CO2驅(qū)油既能提高原油采收率，又能實現(xiàn)CO2的捕集和利用，但是CO2驅(qū)油也會帶來嚴(yán)重的腐蝕問題[1-2]。MA等[3-5]研究了純水體系中腐蝕介質(zhì)（溶解氧、硫化氫、CO2、Cl-含量、礦化度等）和環(huán)境因素（溫度、壓力、流速等）對不同管材腐蝕行為的影響，但忽略了CO2驅(qū)油采出液中原油對采油井管柱腐蝕的影響[6]。孫沖等[7-8]考慮了原油對超臨界CO2環(huán)境中碳鋼腐蝕行為的影響，分別研究了超臨界CO2不同油水比條件下碳鋼（J55、N80）的腐蝕規(guī)律，并建立了機理模型。他們都認為，碳鋼的腐蝕速率隨著原油含水率的增加而增加，原油對CO2腐蝕具有緩蝕作用，腐蝕形態(tài)受原油和采出水形成的乳狀液的形態(tài)影響。乳狀液的類型、穩(wěn)定性和其在碳鋼表面潤濕性都會影響CO2對碳鋼的腐蝕速率[9-11]。眾所周知，表面活性劑驅(qū)也是提高油田采收率的主要方法之一。在先實施表面活性劑驅(qū)油再實施CO2驅(qū)油的油藏中，原油和采出水在表面活性劑影響下形成乳狀液，從而影響CO2對采油井井筒和集輸管線的腐蝕行為。

作者利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬CO2壓力為9 MPa（CO2達到超臨界狀態(tài)的壓力為7.38 MPa）、溫度為65 ℃（CO2達到超臨界狀態(tài)的溫度為31.2 ℃）的超臨界CO2環(huán)境，研究了原油/模擬采出水體系中不同含水率條件下，N80碳鋼的腐蝕速率及腐蝕深度，并對腐蝕后試片進行表征，通過乳狀液性質(zhì)分析闡述了油水乳化對超臨界CO2環(huán)境中N80碳鋼腐蝕行為的影響機理。

1. 試驗

1.1 試驗材料與試劑

試驗材料為N80碳鋼試片，尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.36% C，0.23%Si，1.61%Mn，0.11%Cu，≤0.01%P，≤0.004%S，余量為Fe。

用試劑和超純水配制模擬采出水，其礦化度為36 000 mg/L，組分為15.0 g/L CaCl2、0.3 g/L Na2SO4、0.6 g/L MgCl2、20.0 g/L NaCl和0.1 g/L NaHCO3。原油組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：瀝青質(zhì)0.65%，蠟13.34%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)4.57%。

1.2 腐蝕試驗與表征

按照JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，在FCF-2L高溫高壓反應(yīng)釜中模擬超臨界CO2環(huán)境，對N80碳鋼試片進行浸泡腐蝕試驗。試驗介質(zhì)為由模擬采出水和原油組成的乳狀液（含水率分別為0、30%、50%、70%、100%），向乳狀液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的乳化劑（十二烷基酚聚氧乙烯醚OP-10）。試驗前進行高純氮除氧120 min，再用高純CO2置換氮氣30 min，繼續(xù)用高純CO2加壓至9 MPa。試驗溫度為65 ℃，轉(zhuǎn)速為400 r/min（線速度為1 m/s），腐蝕時間為48 h。

試驗結(jié)束后，去除試片表面的原油，然后用Quantu 600FEG型掃描電鏡（SEM）觀察試片表面腐蝕產(chǎn)物膜的微觀結(jié)構(gòu)，用OXFORD INCA x-act型能譜分析儀（EDS）分析腐蝕產(chǎn)物的元素組成。對試片進行酸洗處理，采用分析天平稱量試片，并采用失重法計算試片的腐蝕速率。用掃描電鏡觀察酸洗后試片表面，并根據(jù)圖像分析計算最大腐蝕深度[12]。

