渤海某油田"Y"形生產管柱堵塞器腐蝕原因分析

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司，天津 300452)

渤海某油田"Y"形生產管柱堵塞器腐蝕原因分析

邢四駿 閆化云 張 穎 馬魁菊

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司，天津 300452)

本文對渤海某油田修井作業中發現的被腐蝕的"Y"形生產管柱堵塞器展開研究，從溫度、壓力、裝配要求、生產水、產出氣等多方面詳細分析了堵塞器工作環境，探討其腐蝕原因，遂采用線性極化電阻、耦合多電極等方法進行實驗驗證，提出了解決方案，以期對以后解決類似問題提供借鑒。

"Y"形生產管柱堵塞器 縫隙腐蝕 線性極化電阻 耦合多電極

0 前言

近年來，海上油氣田開采過程中大量采用"Y"形生產管柱，這種管柱包括抽油通道和井下測試通道，兩者大致呈一個"Y"形，具有不動管柱實現生產、測試和分層采油等多種功能，既能滿足自噴生產與停噴后的電潛泵生產要求，又能及時獲得生產井的各種動態數據[1]。"Y"形生產管柱在生產時用到生產堵塞器來密封管柱。生產堵塞器直接投放于"Y"形接頭工作筒內，具有單流閥作用，可方便進行反循環洗井；同時具有獨特外泄壓系統，使堵塞器能夠在壓力平衡狀態下進行打撈[2]，因此，堵塞器的密封性直接影響油田產量及測井質量。

渤海某油田"Y"形生產管柱安裝有生產堵塞器，在管柱檢修時發現，給管柱憋壓，到6MPa后不再上升(正常能到10MPa以上)；停增壓泵后觀察15分鐘，管柱壓力下降到2MPa。撈出堵塞器后發現堵塞器定位部分、密封部分、泄壓部分均發生了不同程度的腐蝕，錐體與密封端面不能完全吻合，直接導致生產管柱壓力憋不住，見圖1。本文在分析堵塞器工作環境的基礎上，探討腐蝕原因，進行實驗驗證，提出了解決方案，以期對以后解決類似問題提供借鑒。

1 "Y"形管柱堵塞器作業環境分析

圖1 生產堵塞器照片及結構示意圖

首先分析該堵塞器的工作環境，堵塞器安裝的生產井為定向井，完井井深2580.00米，垂深2576.36米，水深22.20米。通過查閱該井生產管柱圖，生產堵塞器在井下1950米左右。此處油管外徑為2-7/8"，材質為12L13，美國特種鋼，屬于易加工合金鋼，等同于國內Y12Pb。生產堵塞器處工作壓力17.56MPa，溫度92.69℃。在電潛泵生產過程中，生產堵塞器起到堵塞工作筒的目的。因此，此處堵塞器在生產管中的狀態有兩種：一種為底部全部浸泡在產液中，處于靜止狀態，第二種狀態為底部處于氣相，但有水蒸汽不斷產生。

按照中國海洋石油總公司企業標準QH/S 2022-2006 Y型接頭使用工藝要求的說明，生產堵塞器與Y形接頭工作筒配合時，其配合間隙為圓周上+0.3~+0.4mm；生產堵塞器對Y型接頭工作筒密封面的過盈量推薦值圓周上+0.3~+0.4mm，該堵塞器在井筒中的裝配示意圖見圖2。由于生產堵塞器與工作筒之間存在過盈量，當堵塞器全部浸泡在產液中時，借助毛細管效應，含鹽水分滲透到堵塞器與工作筒的縫隙中，對堵塞器下部的泄壓部分首先產生腐蝕；即使堵塞器沒有全部浸泡在產液中而是出于熱的濕氣中，其腐蝕狀況也不容小覷。堵塞器上部的打撈接頭部分則完全浸泡在產液中，并處于產液流動狀態下，這也是該部分較下部腐蝕嚴重的原因。這兩者腐蝕程度受到水質離子含量及氣相CO2、H2S含量組成的影響，遂對水質及氣相組分進行分析，分析結果見表1及圖3。

