CO2驱油既能提高原油采收率，又能实现CO2的捕集和利用，但是CO2驱油也会带来严重的腐蚀问题[1-2]。MA等[3-5]研究了纯水体系中腐蚀介质（溶解氧、硫化氢、CO2、Cl-含量、矿化度等）和环境因素（温度、压力、流速等）对不同管材腐蚀行为的影响，但忽略了CO2驱油采出液中原油对采油井管柱腐蚀的影响[6]。孙冲等[7-8]考虑了原油对超临界CO2环境中碳钢腐蚀行为的影响，分别研究了超临界CO2不同油水比条件下碳钢（J55、N80）的腐蚀规律，并建立了机理模型。他们都认为，碳钢的腐蚀速率随着原油含水率的增加而增加，原油对CO2腐蚀具有缓蚀作用，腐蚀形态受原油和采出水形成的乳状液的形态影响。乳状液的类型、稳定性和其在碳钢表面润湿性都会影响CO2对碳钢的腐蚀速率[9-11]。众所周知，表面活性剂驱也是提高油田采收率的主要方法之一。在先实施表面活性剂驱油再实施CO2驱油的油藏中，原油和采出水在表面活性剂影响下形成乳状液，从而影响CO2对采油井井筒和集输管线的腐蚀行为。

作者利用高温高压反应釜模拟CO2压力为9 MPa（CO2达到超临界状态的压力为7.38 MPa）、温度为65 ℃（CO2达到超临界状态的温度为31.2 ℃）的超临界CO2环境，研究了原油/模拟采出水体系中不同含水率条件下，N80碳钢的腐蚀速率及腐蚀深度，并对腐蚀后试片进行表征，通过乳状液性质分析阐述了油水乳化对超临界CO2环境中N80碳钢腐蚀行为的影响机理。

1. 试验

1.1 试验材料与试剂

试验材料为N80碳钢试片，尺寸为50 mm×10 mm×3 mm，其化学成分（质量分数）为：0.36% C，0.23%Si，1.61%Mn，0.11%Cu，≤0.01%P，≤0.004%S，余量为Fe。

用试剂和超纯水配制模拟采出水，其矿化度为36 000 mg/L，组分为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。原油组成（质量分数）为：沥青质0.65%，蜡13.34%，胶质沥青质4.57%。

1.2 腐蚀试验与表征

按照JB/T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，在FCF-2L高温高压反应釜中模拟超临界CO2环境，对N80碳钢试片进行浸泡腐蚀试验。试验介质为由模拟采出水和原油组成的乳状液（含水率分别为0、30%、50%、70%、100%），向乳状液中加入质量分数为0.5%的乳化剂（十二烷基酚聚氧乙烯醚OP-10）。试验前进行高纯氮除氧120 min，再用高纯CO2置换氮气30 min，继续用高纯CO2加压至9 MPa。试验温度为65 ℃，转速为400 r/min（线速度为1 m/s），腐蚀时间为48 h。

试验结束后，去除试片表面的原油，然后用Quantu 600FEG型扫描电镜（SEM）观察试片表面腐蚀产物膜的微观结构，用OXFORD INCA x-act型能谱分析仪（EDS）分析腐蚀产物的元素组成。对试片进行酸洗处理，采用分析天平称量试片，并采用失重法计算试片的腐蚀速率。用扫描电镜观察酸洗后试片表面，并根据图像分析计算最大腐蚀深度[12]。

1.3 乳状液形貌和性质表征

使用SVT20旋转滴界面张力仪测定油水界面张力；反应釜泄压后，迅速打开，取油水混合物，在OLYMPUS DSX500光学数码显微镜下观察乳状液微观形貌；使用JC2000 DS接触角测量仪测量腐蚀介质与N80碳钢的接触角。

2. 结果与讨论

2.1 腐蚀速率

由图1可见，在超临界CO2环境中，无论是否添加乳化剂，N80碳钢的腐蚀速率都随着含水率的增加而增加，且添加乳化剂条件下的腐蚀速率高于未添加乳化剂条件下的。在不添加乳化剂条件下，当含水率低于50%时，N80碳钢的腐蚀形态为均匀腐蚀，腐蚀速率低于0.1 mm/a且变化不大，当含水率高于50%时，腐蚀形态变为局部腐蚀，腐蚀速率随着含水率增加急速增加。在添加0.5%乳化剂条件下，N80碳钢的腐蚀形态都为均匀腐蚀，当含水率低于50%时，腐蚀速率随着含水率增加急速增加，当含水率高于50%时，腐蚀速率增速变缓，当含水率高于70%时，腐蚀速率几乎不变。

图 1 超临界CO2环境中油水乳化对N80碳钢腐蚀速率的影响

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

2.2 腐蚀产物膜

2.2.1 腐蚀产物膜微观形貌

油水乳化条件对N80碳钢表面腐蚀产物膜的微观形貌有很大影响。由图2可见，在未添加乳化剂的超临界CO2环境中，当含水率不超过30%时，N80碳钢表面腐蚀产物少，表面机械加工痕迹明显；当含水率为50%时，腐蚀产物膜不平整，内层由小颗粒晶体组成，外层由大颗粒晶体组成；当含水率为70%时，腐蚀产物膜上出现明显的孔洞，导致N80碳钢发生局部腐蚀；当含水率为100%时，腐蚀产物为胞状的堆垛，采出水容易通过堆垛间的孔隙与金属基体接触，引起局部腐蚀[13]。由图3可见，在添加0.5%乳化剂的超临界CO2环境中，当含水率为0%时，腐蚀产物膜形貌与未添加乳化剂时相似；当含水率为30%时，腐蚀产物膜分为两层，内外层都由颗粒较小的晶体组成，外层膜不完整；当含水率为50%~100%时，腐蚀产物膜的微观形貌类似，都不完整且有大量的孔隙。

图 2 超临界CO2环境中不同含水率条件下N80碳钢表面腐蚀产物膜的扫描电镜图（无乳化剂）

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)

图 3 超临界CO2环境中不同含水率条件下N80碳钢表面腐蚀产物膜扫描电镜图（0.5%乳化剂）

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 腐蚀产物膜成分

由表1可见，在超临界CO2环境中，是否添加乳化剂对N80碳钢表面腐蚀产物膜的元素组成影响不大，腐蚀产物膜的主要元素均为C、O和Fe，其原子分数比大致为1∶3∶1，与CO2腐蚀产物FeCO3一致，这说明N80碳钢主要发生了CO2腐蚀。部分N80碳钢试片表面还发现了Mn元素，说明腐蚀产物膜不能完全覆盖试片表面；腐蚀产物中含有Ca，说明腐蚀产物FeCO3中的Fe2+被Ca2+取代生成了CaCO3[14]。