注 CO₂ 井油套管腐蚀防护选材研究

报告编号：OGG-A-016 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026 年 7 月 保密级别：内部参考 版本：V1.0 专题群：封存井完整性与封隔材料

执行摘要

注 CO₂ 井（涵盖 CO₂ 驱油 EOR 井、CO₂ 地质封存注入井及 CCUS 一体化项目井）的油套管腐蚀，是决定注入井全生命周期完整性与经济性的关键工程问题。随着全球 CCUS 进入规模化部署阶段、中国 CO₂ 驱油与封存示范项目密集落地，耐蚀管材选型已从"经验驱动"迈向"机理驱动+全生命周期成本权衡"的新阶段。本报告基于对腐蚀机理、材料体系、选材标准、全球项目实践与市场竞争格局的系统调研，形成以下核心判断：

第一，CO₂ 腐蚀的本质是"游离水+酸性介质"的电化学腐蚀，防护选材的首要判据是水相是否存在及其化学性质。 干燥、无游离水的超临界 CO₂ 对碳钢腐蚀轻微（<0.1 mm/y），但一旦有游离水析出，碳钢腐蚀速率可达 1～20 mm/y。CCUS 封存场景中含杂质（O₂、SO₂、NOₓ、H₂O）的超临界 CO₂ 会形成强酸性微环境，腐蚀速率呈非线性跃升，是当前选材数据最匮乏、风险最高的领域。

第二，选材遵循"按工况分级"逻辑，四类量化触发阈值构成选材决策的核心骨架。 报告提炼出 CO₂ 分压、温度、H₂S 分压、O₂/杂质含量四个关键参数的分级阈值，形成从"碳钢+缓蚀剂"到"镍基合金"的阶梯选材路线图。

第三，材料成本差异悬殊（碳钢∶13Cr∶双相∶镍基合金≈1∶3∶5∶15～25），选材决策本质是可靠性与成本的权衡。 无脑选用高等级 CRA（耐蚀合金）会造成巨大浪费，而选材不足则可能导致数千万元级的修井与井完整性失效损失。

第四，全球耐蚀合金油套管市场进入 CCUS 驱动的新增长周期。 全球 CRA 油套管市场规模 2025 年约 63.5 亿美元，预计 2030 年增至约 94.0 亿美元，年均复合增长率约 8%，其中 CCUS 与深井酸性气田是主要增量来源。

第五，中国在中低端 13Cr、双相不锈钢管材领域已基本实现国产替代，但高端镍基合金无缝管、超级 13Cr 的高端牌号仍存在技术与供应链差距。

风险提示：含杂质超临界 CO₂ 长周期腐蚀数据不足、封存井需数十年至百年级可靠性验证、缓蚀剂在高流速/高温工况有效性局限、高端 CRA 成本与供应链约束，构成四大核心风险。

核心行动建议：建立"工况参数—选材阈值—成本模型"三位一体的选材决策体系；对封存注入井采用比 EOR 井更保守的选材冗余；加快含杂质超临界 CO₂ 腐蚀实验数据积累与国产高端 CRA 攻关。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

全球气候治理背景下，CCUS 被 IPCC、IEA 等权威机构列为实现碳中和不可或缺的技术路径。CO₂ 驱油（CO₂-EOR）作为兼具增产与封存双重效益的成熟技术，与专门的 CO₂ 地质封存共同构成注 CO₂ 井的两大应用场景。据全球 CCS 研究院统计，截至 2024 年全球运营中及在建的 CCS 设施数量持续增长，注入井数量随之快速上升。

注 CO₂ 井面临的核心工程挑战之一，是井筒管柱（油管 tubing 与套管 casing）在高 CO₂ 分压环境下的腐蚀。与常规油气井相比，注 CO₂ 井的腐蚀环境具有三重特殊性：一是 CO₂ 分压极高（注入压力常达 8～20 MPa，CO₂ 摩尔分数接近 100%）；二是封存井要求超长服役周期（封存完整性需保证数十年至百年）；三是杂质气体（尤其是捕集自燃煤电厂/工业尾气的 CO₂ 中夹带的 O₂、SOₓ、NOₓ、H₂S）显著改变腐蚀化学。

一旦油套管腐蚀失效，轻则频繁修井、增加运维成本，重则导致 CO₂ 泄漏、井完整性丧失，威胁封存安全与环境安全。因此，科学、经济的防护选材是注 CO₂ 井工程设计的核心命题。

1.2 核心调研问题

本报告聚焦回答以下四个核心问题：

• 机理层面：注 CO₂ 井环境下 CO₂（及共存 H₂S、Cl⁻、O₂ 等）的腐蚀机理是什么？关键影响因素及其规律如何？
• 选材层面：主流防护选材路线有哪些？各自的适用工况边界、性能极限与经济性如何？如何量化选材决策？
• 实践层面：全球典型 CCUS/CO₂-EOR 项目的选材经验与教训是什么？
• 市场层面：耐蚀管材市场格局、竞争态势与国产化水平如何？未来趋势与行动建议？

1.3 调研范围界定

• 对象范围：注 CO₂ 井的油管与套管（含生产套管、技术套管），重点为直接接触 CO₂ 介质的油管与生产套管；井口装置、水泥环、封隔器等非管柱部件不作为主体，仅在系统完整性层面涉及。
• 场景范围：CO₂-EOR 注入井、CO₂ 地质封存注入井、CCUS 一体化项目井。
• 地域范围：全球视野，国际对比+全球趋势，重点覆盖北美、欧洲、澳洲、中国的典型项目。
• 时间范围：全时间轴，梳理 CO₂ 腐蚀研究与选材技术从 20 世纪中叶至今的演进，并展望未来趋势。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息交叉验证方法，信息来源包括：国际权威机构报告（IEA、GCCSI）、国际标准（ISO 15156/NACE MR0175、NORSOK M-506、API 系列）、学术期刊文献（Corrosion Science、Corrosion、SPE 论文集等）、企业技术白皮书与年报（Vallourec、Tenaris、宝武等）、市场研究机构报告及中国石油石化行业技术资料。所有关键数据均标注来源类别与年份，核心数据经至少两个独立来源交叉验证。

