 凌
(中國石化潤滑油有限公司北京研究院,北京100085)
摘要:通過倒拖節(jié)能臺架和 TOC氧化試驗考察不同油品黏度及抗氧劑、分散劑、黏指劑、減摩劑等功能添加
劑對發(fā)動機(jī)油節(jié)能性和抗氧化性的影響。結(jié)果表明,降低油品黏度有利于節(jié)能性的提升,但提高分散劑和 抗
氧劑含量、降低清凈劑含量、采用分散型黏指劑、降低減摩劑含量都會對油品節(jié)能性造成負(fù)面影響。抗氧化性
的研究表明,黏指劑加劑量越高,對油品黏度變化率的影響越大,PMA型黏指劑油品的黏度增長遠(yuǎn)高于 HSD
型黏指劑;酚型抗氧劑、MoDTC減摩劑有負(fù)向影響;胺型抗氧劑、分散型黏指劑有正向影響。
關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)油 節(jié)能性 抗氧化性 性能平衡
中圖分類號:TE624.8+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.20075/j.cnki.issn.1003-9384.2025.03.012
在低碳環(huán)保目標(biāo)驅(qū)動下,發(fā)動機(jī)技術(shù)向高熱
效率、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展,也對與之相匹配的
發(fā)動機(jī)油提出更高的性能要求[1-4],尤以節(jié)能性和
抗氧化性的提升最為迫切。如何實現(xiàn)發(fā)動機(jī)油節(jié)
能性和抗氧化性間的平衡是發(fā)動機(jī)油產(chǎn)品開發(fā)需
重點關(guān)注的問題及難點。一方面,隨著節(jié)能排放
法規(guī)及 OEM 越加苛刻的節(jié)能要求,單純降 低 油
品黏度及添 加 減 摩 劑[5-14]已 無 法 滿 足 需 求,需 開
發(fā)具有 更 優(yōu) 節(jié) 能 效 果 的 發(fā) 動 機(jī) 油 技 術(shù)。另 一 方
面,發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展及汽車廠延長油品換油期
的需求對油品的抗氧化性提出更高要求。目前,
最常用的二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)是一種兼
具抗氧化、抗磨、極壓及抗腐蝕等優(yōu)異性能的有灰
型多效添加劑[15]。但因其含有的磷、硫元素以及
帶來的灰分會影響三元催化器、顆粒捕集器等后
收稿日期:2024 09 10;修改稿收到日期:2025 04 03 作者簡介:許金山(1986 ),碩 士,副 研 究 員,研 究 方 向 為 發(fā)
動機(jī)油相關(guān)技術(shù)。E-mail:xujins.lube@sinopec.com
52 精 細(xì) 石 油 化 工
SPECIALITY PETROCHEMICALS
第42卷 第3期
2025年5月

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