圖2 生產堵塞器在Y生產管柱中的裝配示意圖

表1 水質分析表單位：mg/L

該井日產液110m3，含水40%~50%，其水質分析見下表1，測試執行標準為SY/T 5523-2000 油氣田水分析方法：

該生產水氯離子含量為4518.44mg/L，水型為NaHCO3型，pH為7.8，根據The International Association for the Physical Sciences of the Oceans (IAPSO) 標準里海水的含鈉量為10770mg/L ，含氯19354 mg/L，該生產水的鈉、氯含量低于海水。天然水中含有的各種可溶性離子中，鈣鎂等離子含量越低，氯離子、硫酸根離子等含量越高，水的腐蝕性就越強，有水處理工作者對我國普遍存在的幾種水質，總結出氯離子高于200±5mg/L、鈣離子低于20±4mg/L的水為嚴重腐蝕性水質[3]。GB50050-2007工業循環冷卻水處理設計規范明確規定碳鋼間接冷卻循環水中氯離子含量要小于1000mg/L，也說明氯離子含量高會產生嚴重腐蝕。

采用Dragerwerk的二氧化碳檢測儀測試該井氣相CO2氣體含量，連續15天對該井CO2監測數據見圖3，由圖可知CO2含量最終穩定在11%(占總氣量的體積濃度)左右，說明該井的CO2含量較高，易引起CO2腐蝕，有文獻報道在60~110℃，鐵在含CO2的鹽水中，表面可生成具有一定保護性的腐蝕產物膜，局部腐蝕較為突出，溫度主要對CO2腐蝕產物膜的性質、特征和形貌產生影響，從而影響CO2腐蝕進程[4]。采用碘量法測試產出液中硫化氫檢測結果顯示硫化氫含量不超過5mg/L，呂文奇等[5]認為水溶液中H2S濃度低于20mg/L時，鋼材一般不發生硫化氫應力腐蝕開裂；美國Ohio大學多相流研究所Nesic、Lee K[6,7]等人認為，低量H2S的存在會導致碳鋼的CO2腐蝕速率下降，下降原因為當加入H2S后，H2S與鐵親和力較強，優先在鐵表面形成硫化物膜，減少鐵與CO2反應的活性點，從而降低腐蝕速率。

圖3 井口CO2含量監測圖

圖4 現場產出水中LPR監測結果

2 現場環境腐蝕性實驗驗證

2.1 現場產出水線性極化電阻(LPR)測試

目前對井下水質的腐蝕測試不能在井下進行。當產液隨著生產井管柱產出地層后進入海上平臺生產工藝處理系統，在這套處理工藝系統內，能夠實現油氣水三相的有效分離，此時經過分離的生產污水能包含地層水的腐蝕性因子，如一定的則為井下生產的地層水。在生產平臺生產水處理系統分離出的生產水安裝線性極化電阻，對產出水連續進行48h監測，以測試該井水質腐蝕性及點腐蝕傾向，試驗結果見圖4。

在LPR測試中，不平衡系數表示該介質發生局部腐蝕的可能性，不平衡系數變化越劇烈則說明該介質發生局部腐蝕的可能性越大。由圖4可看出，現場產出水均勻腐蝕速率隨時間延長逐漸下降，下降到1mpy后趨于穩定；但不平衡系數則一直不穩定，變化較快，說明該介質存在較強的局部腐蝕傾向。因此采用耦合多電極測試系統，測試該介質的均勻腐蝕與點腐蝕速率。

2.2 現場采出水耦合多電極測試

耦合多電極測試系統采用全新的檢測原理及技術，可實現局部腐蝕定量測量的儀器。該設備包括一支9電極測試探頭、一臺數據轉換存儲器。其測試原理為：在耦合多電極矩陣傳感器中，裝有多個與被測材質相同的微型電極；微型電極之間用絕緣材料分割開，其另一端通過零電阻電流計連接到一個共同的節點上(耦合在一起)。與陽極性質接近的電極表現為金屬局部腐蝕時的陽極，與陰極性質接近的電極表現為金屬局部腐蝕時的陰極。電流從腐蝕較輕或沒被腐蝕的電極通過零電阻電流計流入腐蝕嚴重的電極(陽極釋放出的電子通過零電阻電流計流向陰極)，這種電流正是局部腐蝕所導致的微電流，通過直接測量產生的微電流，可定量地確定局部或不均勻腐蝕的速度[8]。

