注氮氣井井下設備腐蝕原因分析及相應對策

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(中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，烏魯木齊 830011)

注氮氣井井下設備腐蝕原因分析及相應對策

許艷艷,侯帆,丁保東,肖雯雯,劉冬梅

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊830011)

塔河油田采用注氮工藝后井下設備發(fā)生了嚴重腐蝕。為確定造成腐蝕的主要原因，采用掃描電鏡、X射線衍射儀和能譜儀等對井下腐蝕產物進行分析。結果表明：腐蝕產物中的元素以Fe和O為主，主要成分為Fe3O4，注氮工藝過程中夾帶的氧氣是造成腐蝕的主要因素；根據氧的腐蝕機理，提出了針對氧腐蝕的對策，如改變制氮方式控制氧含量，選擇合適材料，對井下金屬設備采用涂層、緩蝕劑、陽極保護等防腐蝕方法。

注氮氣；腐蝕；氧；防護

Abstract： The down-hole device was corroded seriously after application of nitrogen injection technology in Tahe oil field. In order to determine the corrosion reasons, the down-hole corrosion products were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show that the main elements of corrosion product were Fe and O, and the main composition was Fe3O4. Oxygen carried in nitrogen injection process was the main corrosion reason of the device. According to the corrosion mechanism of oxygen some countermeasures to control oxygen corrosion were proposed, such as changing the nitrogen production method to control the content oxygen, choosing proper materials, and corrosion protection of coating, inhibitor and anodic protection.

Keywords： nitrogen injection; corrosion; oxygen; protection

注氮工藝是提高采收率的主要方法之一。從2013年6月開始，塔河油田大規(guī)模采用了注氮工藝來提高產量，此工藝的實施使塔河油田的石油采收率獲得了不斷的提升。但在此工藝實施及后續(xù)生產過程中，井下油管、柱塞和抽油桿等設備出現不同程度的腐蝕結垢現象，這不僅影響油田正常生產，也增加了生產成本，腐蝕已成為該技術在現場應用中急需解決的問題。

1 塔河油田注氮氣工藝概況

塔河油田注氮工藝主要應用膜制氮設備，注氣壓力23 MPa，井口溫度30 ℃，氮氣純度約為95%，氧含量約為5%(質量分數)。圖1為塔河油田制氮、注氮工藝流程圖。

由于單獨注氮氣時壓力過高，因此在高壓匯管處以三通接入鹽水，進行氣水混注，以保證注入壓力在安全范圍之內。平均單井注氣量為50×104m3，氣水體積比為 300∶1～600∶1，注入的鹽水具有高礦化度、高Cl-含量、低pH等顯著特點，且具有較強的腐蝕性。注入鹽水的離子分析數據見表1，pH為6.0。

表1 注入鹽水的離子含量Tab. 1 Ion concentrations in injected brine mg/L

2 腐蝕原因分析

在分析井下設備腐蝕結垢產物的基礎上，結合注氮工藝現場工況條件，對腐蝕原因進行綜合分析。

2.1 腐蝕產物分析

2.1.1 宏觀形貌觀察

實施氮氣和鹽水混注工藝的某單井，油管和抽油桿表面發(fā)生了較嚴重的腐蝕結垢現象，如圖2所示。產物以黑色、紅褐色為主，且油管內壁被黑色腐蝕結垢堵塞。

圖2 注氮氣井發(fā)生腐蝕結垢的油管Fig. 2 The corroded tubing in nitrogen injection well

取油管內壁腐蝕產物進行分析，結果表明，此腐蝕產物主要為黑色無定形的碎塊狀物，表面被原油覆蓋，洗油后為灰黑色碎塊和粉末狀物，形貌如圖3所示。

圖3 某井腐蝕結垢產物洗油前后形貌Fig. 3 Morphology of corrosion product before and after washing off oil

2.1.2 微觀形貌觀察

采用掃描電鏡觀察洗油后腐蝕產物的微觀形貌。結果表明，洗油后腐蝕產物不同部位的結構稍有不同，有的呈不規(guī)則的碎塊狀，有的呈層疊狀，如圖4所示。

(a) 碎塊狀結構

(b) 層疊狀結構圖4 洗油后腐蝕產物SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of corrosion product after washing off oil: (a) fragmental structure; (b) laminated structure

2.1.3 能譜分析

由表2所示EDS能譜分析結果可見：腐蝕產物以O、Fe、C為主，并含少量Cl、Ca、Mn、Si、Na等元素，腐蝕產物中氧元素含量較高，說明在高溫高壓的條件下，溶解氧是造成腐蝕的主要因素。

表2 油洗后腐蝕產物EDS能譜分析結果Tab. 2 EDS analysis results of corrosion product after washing off oil

2.1.4 X射線衍射分析

對洗油后腐蝕產物進行XRD分析，并計算各相含量，結果如表3所示。從表3可見，腐蝕產物中含有Fe3O4，石鹽(NaCl),石英(SiO2)及少量方解石(CaCO3)。其中，Fe3O4的質量分數占61%，腐蝕產物主要以鐵的氧化物形式存在說明腐蝕是在低氧環(huán)境中發(fā)生的[1]。