02 · CO₂ 腐蚀机理深度剖析

2.1 CO₂ 腐蚀的电化学本质

CO₂ 腐蚀（俗称"甜性腐蚀"，sweet corrosion）的前提是游离水的存在。干燥 CO₂ 本身不腐蚀钢材，只有当 CO₂ 溶于水形成碳酸后，才发生电化学腐蚀。基本反应链如下：

溶解与水合：

$$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$$

电离：

$$H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- \rightleftharpoons 2H^+ + CO_3^{2-}$$

阳极反应（铁溶解）：

$$Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$$

阴极反应（析氢，含碳酸的直接还原）：

$$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2$$ $$2H_2CO_3 + 2e^- \rightarrow H_2 + 2HCO_3^-$$

CO₂ 腐蚀的一个关键特征是：碳酸作为弱酸，可以提供比同 pH 强酸更高的 H⁺ 供给能力（"缓冲储备"效应），因此在相同 pH 下 CO₂ 环境的腐蚀性往往强于盐酸环境。这是 CO₂ 腐蚀区别于普通酸腐蚀的核心机理。

2.2 关键影响因素及规律

CO₂ 腐蚀速率受多因素耦合控制，主要规律如下表所示：

2.3 FeCO₃ 腐蚀产物膜：保护与失效

腐蚀产物膜（主要成分为碳酸铁 FeCO₃，即菱铁矿）是 CO₂ 腐蚀行为的核心变量：

• 保护性成膜：在合适的温度（约 60～150°C）、pH 与过饱和度条件下，FeCO₃ 可形成致密、附着良好的保护膜，将腐蚀速率降低一个数量级以上。
• 膜的失效：当温度过低、pH 过低、流速过高或存在 Cl⁻ 干扰时，FeCO₃ 膜疏松、多孔或局部剥落，导致膜下局部腐蚀，形成极具破坏性的台地腐蚀（mesa attack）。
• 工程风险：保护膜的不均匀性是局部腐蚀的根源，局部腐蚀速率可达均匀腐蚀的数倍至十倍，是井筒穿孔失效的主因。

2.4 局部腐蚀形态

注 CO₂ 井的局部腐蚀形态主要包括：

• 点蚀（Pitting）：Cl⁻ 破坏保护膜局部区域引发，蚀孔深窄，危害隐蔽。
• 台地腐蚀（Mesa Attack）：CO₂ 腐蚀特有形态，保护膜局部破损区域快速腐蚀，形成台阶状蚀坑，是 CO₂ 环境下最典型且最危险的局部腐蚀。
• 流动诱导局部腐蚀（FILC）：高流速区保护膜被水力剪切破坏，露出新鲜金属持续腐蚀。
• 冲刷腐蚀（Erosion-Corrosion）：含固相颗粒或高流速多相流对管壁的机械-化学协同破坏。

2.5 多因素协同腐蚀：CO₂/H₂S/Cl⁻ 共存

实际注 CO₂ 井（尤其是伴生酸气或捕集自高硫工业源的 CO₂）常存在 H₂S 与 CO₂ 共存，腐蚀机理更复杂：

• CO₂/H₂S 分压比（p_CO₂/p_H₂S）是判定腐蚀主控因素的关键。经典判据：比值 >500 时以 CO₂ 腐蚀为主，形成 FeCO₃；比值 <20 时以 H₂S 腐蚀为主，形成 FeS 膜；介于两者之间为混合控制。
• 硫化物应力开裂（SSC）：H₂S 存在下，钢材吸氢导致氢致开裂，是酸性环境（sour service）选材必须规避的失效模式，直接受 ISO 15156/NACE MR0175 约束。
• FeS 膜的双重性：FeS 膜在某些条件下具保护性，但常疏松易破，且可能促进局部电偶腐蚀。

2.6 前沿难点：含杂质超临界 CO₂ 的腐蚀

这是 CCUS 封存场景的核心技术瓶颈与前沿研究方向：

• 超临界 CO₂（scCO₂）特性：CO₂ 在 7.38 MPa、31.1°C 以上进入超临界态，兼具气体扩散性与液体密度，是封存/管输的主要相态。纯干燥 scCO₂ 对碳钢腐蚀轻微。
• 杂质的致命影响：捕集来源的 CO₂ 常含 O₂、SO₂、NOₓ、H₂S、H₂O 等杂质。当水与这些杂质共存并析出液相时，会生成硫酸、硝酸等强酸，形成极强腐蚀微环境，腐蚀速率相比纯 CO₂ 呈非线性跃升，实验报道可达数 mm/y 甚至更高。
• 协同效应：O₂ 与 SO₂ 共存的协同腐蚀远超单一杂质，且存在"临界含水量"阈值——低于阈值腐蚀轻微，超过阈值腐蚀急剧恶化。
• 数据匮乏：含多元杂质、不同水含量、超临界高压下的长周期腐蚀数据仍严重不足，是当前选材决策最大的不确定性来源。

*图 2-1 CO₂ 腐蚀速率随温度变化的典型曲线图*

*图 2-2 CO₂ 腐蚀机理与保护膜失效示意图*