圖5 耦合多電極測試均勻腐蝕與最大點腐蝕速率圖

在室內進行耦合多電極測試，測試電極材質選用碳鋼。實驗容器采用2.5L廣口瓶，瓶中加入2L實驗介質，實驗介質為采用表1的水質分析配制的模擬水。第一天實驗時，在2L實驗介質中通入CO2除氧4h；實驗過程中每天早9點開始升溫1h后到95℃，同時鼓2h的CO2，保溫6h，關閉升溫，自然降溫，每天一次升降溫過程，實驗進行4d后的測試結果見圖5：

由圖5可看出，無論是均勻腐蝕速率還是最大點腐蝕速率均隨著溫度變化而呈現周期變化，均勻腐蝕速率高溫在1.5mpy左右，隨著溫度降低，均勻腐蝕速率下降，最低降到0.2mpy。最大點腐蝕速率隨溫度的變化呈現與均勻腐蝕速率相似的周期變化，隨溫度升高點腐蝕速率升高，最高達到12mpy；隨著溫度降低，最大點腐蝕速率也下降，下降到一定溫度則與均勻腐蝕速率曲線重合，最低降到0.2mpy。說明溫度極大的影響了材質的點腐蝕過程，在一定的溫度范圍內，在現場生產水中以均勻腐蝕為主；溫度超過一定范圍時發生極嚴重的點腐蝕。

2.3 現場采出水失重測試

為模擬實驗介質對鋼試片形成縫隙腐蝕的情形，在動態高溫高壓釜中進行對應實驗。動態高溫高壓釜溶積為3L，加入介質1.5L分別在液相及氣相安裝試片，液相垂直安裝X65碳鋼試片(6177~6179)及不銹鋼試片(5540~5542)進行測試；氣相試片為X65碳鋼，試片編號為(6180~6182)，水平安裝，在釜蓋與試片間人為形成縫隙。實驗介質也采用現場模擬水，實驗過程中每天早9點開始升溫到95℃后保溫6h，自然降溫，每天一次升降溫過程，實驗進行7d后的測試結果見表2、氣相腐蝕試片照片見圖6：

由表2可看出，液相垂直安裝的鋼試片兩種材質都呈現均勻腐蝕，腐蝕不嚴重；但在氣相水平安裝的鋼試片，則呈現較嚴重腐蝕，尤其在掛片與釜蓋形成的間隙之間，腐蝕產物為黑褐色，在掛片表面突起一層；去除腐蝕產物后觀察，其腐蝕形貌為局部臺地腐蝕，無明顯點蝕，其原因可能是降溫過程有助于釜內形成凝析水，凝析水聚集在掛片與釜蓋間的縫隙上，形成局部腐蝕。

表2 模擬縫隙腐蝕試片失重測試結果

圖6 氣相腐蝕試片照片

3 "Y"形管柱堵塞器腐蝕原因

通過對"Y"型管柱堵塞器的作業環境及環境腐蝕性進行分析測試后，可推測"Y"型管柱堵塞器發生局部腐蝕的主要原因是，產出液中的水具有極強的點腐蝕傾向，"Y"堵塞器錨頭與其接觸端面由于隨著壓力波動是一種動態，產出液中的水一方面隨著生產進行，將堵塞器進行浸泡發生均勻腐蝕；另一方面，在產液不能到達堵塞器下端時，在95℃高溫下，生產水形成水蒸汽與產液中的CO2一起，揮發到堵塞器與生產管柱形成的縫隙處，形成凝析水，造成嚴重的局部腐蝕，形成較深臺地腐蝕，其原因可能是接觸材質在微區電位的差異或者縫隙的不均勻性造成的；這種局部腐蝕的危害遠遠大于全浸造成的均勻腐蝕。

