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高温 H2S/CO2/O2 环境下N80油管腐蚀规律与机理研究

文档作者：刘海彬,李洪毕,刘锦,王智博,杨盈盈,耿月文档来源：辽河油田采油工艺研究院		更新日期： 2026年05月28日	点击数：
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高温 H2S/CO2/O2 环境下 N80油管腐蚀规律
与机理研究
刘海彬,李洪毕,刘 锦,王智博,杨盈盈,耿 月
(辽河油田采油工艺研究院,辽宁 盘锦 124010)
摘要:研究了油管在 H2S/CO2/O2 三相混合气体高温条件的腐蚀机理,采用室内挂片失重法评价了腐蚀因素
对腐蚀速率的影响。结果表明:腐 蚀 产 物 的 主 要 成 分 为 Fe2O3、FeS和 Fe3O4。油 管 的 腐 蚀 速 率 随 着 腐 蚀 环
境下温度的升高表现趋势为先减小后增大,且在160 ℃时达到最低值之后迅速增大;O2、H2S、CO2 分压升高
时,腐蚀速率增大,但增大趋势表现不同,O2 分压和温度对腐蚀速率的影响明显大于 H2S和 CO2。
关键词:高温 腐蚀产物 腐蚀规律 腐蚀机理
中图分类号:TG172 文献标识码:A DOI:10.20075/j.cnki.issn.1003-9384.2025.03.011
随着稠油热采的不断推进,注汽井地层及汽
腔 温 度 大 幅 度 升 高,尤 其 是 蒸 汽 辅 助 重 力 泄 油
(SAGD)热 采 开 发,汽 腔 温 度 可 以 达 到 240 ℃。
在高温的加持下,原油和地层水中的盐类在地层
矿物催化作 用 下 发 生 裂 解,产 生 H2S、CO2 等 腐
蚀性伴生气,其产量随着温度增大而增加,伴随着
管柱环空中的氧气,以及稠油热采现场的情况复
杂,高温、蒸汽等都会加剧管柱的腐蚀[1-2],形成管
柱穿孔、错段等现象。这些腐蚀情况不仅会造成
油气管柱无法正常生产运行,甚至还会给安全生
产带来危害。
人们围绕 H2S、CO2、O2 单 一 气 体 或 两 项 混
合气体进行了深入研究[3-14],发现单一的 CO2 气
体,随着温度的升高,腐蚀速率加快,在90 ℃时出
现腐蚀速率拐点,温度增加腐蚀速率减小;相同温
度下,CO2 分压越大,腐蚀速率越快[3-5]。对 于 单
一的氧腐蚀,在敞口系统中,温度对于钢铁的腐蚀
速率影响相对复杂。当水温为65~70 ℃时,均匀
腐蚀最强;当水温为90~100 ℃时,局部腐蚀最剧
烈[5-8]。在封闭系统 中,随 着 温 度 的 升 高,腐 蚀 速
率呈现增加趋势。另外,在油田环境中,多数钻杆
出 现 明 显 的 氧 腐 蚀,并 在 钻 杆 表 面 生 成 疏 松 的
FeO(OH)和 Fe2O3 等腐蚀产物[8-14]。
目前针对三相混合气体的腐蚀机理认识尚属
空白。笔者根据某油田 SAGD 现场实际情况,开
展了 N80管材在不同温度、不同气体分压下的室
内腐蚀实验。
1 实 验
1.1 主要材料
实验挂片材质为某油田提供的 N80管材,尺
寸为50 mm×10 mm×3 mm,化 学 元 素 组 成 及
含量见表1。
表1 N80管材的化学成分 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 实验方法
根据 标 准 SY/T 5273—2014的 相 关 要 求 处
理挂片,并配制 H2S/CO2/O2 环境下地层水的水
样,离子组成见表2。
表2 现场水样中离子组成 mg/L
SO24- HCO3- Na++K+ CO23- Cl-
24 1 243 516 127 129
将配 制 好 的 模 拟 地 层 水 装 入 高 温 高 压 反 应
釜。为了保 证 H2S/CO2/O2 混 合 气 体 在 实 验 过
程中的精准分压,设计中间混合釜,按照实验设定
的 H2S/CO2/O2 压力值注入到中间混合釜中,通
过压差级总压控制输送到高温高压反应釜中。实
收稿日期:2024 09 12;修改稿收到日期:2025 03 21
作者简介:刘海彬(1989 ),硕 士,高 级 工 程 师,主 要 从 事 稠
油热采工艺研究工作。E-mail:18642788387@163.com
基金项目:中 国 石 油 天 然 气 股 份 有 限 公 司 科 技 专 项 (编 号
2023ZZ23)
49
第42卷 第3期
2025年5月
精 细 石 油 化 工
SPECIALITY PETROCHEMICALS
验结束 后,按 照 GB/T 16545—2015标 准 中 的 相
关要求处理腐蚀挂片,计算腐蚀速率。
2 结果与讨论
2.1 O2 对 N80管材腐蚀速率的影响
