塔河油田注氣井井筒氧腐蝕機(jī)理研究

祁麗莎，陳明貴，王小瑋，何夢瑩，汪偉英，張公社

1.中國石油新疆油田勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100

3.中國石油新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000

塔河油田注氣井井筒氧腐蝕機(jī)理研究

祁麗莎1，陳明貴2，王小瑋3，何夢瑩2，汪偉英2，張公社2

1.中國石油新疆油田勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100

3.中國石油新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000

塔河油田縫洞型油藏采用氮?dú)怛?qū)可有效提高剩余油的采出程度，但注入的氮?dú)庵泻?%～5%的氧氣，使得井筒腐蝕嚴(yán)重。采用失重法、EIS極化曲線法和電化學(xué)阻抗法研究了塔河油田在注氮?dú)馓岣卟墒章蕳l件下的氧腐蝕特點(diǎn)，得到了腐蝕速率、腐蝕阻抗譜和腐蝕動力學(xué)曲線。研究表明，腐蝕速率隨著溫度和壓力的增加而增加，腐蝕速率在井深2 500 m處達(dá)到了0.446 mm/a；注氣柱塞泵下入井深1 818 m時(shí)，泵經(jīng)過117 h工作后已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)物全充滿，這與現(xiàn)場的檢泵周期基本吻合。據(jù)此建議塔河油田注氣抽油泵下入深度應(yīng)不超過2 500 m；注氣井筒在燜井過程中應(yīng)加入除氧劑，并可以考慮用稀油代替水作為頂替液。

氮?dú)怛?qū)；氧腐蝕；注氣柱塞泵；抽油泵

塔河油田縫洞型油藏單井定容體殘丘高部位富集大量剩余油，注氮?dú)饽苡行岣哌@部分剩余油的采出程度，應(yīng)用前景廣闊[1]。現(xiàn)場使用的氮?dú)馔ㄟ^膜吸附分離空氣得到，其中含有2%～5%的氧，采用氣水混注的方式注入。現(xiàn)場應(yīng)用表明井筒腐蝕嚴(yán)重，油套管發(fā)生穿孔斷裂，不僅破壞了井筒的完整性，還嚴(yán)重影響管材設(shè)備的使用壽命。塔河油田地層水為CaCl2水型，具有高Cl-、高礦化度、低pH值的特征，腐蝕性強(qiáng)，隨著溶解氧含量的升高，腐蝕速率呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢。關(guān)于氧腐蝕及腐蝕結(jié)垢預(yù)測方法的研究目前國內(nèi)外尚少見文獻(xiàn)詳細(xì)報(bào)道，為了降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，研究塔河地層條件下氧腐蝕特點(diǎn)，為現(xiàn)場防腐提供指導(dǎo)，具有重要意義[2]。

1 氧腐蝕機(jī)理

氧在質(zhì)量濃度非常低的情況下（＜1 mg/L）就能引起金屬嚴(yán)重腐蝕[3]。氧的腐蝕機(jī)理如下：

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

氧能急劇加速腐蝕，原因有兩個：

（1）由于氧氣的去極化作用，容易與陰極附近的氫離子結(jié)合，消耗掉陰極附近的電子使反應(yīng)速率加快。

（2）當(dāng)pH大于4時(shí)，亞鐵離子易氧化形成氧化物保護(hù)膜將金屬保護(hù)起來，但是注入水中的Cl-發(fā)生式（2）反應(yīng)，導(dǎo)致pH值降低，干擾了保護(hù)膜的形成，腐蝕速率大大加快，造成腐蝕穿孔。腐蝕速率將隨著氧氣濃度的增大而繼續(xù)加快[4-5]。

2 腐蝕試驗(yàn)方法

2.1 靜態(tài)失重法

根據(jù)JB/T 7901-1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》、NACE TM-01-71《高壓釜腐蝕試驗(yàn)方法》、中國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評價(jià)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕速率的計(jì)算公式如下：

式中：Vcorr為腐蝕速率，mm/a；W1、W2為腐蝕前后的鋼片質(zhì)量，g；A為試樣的暴露面積，cm2；t為試驗(yàn)時(shí)間，h；ρ為試樣的密度，g/cm3，P110S鋼片的密度取值7.85 g/cm3。

