人工運移井套管防腐蝕研究及壽命預測

蔡鎖德,趙國仙,繆 建,劉思佳

(1. 中國石化西南油氣分公司，成都 610081； 2. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司,西安 710065)

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人工運移井套管防腐蝕研究及壽命預測

蔡鎖德1,趙國仙2,繆 建1,劉思佳1

(1. 中國石化西南油氣分公司，成都 610081； 2. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司,西安 710065)

通過模擬人工運移井封堵完好和封堵泄漏兩種腐蝕工況，評價不同添加量下兩種緩蝕劑HYF-01和HSJ-JL-01對N80套管鋼的緩蝕效果，并計算了N80套管耐腐蝕壽命，篩選出滿足套管15 a封堵年限要求的緩蝕劑及最佳添加量。結果表明：封堵完好情況下，HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑的添加量為0.1%(質量分數，下同)時，緩蝕效果相對較好；封堵泄漏情況下，HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑的添加量為1.0%時，緩蝕效果相對較好。經過計算可知：添加0.5%和1.0%的HYF-01均能滿足套管15 a封堵年限要求。

緩蝕劑；套管鋼； 均勻腐蝕；壽命預測

為提高產氣量，某氣田采取自流注氣的增產措施，即：利用氣藏層之間的壓差，將能量較高的天然氣通過人工運移井直接注入到能量較低的氣藏層(開采層)中，達到補充地層能量的目的,見圖1。

自天然氣生產井生產時，人工運移井將暫時封堵，封堵年限要求為15 a。不同儲層連通后，為了保證地下流體不往上竄，棄井作業(yè)非常關鍵，在油氣藏枯竭后，需要重新找回原來的井眼，進行永久性棄井作業(yè)。因此，人工運移井暫時封堵時，需確保封堵井筒的完整性。國內外實踐經驗表明，加注緩蝕劑是經濟可靠又十分靈活的腐蝕控制方法，在油氣井中應用廣泛[1-4]。因此，為確保封堵期間井筒的完整性需對井筒加注緩蝕劑。本工作采用高溫、高壓腐蝕模擬試驗[5-6]，評價不同種類緩蝕劑的緩蝕效果，并結合腐蝕速率與套管受力，預測套管的腐蝕壽命，旨在為套管防腐蝕及現場緩蝕劑的篩選和應用提供技術支撐。

1　試驗

1.1試驗材料及緩蝕劑

試驗材料為N80套管鋼，其化學成分(質量分數/%)為：C 0.33，Mn 1.41，Mo 0.002，Cr 0.010，Ni 0.008，Cu 0.007，Si 0.26，P 0.014，S 0.006，滿足API SPEC 5CT-2012標準要求，組織為回火索氏體，將試驗鋼加工成尺寸為50 mm×10 mm×3 mm的試樣。

選用的腐蝕介質為某油田現場取回的海水。選用的緩蝕劑為HYF-01和HSJ-JL-01，添加量(體積分數，下同)分別為0.1%，0.5%，1.0%。

1.2試驗設備

高溫、高壓腐蝕試驗選用C276磁力驅動高溫高壓反應釜，用BS124S電子天平(精度0.1 mg)稱取試樣腐蝕前后的質量，JSM-6390A掃描電鏡觀察試樣微觀形貌。

1.3試驗方法

試驗前，分別用320號至1 200號砂紙逐級打磨試樣表面以消除機加工的刀痕，然后試樣依次經清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱量，再將試樣相互絕緣,安裝在特制的試樣架上，放入高壓釜內的腐蝕介質中。高壓釜先通入高純氮氣2 h除氧，然后，升溫到要求值，通入試驗要求的氣體到設定值。試驗結束后，將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質,無水乙醇脫水后，冷風吹干，用濾紙包起，放入干燥皿中待用。

用清洗液將試樣表面的腐蝕產物去除。其中，空白試樣的清洗液由鹽酸(密度1.19 g/cm3)1 L、三氧化二銻20 g、氯化亞錫50 g[7]組成。添加緩蝕劑后試樣的清洗液為鹽酸(分析純)100 mL、六亞甲基四胺(分析純)5～10 g,加水稀釋到1 000 mL[8]。

酸洗后的試樣立即在自來水中沖洗，并在飽和碳酸氫鈉溶液中浸泡2～3 min進行中和處理，之后用自來水沖洗并用濾紙吸干,再置于無水乙醇或丙酮中浸泡3～5 min脫水。試樣脫水后，冷風吹干，用BS124S電子天平(精度0.1 mg)稱量并用式(1)計算其腐蝕速率。