1.3 乳狀液形貌和性質(zhì)表征

使用SVT20旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定油水界面張力；反應(yīng)釜泄壓后，迅速打開，取油水混合物，在OLYMPUS DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡下觀察乳狀液微觀形貌；使用JC2000 DS接觸角測量儀測量腐蝕介質(zhì)與N80碳鋼的接觸角。

2. 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖1可見，在超臨界CO2環(huán)境中，無論是否添加乳化劑，N80碳鋼的腐蝕速率都隨著含水率的增加而增加，且添加乳化劑條件下的腐蝕速率高于未添加乳化劑條件下的。在不添加乳化劑條件下，當(dāng)含水率低于50%時，N80碳鋼的腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕，腐蝕速率低于0.1 mm/a且變化不大，當(dāng)含水率高于50%時，腐蝕形態(tài)變?yōu)榫植扛g，腐蝕速率隨著含水率增加急速增加。在添加0.5%乳化劑條件下，N80碳鋼的腐蝕形態(tài)都為均勻腐蝕，當(dāng)含水率低于50%時，腐蝕速率隨著含水率增加急速增加，當(dāng)含水率高于50%時，腐蝕速率增速變緩，當(dāng)含水率高于70%時，腐蝕速率幾乎不變。

圖 1 超臨界CO2環(huán)境中油水乳化對N80碳鋼腐蝕速率的影響

Figure 1. Effect of oil-water emulsification on the corrosion rate of N80 carbon steel in supercritical CO2 environment

2.2 腐蝕產(chǎn)物膜

2.2.1 腐蝕產(chǎn)物膜微觀形貌

油水乳化條件對N80碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的微觀形貌有很大影響。由圖2可見，在未添加乳化劑的超臨界CO2環(huán)境中，當(dāng)含水率不超過30%時，N80碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物少，表面機械加工痕跡明顯；當(dāng)含水率為50%時，腐蝕產(chǎn)物膜不平整，內(nèi)層由小顆粒晶體組成，外層由大顆粒晶體組成；當(dāng)含水率為70%時，腐蝕產(chǎn)物膜上出現(xiàn)明顯的孔洞，導(dǎo)致N80碳鋼發(fā)生局部腐蝕；當(dāng)含水率為100%時，腐蝕產(chǎn)物為胞狀的堆垛，采出水容易通過堆垛間的孔隙與金屬基體接觸，引起局部腐蝕[13]。由圖3可見，在添加0.5%乳化劑的超臨界CO2環(huán)境中，當(dāng)含水率為0%時，腐蝕產(chǎn)物膜形貌與未添加乳化劑時相似；當(dāng)含水率為30%時，腐蝕產(chǎn)物膜分為兩層，內(nèi)外層都由顆粒較小的晶體組成，外層膜不完整；當(dāng)含水率為50%~100%時，腐蝕產(chǎn)物膜的微觀形貌類似，都不完整且有大量的孔隙。

圖 2 超臨界CO2環(huán)境中不同含水率條件下N80碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的掃描電鏡圖（無乳化劑）

Figure 2. SEM images of corrosion product films on the surface of N80 carbon steel under different water content conditions in supercritical CO2 environment (none emulsifier)

圖 3 超臨界CO2環(huán)境中不同含水率條件下N80碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜掃描電鏡圖（0.5%乳化劑）

Figure 3. SEM images of corrosion product films on the surface of N80 carbon steel under different water content conditions in supercritical CO2 environment (0.5% emulsifier)

2.2.2 腐蝕產(chǎn)物膜成分

由表1可見，在超臨界CO2環(huán)境中，是否添加乳化劑對N80碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的元素組成影響不大，腐蝕產(chǎn)物膜的主要元素均為C、O和Fe，其原子分?jǐn)?shù)比大致為1∶3∶1，與CO2腐蝕產(chǎn)物FeCO3一致，這說明N80碳鋼主要發(fā)生了CO2腐蝕。部分N80碳鋼試片表面還發(fā)現(xiàn)了Mn元素，說明腐蝕產(chǎn)物膜不能完全覆蓋試片表面；腐蝕產(chǎn)物中含有Ca，說明腐蝕產(chǎn)物FeCO3中的Fe2+被Ca2+取代生成了CaCO3[14]。