苛刻H2S体系多晶型硫铁化合物对油套管钢SSC敏感性的影响机制研究
批准号：
52101112
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
万红霞
依托单位：
学科分类：
金属材料使役行为与表面工程
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
万红霞
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
油气井下的油套管是保障油气安全开发的重要装备，在含硫油气田中，油套管深受苛刻的高温、高压、H2S腐蚀。通常认为，H2S分压与渗入材料的氢通量成正比，然而一些低H2S油套管钢硫化物应力开裂(SSC)敏感性高于高H2S，这种现象的产生与腐蚀产物密切相关。硫铁化合物如何影响油套管氢渗入和SSC敏感性，以及其影响机制是亟待解决的问题。基于此，本项目先建立不同温度和H2S压力中油套管钢SSC敏感性与硫铁化合物之间的关系；其次利用化学合成和腐蚀沉积法制备单一和多晶型硫铁化合物，通过膜电位、氢含量等测试探索单一和多晶型硫铁化合物对HS-等毒化剂浓度和氢渗入的影响，并说明多种晶型硫铁化合物并存时的作用权重；最后结合第一性原理阐述硫铁化合物表面H、HS等吸附和迁移行为，揭示多晶型硫铁化合物对油套管钢SSC敏感性的影响机制。为油套管在含H2S环境安全服役提供理论依据，具有重要的科学意义与实际工程价值。
英文摘要
The oil casing is an important equipment to ensure the safe exploitation of oil and gas. The oil casing is deeply corroded by high temperature, pressure and H2S in sulfur-bearing oil and gas fields. Generally, the content of hydrogen infiltrating material is proportional to the H2S pressure. However, the sulfide stress cracking (SSC) susceptibility of oil casing in some low H2S pressure is higher than that in high H2S pressure environment. The occurrence of this phenomenon is related to corrosion products. How the ferric sulfide affects the hydrogen permeation and SSC susceptibility of oil casing and the influencing mechanism are the unsolved problems. Based on these, in this project, the relationship between SSC susceptibility of oil casing steel and ferric sulfide will be established firstly at different temperatures and H2S pressure. Secondly, single and polycrystalline ferric sulfide will be prepared by chemical synthesis and corrosion deposition. The influence of ferric sulfide on HS- concentration and hydrogen permeation will be explored through membrane potential, the content of hydrogen tests. The effect of some ferric sulfide will be explained in the mixture ferric sulfide. Finally, the adsorption and migration behavior of H and HS on the surface of ferric sulfide will be described with the first principles calculation to reveal the effect mechanism of polycrystalline ferric sulfide on SSC susceptibility of oil casing. This project can provide a theoretical basis for the security service of oil casing in H2S deep well environment and have important scientific significance and practical engineering value.
P110钢作为油套管，被广泛应用在油气井中。在含硫油气田，H2S腐蚀会使油套管发生腐蚀、点蚀穿孔甚至断裂。含硫体系表面形成的硫铁化合物如马基诺矿、陨铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿等，不同类型的硫铁化合物具有不同的晶体结构，对油套管的腐蚀行为产生不同的影响。.本项目采用浸泡实验、电化学实验结合XRD、SEM等表征手段探究了P110钢在含H2S环境下的腐蚀行为，并通过第一性原理计算分析了HS-的毒化作用和硫铁化合物表面对阴阳离子吸附和迁移的影响。研究表明：腐蚀电流密度随Na2S浓度的增加而增大。油套管钢表面点蚀坑数量尺寸均增加，腐蚀程度更加严重，腐蚀速率随之增大。低温低H2S环境下，表面腐蚀产物主要为马基诺矿；高温高H2S环境下，表面腐蚀产物为磁黄铁矿和黄铁矿，随着温度和H2S压力的变化，表面腐蚀产物由马基诺矿转变为立方FeS，磁黄铁矿和黄铁矿。第一性原理计算结果表明，HS-的存在会增大H原子在Fe表面生成H2的能垒，即HS-的毒化作用通过阻碍H原子结合生成H2的过程从而影响腐蚀速率。通过第一性原理计算探究了K+和Cl-在陨铁矿和磁黄铁矿表面的吸附能，发现阴离子可以在磁黄铁矿表面吸附，阳离子会受到排斥，而对于黄铁矿阳离子可以在表面吸附，阴离子受到表面的排斥作用。.通过水热法制备了磁黄铁矿和黄铁矿，通过固相合成法制备了陨铁矿。结果表明磁黄铁矿具有一定的阴离子选择性，黄铁矿和陨铁矿呈现一定的阳离子选择性，因而表面出不同的耐蚀性和阻氢性能。通过合成不同含量的硫铁化合物模拟实际工况下的多晶型硫铁化合物，结果表明不同比例的磁黄铁矿与陨铁矿组成时，陨铁矿含量越高，膜层耐蚀性越好，磁黄铁矿含量越高，耐蚀性越差，黄铁矿含量越高，膜层耐蚀性越好，归因于磁黄铁矿为阴离子选择性，含量越高，对阴极反应速率影响越大，而黄铁矿和陨铁矿为阳离子选择性，阴离子的扩散被限制，降低了腐蚀速率，从而减缓了腐蚀的影响。
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