(1)

式中：vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；Δm為試樣的質量損失，g；ρ為材料密度，g/cm3；t為試驗時間，d；S為試樣表面積，mm2。

緩蝕率計算公式為:

(2)

式中：η為緩蝕率；v空白為未添加緩蝕劑時材料的均勻腐蝕速率，mm/a；v加樣為添加緩蝕劑后材料的均勻腐蝕速率，mm/a。

1.4試驗條件

封堵完好時，井筒和環(huán)空內無腐蝕性氣體；封堵泄漏時，井筒內會涌入腐蝕性氣體CO2。具體試驗條件如表1所示。

表1　兩種試驗條件下的參數

2　結果與討論

由表2可見，封堵完好情況下，與空白試驗相比，添加緩蝕劑N80套管鋼的均勻腐蝕速率均明顯減小，且隨著緩蝕劑添加量的增大，均勻腐蝕速率并沒有減小，說明當緩蝕劑體積分數為0.1%時已達到飽和狀態(tài)。根據NACE Standard SP0775-2013[9]標準可以判斷：在空白試驗條件下，N80套管鋼屬于嚴重腐蝕，當添加0.1%的HYF-01和HSJ-JL-01后，均勻腐蝕程度均降低為輕度腐蝕。封堵完好時，兩種緩蝕劑的添加量為0.1%時，N80套管鋼的均勻腐蝕速率最低。

表2　不同試驗條件下N80套管鋼的均勻腐蝕速率和緩蝕率

由表2還可見,封堵泄漏情況下，相比空白試驗，添加緩蝕劑后，N80套管鋼的均勻腐蝕速率均明顯減小，且隨著添加量的增大，均勻腐蝕速率繼續(xù)減小。根據NACE Standard SP0775-2013[9]標準可以判斷：在空白試驗條件下，N80套管鋼的均勻腐蝕程度屬于極嚴重腐蝕，添加1.0% HYF-01后，均勻腐蝕程度降低為中度腐蝕。封堵泄漏時，兩種緩蝕劑的添加量為1.0%時，N80套管鋼的均勻腐蝕速率最低。

由圖2可見，封堵完好情況下，相比空白試驗，添加緩蝕劑后，試樣表面均勻腐蝕程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但是仍存在點蝕。由圖3可見，封堵泄漏情況下，相比空白試驗，添加1.0% HYF-01后，試樣表面均勻腐蝕明顯程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但有輕微點蝕，而添加1.0% HSJ-JL-01后，試樣表面均勻腐蝕程度有所減輕，但仍存在嚴重的點蝕。

點蝕的誘發(fā)位置往往與表面結構的不均勻性有關[10]。由于金屬表面腐蝕產物膜不是均勻和完整的，在較薄弱的地方，金屬離子表現出較強的空余成鍵能力，吸附較多的Cl-，取代表面腐蝕產物膜中的陰離子，使腐蝕產物膜破裂甚至局部溶解而顯露出金屬基體[11]。

由于緩蝕劑的緩蝕機理在于成膜，故迅速在金屬表面上形成一層密而實的膜，乃是獲得良好緩蝕效果的關鍵。緩蝕劑含量較低時，隨其添加量的增大，緩蝕劑在金屬上的吸附率逐漸增大，腐蝕速率減小[12]。在封堵泄漏情況下，隨著HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑含量的增大[13-16]，N80套管鋼的均勻腐蝕速率減小。

但隨緩蝕劑在金屬表面覆蓋度(θ)的增大，吸附層粒子間的作用力有可能從引力變?yōu)槌饬Γ创嬖讦绒D(由引力變?yōu)槌饬r的覆蓋度)。當θ<θ轉時，影響緩蝕劑吸附的主要因素是金屬表面的不均勻性；當θ>θ轉時，影響緩蝕劑吸附的主要因素為吸附分子間的相互作用力。在封堵完好情況下，隨著兩種緩蝕劑含量的增大，均勻腐蝕速率反而增大。這是因為緩蝕劑含量已達到飽和(覆蓋率為1)，此時緩蝕劑分子之間的作用力會影響緩蝕劑分子與電極之間的吸附，因此會出現腐蝕速率增大的現象。

3　腐蝕壽命預測

套管在服役期間會接觸各種流體，這些流體會對套管材料造成腐蝕，其結果是使管體有效厚度減薄，套管承載力降低，最后失效[17]。套管服役環(huán)境惡劣，腐蝕的影響因素很多，各種因素的共同及交互作用，更容易導致或加劇套管的腐蝕[18-19]。因此在計算套管壽命時不能單純考慮腐蝕的作用，而應同時考慮受力和腐蝕因素。