2.2 電化學(xué)測試法[6]

電化學(xué)測試采用CS350電化學(xué)工作站，采用傳統(tǒng)的三電極體系。參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為P110S掛片加工而成。將電化學(xué)測試用四口燒瓶放入恒溫磁力攪拌器上，裝上三電極測試系統(tǒng)和通氧系統(tǒng)，調(diào)節(jié)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為40 r/min[7]。極化曲線的生成使用電化學(xué)工作站自帶的Corrtest軟件，選擇動電位掃描法功能，掃描幅度為-150～+150 mV，采樣頻率2 Hz。待體系的自腐蝕電位穩(wěn)定后，記下自腐蝕電位，開始電位掃描，掃描速度為0.166 mV/s，使用pH-3C型pH計(jì)檢測體系，腐蝕測試中使用質(zhì)量濃度為0.1 mol/L的乙酸或0.1 mol/L的碳酸鈉溶液維持體系的pH值，為6.2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同溫度下的腐蝕速率

由圖1的通氧條件下腐蝕速率EIS電化學(xué)極化曲線看出，腐蝕電流隨著溫度的增加而增加，在60℃出現(xiàn)拐點(diǎn)，腐蝕速率增大。結(jié)合電化學(xué)腐蝕阻抗圖2中60℃金屬腐蝕阻抗圖出現(xiàn)兩個容抗弧的事實(shí)，說明體系發(fā)生了新的化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)中觀察到腐蝕掛片上生成黑色的垢，這是由地層水中的硫化氫形成的硫化亞鐵，它加快了腐蝕電化學(xué)反應(yīng)速度。

圖1 常壓下不同溫度地層水中腐蝕速率EIS曲線

圖2 常壓下不同溫度地層水中腐蝕阻抗Nyquist圖

3.2 不同井深下井筒的腐蝕速率

取塔河油田井溫梯度2.2℃/100 m，地面溫度20℃進(jìn)行井深折合計(jì)算。從高溫高壓腐蝕數(shù)據(jù)看（見表1），腐蝕速率在井深2 500 m以后劇增，井越深腐蝕程度越大。為了減少抽油泵的腐蝕，塔河注氣抽油泵下入深度應(yīng)不超過2 500 m。。

表1 不同深度井筒的腐蝕速率

3.3 井筒中注氣泵的工作時(shí)間

試驗(yàn)表明，腐蝕產(chǎn)物一部分生成致密的鐵銹附著于P110S掛片表面，另一部分形成黃色的水垢沉積在水溶液中，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物占腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物的1/5。定義泵的充滿系數(shù)η，見公式（6）。

當(dāng)泵的充滿系數(shù)η＜1時(shí)，認(rèn)為泵可工作，在60℃、20 MPa條件下（折合井深1 818 m） 注氣泵的腐蝕結(jié)垢趨勢見圖3。

圖3 在60℃、20 MPa條件下注氣泵的腐蝕結(jié)垢趨勢

從圖3可看出，在塔河注氣條件下，柱塞泵下入1 818 m時(shí)，泵經(jīng)過117 h工作后已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)物全充滿。這與現(xiàn)場的檢泵周期5～7 d基本吻合。隨著井深增加，腐蝕速率增加，為了使泵的活塞能正常工作，注氣泵下入井筒中的工作時(shí)間就要縮短。

3.4 腐蝕產(chǎn)物分析

對塔河注氣井筒中腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析，XRD譜圖[4]見圖4，絮狀的腐蝕產(chǎn)物主要由FeO（OH）、Fe3O4、α-Fe2O3和FeS組成。該腐蝕產(chǎn)物為疏松多孔的物質(zhì)，與基體的附著能力差，易被腐蝕介質(zhì)穿透。

圖4 井筒內(nèi)腐蝕產(chǎn)物XRD譜圖

3 結(jié)論與建議

（1）塔河油田注氣井氧腐蝕嚴(yán)重，電化學(xué)腐蝕的EIS曲線表明，腐蝕隨著溫度的增加而增加，在60℃以上時(shí)腐蝕電化學(xué)反應(yīng)加快。

