《The Journal of Supercritical Fluids》：Corrosion Evaluation of Porous Alloys as Key Components in CO2 Micro-Bubble Flooding for Enhanced Oil Recovery
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系统研究316L、625及Ti多孔材料在超临界CO2饱和地层水（30MPa，80-150℃）中的腐蚀行为，发现多离子环境降低腐蚀质量变化，625孔隙结构最稳定，316L因腐蚀产物沉积不均耐蚀性最差，为CO2驱油工具材料选型提供依据。
Bihui Wang | Weikai Yi | Tianyi Zhang | Kaiyang Li
中国石油工程研究有限公司，北京 100101
摘要
本研究系统地研究了三种多孔金属——多孔316L、多孔625和多孔钛——在超临界CO?饱和地层水条件（30 MPa，80–150°C）下的腐蚀行为。结果表明，腐蚀性能受多种因素影响，包括温度、离子组成和介质流速。与单一Cl?介质相比，多离子环境降低了材料的腐蚀质量变化并改变了腐蚀形态。高压汞孔隙率分析显示，多孔625在腐蚀后的孔隙率和渗透率变化最小，而多孔316L由于腐蚀产物的不均匀沉积和剥落，表现出最差的耐腐蚀性。这些发现为选择材料以及设计用于CO?增强采油的井下多孔气泡生成工具的耐久性提供了重要指导。
引言
鉴于全球能源转型以及碳峰值和碳中和目标，增强采油（EOR）技术已成为在传统石油资源减少和能源需求增加的背景下确保能源供应的关键方法[1]、[2]。CO?增强采油技术结合了高效的石油回收和碳封存潜力，具有显著的应用前景[3]、[4]。然而，传统的CO?气体 flooding和泡沫 flooding仍面临许多挑战，如气体流动不稳定、扫掠效率低、对原油互溶性的严格要求以及在非均质储层中的稳定性差[5]、[6]。先前的研究表明，CO?微气泡增强采油可以通过增加气液接触面积、提高传质效率和增强微位移效率来有效克服上述限制[7]。该技术的实施依赖于一种定制的CO?微气泡发泡工具，主要由高压耐受套筒和多孔发泡管通过严格的密封工艺组装而成。CO?和水交替注入以形成气泡，这些气泡通过多孔材料进一步切割成微米级的小气泡。通过控制多孔材料的孔结构，可以精确控制气泡大小。多孔金属材料得益于成熟的粉末烧结工艺的发展，它们可以通过等静压压制结合真空烧结制成，表现出优异的机械性能和孔径控制的灵活性。
然而，尽管这项技术效率显著，但也引入了严重的工程挑战——系统腐蚀的风险大大增加[8]。CO?溶解在地层水中形成碳酸，导致系统pH值显著下降并引发严重的电化学腐蚀。先前的研究已在各种条件下系统地研究了这一现象。Yang等人研究了N80钢在含有超高浓度Cl?和Ca2?的CO?饱和盐水中的腐蚀行为，包括静态和流动状态[9]。Nong等人提供了关于H?O–O?–Cl?物种在电化学腐蚀初期阶段在钢表面的吸附和反应的分子级见解[10]。Ding等人开发了一种用于含有多种杂质的超临界CO?饱和水环境中套管系统的机械腐蚀预测模型[11]。Ding等人还研究了SO?及其水合物在CO?饱和水溶液中对X65焊接接头钢的选择性吸附和腐蚀机制[12]。Liu等人研究了氯化物和硫酸盐离子在模拟混凝土孔溶液中对Q355B钢腐蚀行为的联合影响[13]。Narayanan等人报告了选择性激光熔化的SS316L在高温下暴露于含CO?和H?S的盐水中的局部腐蚀[14]。Luo等人研究了2205双相不锈钢涂层管在油气井复杂操作条件下的腐蚀行为[15]。多孔金属材料的结构特性进一步加剧了腐蚀的复杂性，因为它们极大的比表面积增加了腐蚀反应的活性位点数量。例如，Stergioudi等人评估了纯铝泡沫、镀碳铝泡沫和阳极氧化铝泡沫的电化学腐蚀性能[16]。Vogiatzis和Skolianos研究了烧结铝-陶瓷炭球的电化学行为[17]。Wu等人研究了不同孔结构对多孔Ni?Al金属间化合物耐腐蚀性的影响[18]。
