[发明专利]油井管柱防腐牺牲阳极合金、组分设计方法、制备方法及应用

说明书

本发明属于油田井下钢质管柱防腐的牺牲阳极合金技术领域，具体公开一种用于油井管柱防腐的牺牲阳极合金材料，由以下组分制成：铝、锌、铟、锡、镁、钛、硼和稀土元素铈。本发明提供的用于油井管柱防腐的牺牲阳极合金材料，改善了合金组织和电化学性能，在模拟中国西部油田高温、高矿化度地层水中，具有较负的工作电位和较高的电流效率，活化性能好，工作电位稳定，溶解均匀，腐蚀产物容易脱落，可应用于井下钢质管柱防腐。

技术领域

本发明属于油田井下钢质管柱防腐的牺牲阳极合金技术领域，具体涉及一种适用于高温、高矿化度地层水中油井管柱防腐的牺牲阳极合金材料及其组分设计方法、制备方法及应用。

背景技术

在油气田生产过程中，井下钢质管柱与高温、高矿化度地层水直接接触，且为了进一步提高采收率，在油井开采中后期，水驱采油和酸化压裂等工艺措施均为常见的增产方式，而井下管柱腐蚀是油气田工程中经常出现的严重问题。为了保证石油开采的安全生产和降本增效，通常需要同期采用一定的防腐措施，其中，阴极保护是一种常用的防腐技术，该方法对钢质管柱腐蚀具有良好的防护效果。

对钢质构件进行阴极保护的方法主要有两种：一种是外加电源法；另一种是牺牲阳极法。牺牲阳极法的基本原理是：选择比钢质构件电位更负的金属作为牺牲阳极，在被保护构件与牺牲阳极之间建立电性连接，牺牲阳极遭受腐蚀溶解，被保护构件作为阴极存在，从而避免被保护构件发生腐蚀。

具体到油气田井下钢质管柱防腐用牺牲阳极材料，目前研究和应用较多的是铝基牺牲阳极材料，主要有Al-Zn-In系、Al-Zn-Mg系、Al-Zn-Sn系，此外，也有对其他合金体系的相关研究(如Al-Zn-Ga系)。其中，Al-Zn-In系合金在不进行热处理的条件下也具有较好的综合性能，是当前应用最广的一类铝合金牺牲阳极材料。

我国已经制定了国家标准《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》(GB/T4948-2002)，主要涵盖了两种类型、五种具体的Al-Zn-In系牺牲阳极材料。但该标准主要适用于海水介质中的船舶、港工或海洋工程设施等钢铁构件防腐。石油行业虽然也有借鉴使用该类牺牲阳极，但由于井下地层水不同于海水，在温度、离子种类及含量等方面存在显著区别，通常需要在上述标准所列合金基础上，通过调整或添加合金组元和成分，研发设计新型的Al-Zn-In系牺牲阳极合金。

相比于海水介质腐蚀环境，油气田井下钢质管柱的工况条件是高温、高压、高矿化度的采出水、回注水或酸化压裂液。常规使用的铝基牺牲阳极合金在此类条件下易发生阳极溶解不均匀，出现严重的晶间腐蚀；由于上述高温、高矿化度等极端条件的影响，牺牲阳极合金在初期倾向于发生大速率溶解，腐蚀产物无法及时有效地从表面分散剥落，从而在服役一段时间后易引发严重的极化作用，导致牺牲阳极合金出现电流效率下降，电位正移，甚至可能出现电极反转，反而加重钢质构件的腐蚀。

发明内容

针对油气田井下钢质管柱的腐蚀防护问题，本发明提供一种油井管柱防腐牺牲阳极合金，在模拟中国西部地区某油田高温(≥70℃)、高矿化度(约50g/L)地层水环境中，且放电电流密度为1mA/cm²的条件下，该牺牲阳极合金材料具有较负的工作电位(≤-1.10V)和较高的电流效率(约85％)，活化性能好，溶解均匀，腐蚀产物容易脱落，工作电位稳定，可用于油气田井下钢质管柱腐蚀的阴极保护。

本发明提供的油井管柱防腐牺牲阳极合金，按质量百分比计含有以下组分：锌2.2％-5.2％、铟0.01％-0.05％、锡0.02％-0.05％、镁0.5％-2.0％、钛0.01％-0.05％、硼0.02％-0.04％、铈0.01％-0.05％，余量为铝。

本发明还提供一种油井管柱防腐牺牲阳极合金的组分设计方法，步骤如下：

使用分子动力学和密度泛函理论方法对合金成分进行筛选设计，对合金与水溶液界面进行建模，调整并改变模型中的合金成分，再根据成分合金变化时水溶液与合金之间的化学相亲性及其变化规律，筛选得到牺牲阳极合金材料的组分。