（2）塔河注氣氧腐蝕隨著壓力的增加而增加，腐蝕速率在井深2 500 m以下劇增，井越深腐蝕程度越大。為了減少抽油泵的腐蝕，塔河注氣抽油泵下入深度應(yīng)不超過2 500 m。

（3）結(jié)合塔河注氣條件下腐蝕動力學(xué)計(jì)算，柱塞泵下入1 818 m時(shí)，泵經(jīng)過117 h后已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)物全充滿，這與現(xiàn)場的檢泵周期5～7 d基本吻合。

（4）在注氣結(jié)束后需要用水做頂替液，燜井過程中氧在水相環(huán)境下與油管接觸，促進(jìn)了腐蝕結(jié)垢。因此建議注氣井筒在燜井過程中加入除氧劑，并可以考慮用稀油代替水作為頂替液。

[1]惠健，劉學(xué)利，汪洋，等.塔河油田縫洞型油藏注氣替油機(jī)理研究[J].鉆采工藝，2013，36（2）：55-57.

[2]王娜，盧志強(qiáng)，石鑫，等.塔河油田氧腐蝕防治技術(shù)[J].腐蝕研究，2013，27（8）：48-50.

[3]王磊，明銳，王新虎，等.S135鉆桿鋼在鉆井液中的氧腐蝕行為[J].石油機(jī)械，2006，34（1）：1-4.

[4]曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5]CHOI YS，DUAN D，NESIC S，et al.Effect of Oxygen and Heat Stable Salts on the Corrosion of Carbon Steelin MDEA-Based CO2Capture Process [J].Corrosion，2010，66（ 12）：125004-1-10.

[6]XIANG Y，CHOI Y S，YANG Y，et al.Corrosion of Carbon Steel in MDEA-BasedCO2Capture PlantunderRegenerator Condition：Effect of O2and HSS[J].Corrosion，2015，71（1）：30-37.

[7]ROSLIN，CHOIY，YOUNG D.Impact of Oxygen Ingress in CO2Corrosion of Mild Steel[C]//NACE Corrosion Conference，March 9-13，2014.San Antonio，Texas，U.S.A.：NACE，2014：Paper No.4299.

Study of Oxygen Corrosion Mechanism in Wellbore Tube for Gas Injection in Tahe Oilfield

QILisha1，CHEN Minggui2，WANG Xiaowei3，HE Mengying2，WANG Weiying2，ZHANG Gongshe2
1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China
2.College of Petroleum Engineering，Yangtz University，Wuhan 430100，China
3.Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China

Due to 2% ～5%oxygen content in injection nitrogen gas for EOR of fracture-cavity type reservoir in Tahe Oilfield，wellbore tube suffers heavy corrosion.Weight-loss method，EIS polarization curve method and electrochemical impedance method are applied in studying the oxygen corrosion characteristics.And the corrosion rate curves，corrosion resistance spectrum and corrosion dynamic curve are obtained.The research results show that the corrosion rate increases with the increment of temperature and pressure，and reaches 0.446 mm/a in the wellbore depth of 2 500 m；After working for 117 h in the wellbore depth of 1 818 m，the piston pump is fully filled with corrosion products，which is basically in coincidence with the pump inspection period.It is suggested that the working depth of the piston pump used in Tahe Oilfield should not be more than 2 500 m；Deoxidizer should be added into the gas injection wellbore during soaking process，and thin oilcan be considered to replace water as displacement liquid.

nitrogen flooding；oxygen corrosion；gas injection piston pump；oilpump

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.016

中石化西北局“縫洞型油藏注氣提高采收率技術(shù)研究”，編號：2014H1121；國家自然青年科學(xué)基金“Gemini表面活性劑對原油-水界面性質(zhì)的影響”，編號：51404039；國家自然青年科學(xué)基金“基于溫敏聚合物的水基鉆井液體恒流變特性研究”，編號：51404040。

祁麗莎（1988-），女，河北行唐人，助理工程師，2014年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事油田提高采收率方面的科研工作。Email：592826441@qq.com

2016-07-15