含CO2天然氣井筒腐蝕速率評價方法研究及應用*

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430000)

氣井生產中的腐蝕問題嚴重影響了油氣田的安全和經濟效益，在含CO2和H2S的酸性天然氣中，腐蝕造成的損失尤為突出。井筒腐蝕速率以及緩蝕劑的性能評價對氣井的腐蝕防護非常關鍵，常規評價裝置雖然考慮了高溫、高壓條件下地層流體對井筒造成的腐蝕，但無法模擬氣體流動對井筒腐蝕的影響。此外，掛片和腐蝕介質的接觸方式對腐蝕速率也有影響。為了模擬氣井在實際過程中的腐蝕環境，設計了一種能夠模擬氣體流動過程的高溫、高壓動態腐蝕評價裝置。該裝置可以控制反應釜中掛片與試驗介質的接觸方式，使掛片在試驗介質中的位置處于完全浸沒、半浸沒和未浸沒狀態，同時在反應釜中可以實現氣體循環，以達到模擬氣井生產過程中井底存在積液時井筒不同部位的腐蝕情況。針對某區塊氣井的生產情況，利用該評價裝置，通過質量損失法對不同溫度和CO2分壓下N80和P110鋼在地層水中的腐蝕速率進行研究，形成了一種新的氣井CO2腐蝕評價方法。應用該方法對現有幾種緩蝕劑進行了評價，為含CO2天然氣田生產裝備的腐蝕與防護提供了試驗依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗儀器和材料

設計了SA-Ⅰ型高溫高壓動態腐蝕儀，其反應釜基體材料采用耐CO2腐蝕的316L不銹鋼，最大操作壓力35 MPa，最高操作溫度100 ℃。反應釜內部結構示意如圖1所示。動態腐蝕儀配有精度為0.1 mg的電子天平和精度為0.02 mm的游標卡尺。試驗所采用的化學試劑包括沸點60～90 ℃的石油醚、無水乙醇、純度99.999%的高純CO2氣體、用來配制掛片清洗液的六亞甲基四胺和質量分數為36%～38%的濃鹽酸。試樣為P110和N80鋼掛片，與現場氣井油套管材質相同。

圖1 反應釜結構示意

1.2 試驗條件

試驗所用的流體為地層水和天然氣，根據井口取樣分析結果模擬復配。其中地層水礦化度為67 611.36 mg/L，pH值為7.12，天然氣中CO2體積分數為0.28%。試驗溫度和壓力如表1所示。試驗周期為48 h,氣體循環速度為3 mL/min。

表1 試驗溫度和壓力

1.3 試驗步驟和流程

每種鋼材做兩個平行掛片試樣，用聚四氟材料將平行試樣隔開，保證試片之間以及試片和反應釜之間不接觸。腐蝕試驗后，采用質量損失法測算腐蝕速率。試驗流程示意如圖2所示。

圖2 試驗流程示意

1.3.1 掛片準備

用游標卡尺測量掛片的尺寸，重復3次取平均值后進行掛片面積計算。先將掛片用濾紙擦凈，然后放入盛有沸程為60～90 ℃石油醚的器皿中，用脫脂棉球除去掛片表面油脂，再放入無水乙醇中浸泡5 min，進一步脫脂和脫水。取出掛片放在濾紙上，用冷風吹干后再用濾紙將掛片包好，置于干燥器中，放置1 h后稱質量，精確至1 mg。

1.3.2 腐蝕試驗

在反應釜中加入350 mL地層水，然后將安裝有掛片的轉子放入反應釜中，調整反應釜至試驗溫度，調整轉子轉速至200 r/min。

1.3.3 氣體循環

打開抽真空閥門和真空泵，將反應釜抽真空30 min后,關閉抽真空裝置。打開下部進樣閥門，在試驗壓力下，通過恒速恒壓泵循環充入按CO2分壓配制的氣體，以模擬生產氣井中氣體流動，氣體循環速度為3 mL/min。

1.3.4 腐蝕速率與緩蝕率計算

當試驗進行48 h(試驗周期)時停止轉動，關閉加熱開關，冷卻至室溫，取出掛片用清洗液清洗后稱質量。按式(1)計算腐蝕速率，按式(2)計算緩蝕率。

(1)

(2)