根據試驗結果，選取腐蝕嚴重的情況(封堵泄漏)進行腐蝕壽命預測。套管水泥固井后，不考慮軸向拉伸作用，因此，在進行壽命計算時，僅考慮內壓和外擠作用。本工作中，在封堵井的套管內外壁均使用同樣的緩蝕劑，因此，假設套管內、外壁同時發(fā)生均勻腐蝕，則腐蝕壽命預測時，套管壁厚減薄量按試驗結果的兩倍計算。

腐蝕壽命預測方法[20-23]如下：(1) 計算剩余壁厚(原始壁厚減去2倍的腐蝕速率與套管服役時間的乘積)。(2) 根據剩余壁厚進行套管強度校核，計算得到抗內壓安全系數和抗外擠安全系數。若兩者均大于標準要求值，則強度滿足要求，若其中一個安全系數小于標準要求值，則套管強度不滿足要求。(3) 進行強度校核時，當抗內壓安全系數或抗外擠安全系數等于標準要求值時，此時的套管的使用時間即為套管的腐蝕壽命。

N80套管鋼規(guī)格為339.725 mm×12.7 mm，下深至1 500 m。強度校核要求：抗內壓安全系數≥1.125，抗外擠安全系數≥1.10[24]。

根據式(3)～式(16)計算抗外擠安全系數。

屈服擠毀強度：

當(Dc/δ)≤(Dc/δ)yp時,

(3)

(4)

A=2.876 2+1.548 85×10-4Yp+

(5)

(6)

(7)

式中：Dc為套管外徑；δ為套管壁厚；(Dc/δ)yp為屈服擠毀與塑性擠毀交點的徑厚比；p∞為抗擠強度；Yp為屈服強度。

塑性擠毀強度：

當(Dc/δ)yp≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)pt時,

(8)

(9)

(11)

式中：(Dc/δ)pt為塑性擠毀與過渡擠毀交點的徑厚比。

過渡擠毀強度：

當(Dc/δ)pt≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)te時,

(12)

(13)

式中：(Dc/δ)te為過渡擠毀與彈性擠毀交點的徑厚比。

彈性擠毀強度：

當(Dc/δ)≥(Dc/δ)te時，

(14)

套管內和環(huán)空中加入的是海水和緩蝕劑，因此對套管有效外壓力為:

(15)

(16)

式中：pce為有效外壓力；ρ為海水密度；h為計算點的深度；Sc為抗外擠安全系數。

根據式(17)～式(19)計算抗內壓安全系數。

抗內壓強度：

(17)

(18)

(19)

式中：pbo為抗內壓強度；pbe為有效內壓力，即封堵井內液體的內壓；Si為抗內壓安全系數。

圖4為計算得到的不同條件下N80套管鋼的耐腐蝕壽命。由圖4可見，添加0.5%和1.0%的HYF-01能夠滿足套管15 a的耐腐蝕壽命要求。

4　結論

(1) 封堵完好情況下，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均較低，增大添加量，均勻腐蝕速率反而增大。說明在該腐蝕環(huán)境中， 添加0.1%緩蝕劑時已達到飽和狀態(tài)。

(2) 封堵泄漏情況下，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均有所減小，且增大添加量，均勻腐蝕速率繼續(xù)減小。

(3) 結合均勻腐蝕速率和強度，計算得到添加0.5%和1.0%的HYF-01能夠滿足套管15 a的耐腐蝕壽命要求。

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Anti-corrosion and Life Prediction of Artificial Migration Well Casing

CAI Suo-de1, ZHAO Guo-xian2, MIU Jian1, LIU Si-jia1

(1. Sinopec Southwest Branch Company, Chengdu 610081， China；2. Xi′an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co., Ltd., Xi′an 710065， China)

By stimulating plugging soundness and plugging leakage, the corrosion inhibition of two kinds of inhibitor, HYF-01 and HSJ-JL-01, in different contents was evaluated, and the anti-corrosion life of N80 casing steel was calculated to choose the inhibitor and its best content to meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years. The results show that the best content was 0.1% (mass fraction ) for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging soundness, and was 1.0% for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging leakage. Adding 0.5% and 1.0% HYF-01 could meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years.

inhibitor； casing steel； uniform corrosion； life prediction

10.11973/fsyfh-201604015

2015-10-29

蔡鎖德(1964-)，高級工程師，本科，從事油氣田開發(fā)，18583378968，caisd1964@163.com

TG174

A

1005-748X(2016)04-0340-05