图1是 O2 分压对 N80腐蚀速率的影响。由
图1可知,不同温度下 O2 对 N80管材的腐蚀速
率趋势保持 一 致,均 是 随 着 O2 分 压 的 增 大 腐 蚀
速率逐渐 增 大。当 O2 分 压 小 于 0.12 MPa时,
N80管材的腐蚀速率增长缓慢,附着在 N80管材
表面的产物膜会抑制氧气的扩散,对管材起到保
护作用;O2 分压超过0.12 MPa,腐蚀速率迅速增
大,溶 液 中 的 氧 会 将 管 材 表 面 附 着 的 FeCO3 和
FeS腐蚀产物膜 氧 化,新 形 成 的 氧 化 膜 会 阻 碍 致
密产物膜的形成;同时,分压增大后,O2 在溶液中
的扩散能力增强[14],也会剥离附着在管材表面的
保护膜,O2 分压越高,这种剥离作用越明显。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
4
3
2
1
0
腐蚀速率/(mm·a-1)
p（O2）/MPa
0.06 0.12 0.18 0.24 0.30
图1 O2 分压对 N80腐蚀速率的影响
(H2S分压为0.34 MPa、CO2 分压为0.56 MPa)
2.2 H2S分压对 N80管材腐蚀速率的影响
图2是 H2S分压对 N80腐蚀速率的影响。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
腐蚀速率/(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
图2 H2S分压对 N80腐蚀速率的影响
(O2 分压为0.24 MPa、CO2 分压为0.56 MPa)
从图2可知,不同温度下 H2S对 N80管材的
腐蚀速率趋势保持一致,腐蚀速率均是随着 H2S
分压的增大而逐渐增大,但增长缓慢。H2S溶解
在水中电离出 S2- ,一方面随着分压的增大,H2S
的扩散能力增大,会破坏 N80管材表面原有的钝
化保护膜,加快对管材的腐蚀速率;另一方面,溶
液中电离出来的 S2- 会与 Fe2+ 结合,形成 FeS,结
构致密,附着 在 N80管 材 表 面,对 管 材 起 到 一 定
的保护作用。
2.3 CO2 分压对 N80管材腐蚀速率的影响
图3是 CO2 分压对 N80钢腐蚀速率的影响。
从图3可知,不同温度下 CO2 对 N80管材的腐蚀
速率趋势保持一致,均是随着 CO2 分压的增大腐
蚀速 率 缓 慢 增 大。CO2 分 压 增 大,一 方 面,扩 散
能力增强,溶解 度 增 大,溶 液 的 pH 值 降 低,酸 性
环境会破坏 N80管材表面原有的腐蚀产物膜,加
速管材腐蚀 速 率;另 一 方 面,CO2 在 溶 液 中 水 解
生成的 CO23- 会与溶液中 的 Fe2+ 结合,产 生
FeCO3 致密保护膜附着在管材表面,抑制管材的
腐蚀速率。
100 ℃
145 ℃
190 ℃
235 ℃
腐蚀速率/(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
图3 CO2 分压对 N80钢腐蚀速率的影响
(O2 分压为0.24 MPa、H2S分压为0.34 MPa)
2.4 温度对 N80管材腐蚀速率的影响
在 H2S分 压 为 0.34 MPa、CO2 分 压 为 1.2
MPa、O2 分 压 为 0.10 MPa的 条 件 下,N80材 质
的腐蚀速率随温度的变化关系如图4所示。
腐蚀速率/(mm·a-1)
温度/℃
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
100 120 140 160 180 200 220 240
图4 温度对 N80腐蚀速率的影响
从图4可知,N80管材的腐蚀速率 随 着 腐 蚀
5 0 精 细 石 油 化 工 2025年5月
环境下温度的升高表现趋势为先降低后升高,并
在160~180 ℃时达到最低值后快速增大。随着
温度的升高,N80管材表面形成了致密的保护膜,
同时水中溶解的 H2S、CO2、O2 气体含量降低,特
别是溶液中氧气含量的降低致使腐蚀速率大大减
小;在密闭的反应釜腐蚀系统中,随着温度的继续
升高,气体在溶液中的溶解度不会大量降低,反而
会 增 加 气 体 以 及 溶 液 中 离 子 的 活 跃 程 度,增 强
N80管材与溶 液 之 间 的 扩 散 程 度;温 度 超 过 180
℃时,N80管材表面附着的腐蚀产物膜 FeCO3 就
会与溶液发生反应,生成质地疏松的 Fe3O4,加快
管材腐蚀。
2.5 腐蚀样貌与腐蚀产物分析
不同温 度、不 同 H2S、CO2、O2 气 体 分 压 下,
腐蚀产物的 形 貌 见 图 5。由 图 5可 以 看 出,絮 状