在烧结过程中形成的“烧结颈”区域由于微观结构不均匀性（如元素偏析或晶界敏化）而成为局部腐蚀的主要区域[19]。生成的腐蚀产物可能会阻塞或改变孔结构，直接影响发泡稳定性和石油驱替效率。
由于微气泡的稳定生成需要与实际地质条件相匹配，这种工具通常需要在大约30 MPa的高压条件下运行。这些高压条件显著增加了CO?在地层水中的溶解度，从而加剧了系统的腐蚀性。这可能会加速材料的腐蚀并导致腐蚀产物的剥落。此外，油田地层水中复杂的离子组成对材料抵抗局部腐蚀（如点蚀和缝隙腐蚀）的能力提出了严格要求。因此，选择适合地下环境的多孔发泡材料已成为决定该技术长期可行性和经济可行性的核心问题。
在现有的工程材料中，奥氏体不锈钢316L含有高水平的铬（约18%）、镍（约13%）和钼（2-3%）。这种成分使其表面能够形成致密稳定的Cr?O?钝化膜，从而在含氯环境中表现出优异的均匀腐蚀抵抗力[14]、[20]、[21]、[22]。此外，基于镍的合金和钛合金具有耐高温性、高合金含量和高强度，在极端腐蚀环境中表现出优异的稳定性，是很有前景的替代方案[23]、[24]。然而，关于多孔金属材料在30 MPa高压饱和CO?水环境下的腐蚀行为的系统研究仍然很少。因此，本研究选择了市售的多孔奥氏体不锈钢316L、多孔镍基合金625和多孔钛。在模拟的井下条件（80–150°C，30 MPa，CO?饱和地层水环境）下进行了腐蚀行为研究，以阐明多孔材料的腐蚀机制。这为材料选择和这些关键技术组件的保护提供了理论基础。
测试样品制备
本研究使用了市售的316L不锈钢、钛合金和镍基625片状多孔材料，这些多孔材料通过等静压压制烧结而成。多孔材料是通过粉末冶金法制备的，具体是通过模压成型后进行真空烧结。不同材料的烧结温度不同：多孔316L不锈钢在1000℃下烧结，多孔钛合金和多孔625合金在1100℃下烧结。
宏观形态
图2显示了多孔材料在CO?饱和地层水中腐蚀后的宏观形态。与未腐蚀样品相比，所有三种多孔材料在各种测试条件下都显示出可见的、与材料相关的腐蚀特征。在80°C和110°C的低温下，多孔316L和多孔625几乎保持完整的金属外观，没有明显的腐蚀迹象，而深色的腐蚀产物逐渐在表面沉淀和积累。
讨论
油田地层水的复杂性意味着腐蚀是由多种离子（Cl?、SO?2?、HCO??、Ca2?）的协同作用引起的。选择用于井下多孔发泡工具的材料需要综合考虑腐蚀质量变化、局部腐蚀倾向以及腐蚀后的孔结构稳定性。因此，多孔材料必须满足以下标准：（1）抵抗局部腐蚀，以防止突然的穿孔失效；（2）
结论
本研究评估了三种多孔材料——多孔316L、多孔625和多孔钛——在30 MPa高压饱和CO?地层水条件下的腐蚀行为。这些材料是实现井下CO?微气泡增强采油（EOR）的关键组件。主要结论如下：
- (1)
不同材料的腐蚀行为与温度和溶液组成密切相关。多孔316L主要由于
CRediT作者贡献声明
Weikai Yi：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Bihui Wang：撰写 – 原稿，方法论。Kaiyang Li：资金获取。Tianyi Zhang：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52401089）的资助。