4 對策及建議

該生產井"Y"堵塞器腐蝕直接反映出該油田面臨的腐蝕問題，生產水具有的強的點腐蝕傾向、較高的CO2含量、較高的作業環境溫度都是該油田不可忽視的腐蝕因素，所以需引起作業方的高度重視。

對"Y"接頭可和堵塞器接觸底部部分可用MPS涂料進行內涂，或進行化學鍍，在接頭表面形成涂鍍層，阻擋其與流體接觸，而"Y"堵塞器錨頭摩擦部分也可以采用耐磨擦涂料進行處理，防止兩部分發生電偶腐蝕。

為防止產出液對油套環空之間的生產管柱外壁及套管內壁的腐蝕，為防止封隔器等可能形成縫隙的井下生產器的腐蝕，可在油套環空之間添加油套環空保護液，其中加入足量的氣相緩蝕劑來防止水蒸汽攜帶CO2造成的局部腐蝕。

[1] 邢洪憲, 劉鵬, 徐榮強等. 海上油田密閉生產完井管柱技術分析[J]. 石油機械, 2008, 36(5): 74-75.

[2] 鄭金中, 張成富, 程心平等. 用于Ф177.8mm套管井的Y形生產管柱及配套工具[J]. 石油機械, 2012, 40(9): 62-75.

[3] 張俊玲, 王堃. 高氯離子含量循環水腐蝕控制[C]. 中國精細化工協會第三屆水處理化學品行業年會論文集, 2007:100-103.

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[6] Nesic S. LEE K J. The Effect of Trace Amount of H2S on CO2 Corrosion Investigated by using the EIS Technique[C]. Corrosion(05) Houston international TX: NACE, 2005:630.

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表6 輸油泵機組的振動速度值

4 結論和建議

通過借鑒國內外標準，針對提高我國離心泵運行管理標準水平，以及加強標準制修訂工作，提出如下建議：

(1)借鑒俄羅斯標準，建議GB 50275和SY 4201.1規定泵與出入口管道的連接要求；

(2)借鑒俄羅斯標準，建議Q/SY GD0028規定泵修理后試運行時間、泵葉輪切削量；

(3)借鑒俄羅斯標準，建議GB 50253補充完善泵房通風方式，以及通風系統檢驗周期和控制邏輯關系；

(4)借鑒俄羅斯標準，建議Q/SY GD0028補充完善泵運行控制參數、禁止啟動泵的情形、泵緊急停車的情形、泵基礎下陷情況監測、泵檢測維修周期和評估泵容許汽蝕余量等內容；

(5)建議進一步研究API Std 682中使用水、丙烷、20%氫氧化鈉溶液和煤油四種介質測試密封是否合格的試驗程序的適用性；

(6)借鑒美國標準，建議針對軸承箱和泵軸分別進行振動幅度和速度的限制，以及超出泵額定工作區情況下泵振動的允許增加值。(作者單位：中石化勝利油田采油工程處)

參考文獻

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[2] 游天明. 蘇爾壽泵機組故障分析與處理[J]. 中國設備工程, 2009, (10): 23-25.

[3] 王曙光, 劉聚昌. 淺談輸油泵的使用管理[C]. 第一屆石油裝備學術交流年會, 張家界, 1996年7月, 44-49.

Corrosion Analysis of Sealed-production Plug for Y-tool in Bohai oilf i eld

XING Si-jun, YAN Hua-yun, ZHANG Ying, MA Kui-ju
(CNOOC-ETS-Oilf i eld Technology Services Co. 300452, Tianjin China)

Sealed-production plug for Y-tool is used in Y-production string in the Bohai oil fi eld that was corroded in the work process. Corrosion cause analysis were studied such as temperature, pressure, oilfield produced water, CO2, H2Sand installation etc. They were observed and analyzed using LPR, CMAS and Weight loss test method. Solutions were offered as well which can deal with similar problems.

sealed-production plug for Y-tool; crevice corrosion; linear polarization resistance(LPR); coupled Multi-electrode arrays Sensors (CMAS)

TE98

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0079-05

1008-7818(2014)03-0079-05

邢四駿，男，工程師，主要從事油氣田開發工作。