物是组成腐蚀产物微观形貌的主要形态,腐蚀产
物主要由 Fe、O、C、S组成(表 3)。温度小于 160
℃时,腐 蚀 产 物 主 要 是 由 FeCO3、FeS、Fe2O3 组
成;温度大于160 ℃时,腐 蚀 产 物 主 要 是 由 FeS、
Fe2O3 和 Fe3O4 组成。
10 μm 10 μm
a.145 ℃ b.235 ℃
图5 腐蚀产物的形貌
表3 145 ℃和235 ℃ EDS测试结果
温度/℃ 质量分数,%
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 含量较少的腐蚀环境中,能够观
察到明显 的 FeCO3 特 征 峰,当 温 度、H2S分 压、
O2 分 压 增 大 时,FeCO3 会 被 溶 解 氧 氧 化 为
Fe(OH)3,并进一步水解生成 Fe2O3;同时水中溶
解的 H2S会和 Fe2O3 反应生成 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,更容易析出附着在钢体表
面。当 温 度 超 过 160 ℃ 后,腐 蚀 产 物 膜 中 的
FeCO3 几 乎 消 失,Fe2+ 和 FeCO3 会 与 水 直 接 反
应生成 Fe3O4 沉积在试样表面。由此可以推断,
高温环境下,SAGD开发方式 N80管材腐蚀的主
控因素为温度,其次是 O2 分压。
3 结 论
a.SAGD开发 方 式 下 N80管 材 的 腐 蚀 速 率
随着温 度、H2S、CO2、O2 气 体 分 压 的 增 大 而 增
大,主控因素为温度,其次为 O2 分压。
b.通过对不同环境下的腐蚀产物及腐蚀成分
分析可知,温度小于160 ℃时,腐蚀产物主要是由
FeCO3、FeS、Fe2O3 组成;温度大于 160 ℃时,腐
蚀产物主 要 是 由 FeS、Fe2O3、Fe3O4 组 成。所 以
温度不仅影响 N80管材的腐蚀速率,也影响腐蚀
产物的成分。
参 考 文 献
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第42卷 51 第3期 刘海彬,等.高温 H2S/CO2/O2 环境下 N80油管腐蚀规律与机理研究
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
发动机油节能性与抗氧化性间的平衡研究
许金山,雷 凌
(中国石化润滑油有限公司北京研究院,北京100085)
摘要:通过倒拖节能台架和 TOC氧化试验考察不同油品黏度及抗氧剂、分散剂、黏指剂、减摩剂等功能添加
剂对发动机油节能性和抗氧化性的影响。结果表明,降低油品黏度有利于节能性的提升,但提高分散剂和 抗
氧剂含量、降低清净剂含量、采用分散型黏指剂、降低减摩剂含量都会对油品节能性造成负面影响。抗氧化性
的研究表明,黏指剂加剂量越高,对油品黏度变化率的影响越大,PMA型黏指剂油品的黏度增长远高于 HSD
型黏指剂;酚型抗氧剂、MoDTC减摩剂有负向影响;胺型抗氧剂、分散型黏指剂有正向影响。
关键词:发动机油 节能性 抗氧化性 性能平衡
中图分类号:TE624.8+2 文献标识码:A DOI:10.20075/j.cnki.issn.1003-9384.2025.03.012
在低碳环保目标驱动下,发动机技术向高热
效率、节能、环保的方向发展,也对与之相匹配的
发动机油提出更高的性能要求[1-4],尤以节能性和
抗氧化性的提升最为迫切。如何实现发动机油节
能性和抗氧化性间的平衡是发动机油产品开发需
重点关注的问题及难点。一方面,随着节能排放
法规及 OEM 越加苛刻的节能要求,单纯降 低 油
品黏度及添 加 减 摩 剂[5-14]已 无 法 满 足 需 求,需 开
发具有 更 优 节 能 效 果 的 发 动 机 油 技 术。另 一 方
面,发动机技术的发展及汽车厂延长油品换油期
的需求对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锌(ZDDP)是一种兼
具抗氧化、抗磨、极压及抗腐蚀等优异性能的有灰
型多效添加剂[15]。但因其含有的磷、硫元素以及
带来的灰分会影响三元催化器、颗粒捕集器等后
收稿日期:2024 09 10;修改稿收到日期:2025 04 03 作者简介:许金山(1986 ),硕 士,副 研 究 员,研 究 方 向 为 发
动机油相关技术。E-mail:xujins.lube@sinopec.com
52 精 细 石 油 化 工
SPECIALITY PETROCHEMICALS
第42卷 第3期
2025年5月

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