表3 腐蝕產物XRD分析結果(質量分數)Tab. 3 XRD analysis results of corrosion product (mass) %

2.2 氧腐蝕影響研究

由于注入的氮氣中氧含量較高(質量分數約5%)，在與高礦化度鹽水共存的環(huán)境中，氧進入水溶液并遷移到金屬表面發(fā)生還原反應。這一過程包括以下四個步驟(如圖5所示)：氧穿過氣/液界面進入水溶液；在水溶液對流作用下，氧遷移到金屬(陰極)表面附近；在擴散層范圍內，氧在濃度梯度作用下擴散到金屬表面；在金屬表面氧分子發(fā)生還原反應(即氧的離子化反應)。

圖5 氧向金屬表面遷移過程Fig. 5 The process of oxygen migration to metal surface

通常情況下，溶解氧向金屬表面的輸送使腐蝕過程得以持續(xù)，由于溶解氧只能以擴散這種傳質方式通過擴散層，因此這個步驟是決定腐蝕快慢的關鍵所在，即控制步驟。在注氮過程中氣體不斷地注入，井下的氧氣得到源源不斷的補充，使其可以持續(xù)擴散到金屬表面，引起油管的腐蝕。

氧氣的引入對腐蝕起加速作用，即使在氧含量非常低(<1 mg/L)的情況下，也能導致油管的嚴重腐蝕。在油氣田的開采過程中，一旦在生產系統(tǒng)中帶入氧氣，將會給生產系統(tǒng)帶來較難控制的腐蝕，直至帶入的氧氣全部消耗完為止，所造成的危害程度取決于帶入的氧含量，對后續(xù)的生產過程也有較大的影響[2]。

氧氣易造成沉積物下的局部腐蝕。氧腐蝕產物在金屬表面沉積從而導致沉積物下局部腐蝕的發(fā)生，這是造成腐蝕破壞的主要原因。其危害程度比均勻腐蝕嚴重得多。

沉積物下局部腐蝕產生的機理是由于金屬表面腐蝕產物的不完整附著和其他沉積物的堆積等造成了金屬表面不同部位的氧含量存在嚴重差異，從而形成了氧濃差電池，如圖6所示。

圖6 氧濃差電池引起的沉積物下局部腐蝕模型Fig. 6 The model of localized corrosion under sediment by oxygen concentration cell

氧濃差電池一旦形成，在貧氧溶液區(qū)域的金屬表面，氧的陰極還原電流密度遠小于金屬陽極溶解(腐蝕)電流密度；在富氧溶液區(qū)域的金屬表面，氧的陰極還原電流密度則大于金屬陽極溶解(腐蝕)電流密度。隨著腐蝕過程的持續(xù)進行，最終導致閉塞陽極區(qū)的局部腐蝕穿孔。

3 對策

解決注氮氣井下腐蝕問題的關鍵在于如何控制氧腐蝕，針對氧腐蝕問題，提出以下防護對策：

(1) 改進現用制氮方法或采用注液氮等純度較高的氮氣，從根本上解決現有腐蝕問題。

(2) 根據氮氣與鹽水混注工藝特殊的井下環(huán)境，選擇合適的耐蝕材料，延長井下設備使用壽命。

(3) 通過非金屬涂層、內襯陶瓷涂層、Ni-P鍍層、鎢合金鍍層等技術，將井下油管、套管等設備與腐蝕介質隔離，達到防止氧腐蝕的目的。

(4) 使用緩蝕劑、緩蝕阻垢劑或除氧劑等化學藥劑，減緩腐蝕速率。除氧劑可以消耗注氮氣時帶入的氧氣;緩蝕劑可以在金屬表面形成一層保護膜，從而達到減緩腐蝕的目的，且此方法具有效率高、適應性強、經濟性好等優(yōu)點[3]。

(5) 采用緩蝕劑與犧牲陽極共同保護[4]。這兩種方式互相促進，緩蝕劑可有效減少犧牲陽極消耗量，在井筒有限空間內延長陽極的使用時間，而犧牲陽極可以彌補緩蝕劑高溫緩蝕效果差的缺點。

[1] 徐松,吳欣強,韓恩厚,等. 硫和溶解氧含量對低合金鋼高溫高壓水腐蝕疲勞性能的影響[J]. 腐蝕與防護,2010,31(11):825-828.

[2] 張江江. 氣液環(huán)境下注氮氣井管道腐蝕因素和機理研究[J]. 科學技術與工程,2014,14(29):9-14.

[3] 李淑華,朱晏萱. 井下油管的腐蝕防護[J]. 油氣田地面工程,2007,26(12):45.

[4] 林偉民,李雪峰,陳秀玲,等. 注空氣泡沫驅油過程中的腐蝕與防護研究[J]. 油田化學,2010,27(3):342-345.

Corrosion Analysis of Down-Hole Device in a Nitrogen Injection Well and Relevant Countermeasures

XU Yanyan, HOU Fan, DING Baodong, XIAO Wenwen, LIU Dongmei

(Northwest Oilfield Branch, SINOPEC, Urumqi 830011, China)

10.11973/fsyfh-201710015

TE983

B

1005-748X(2017)10-0815-03

2015-09-06

許艷艷(1985-)，工程師，碩士，從事油氣田腐蝕與防護研究，15719994710，xuyaner@163.com