式中：rc為均勻腐蝕速率，mm/a；m和m1分別是試驗前后的試片質量，g；S是掛片的總表面積，cm2；ρ是掛片的密度，g/cm3；t為反應時間，h；η1為緩蝕率，%；Δm0為空白試驗中試片的質量損失，g；Δm1為加藥試驗中試片的質量損失，g。

2 試驗結果和討論

2.1 腐蝕速率評價

根據腐蝕介質和掛片的接觸方式，將掛片在反應釜內部的腐蝕環境分為未浸沒狀態、半浸沒狀態和全浸沒狀態。不同腐蝕環境下P110和N80掛片的腐蝕速率曲線如圖3和圖4所示。

圖3 P110掛片的腐蝕速率

圖4 N80掛片的腐蝕速率

由圖3和圖4可以看出，隨著CO2分壓的增加，不同腐蝕環境下P110和N80鋼的腐蝕速率均增加。這是由于CO2的分壓影響了溶液的pH值，隨著CO2分壓的增大，溶液pH值下降，溶液中H+濃度增加，陽極腐蝕加劇。此外，腐蝕介質和掛片的接觸方式對腐蝕速率產生了顯著影響:進氣速度一定時，相同的溫度和壓力條件下，全浸沒的掛片腐蝕速率大于半浸沒掛片的腐蝕速率，處于未浸沒狀態的掛片腐蝕速率最小。通過對比相同環境下P110和N80鋼的腐蝕速率可以發現,P110鋼的腐蝕速率要大于N80鋼，即N80鋼的耐蝕性要優于P110鋼。

在28.05 MPa和89.54 ℃條件下，不同腐蝕環境下掛片未清洗時的腐蝕形貌如圖5所示。由圖5可以看出，腐蝕前的掛片呈銀白色，有金屬光澤；在不同腐蝕環境下，腐蝕后的掛片表現出不同的腐蝕形態:未浸沒的掛片產生了明顯的點蝕和坑蝕現象，而處于半浸沒狀態的掛片具有點蝕和均勻腐蝕的雙重特征，處于全浸沒狀態的掛片則表現為均勻腐蝕。未浸沒的掛片沒有和腐蝕介質接觸，屬于蒸汽腐蝕[12]。相關研究指出，蒸汽腐蝕環境與溶液中鋼表面產生的腐蝕產物相同，但是其含量不同[13]，這就導致了未浸沒掛片腐蝕形態的差異。

圖5 不同腐蝕環境下掛片腐蝕形貌

2.2 緩蝕劑評價

氣井生產中，緩蝕劑一般從油套環空中直接投入井底，因此緩蝕劑工作的溫度和壓力條件都接近原始地層溫度和壓力。幾種緩蝕劑的緩蝕率如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出，不同緩蝕劑對處于不同位置的掛片緩蝕效果不同。緩蝕劑對處于未浸沒位置的掛片的緩蝕效果要弱于部分浸沒和完全浸沒的掛片的緩蝕效果，對完全浸沒的掛片緩蝕效果最好。這是由于處于未浸沒和部分浸沒位置的掛片沒有和地層水直接接觸，導致緩蝕劑無法充分吸附在掛片表面上，少量的緩蝕劑分子只能依靠水蒸氣攜帶到上部和未浸沒的掛片表面接觸，因此影響了緩蝕效果。

圖6 幾種緩蝕劑對P110鋼的緩蝕率

圖7 幾種緩蝕劑對N80鋼的緩蝕率

3 結 論

(1)針對現有高溫、高壓腐蝕速率評價裝置的不足，根據氣井生產環境特點，設計了一套新型的、安全可靠的CO2腐蝕速率評價裝置，形成一種新的CO2腐蝕速率評價方法。

(2)隨著溫度和壓力的升高，CO2分壓逐漸增大，P110和N80鋼在模擬地層水和天然氣環境下的腐蝕速率均增大，且相同條件下，P110鋼的腐蝕速率要大于N80鋼的腐蝕速率。

(3)掛片和模擬地層水的接觸程度會影響掛片的腐蝕速率。主要表現為：未被地層水浸沒的掛片腐蝕以點蝕為主，處于半浸沒位置和全浸沒的掛片未產生點蝕，只產生了均勻腐蝕；全浸沒的掛片腐蝕速率要大于半浸沒掛片的腐蝕速率，未浸沒的掛片腐蝕速率最小。這說明,氣井井筒積液的高度會影響不同部位的腐蝕程度。

(4)利用高溫、高壓動態腐蝕速率評價裝置開展了9種緩蝕劑評價及優選試驗。不同腐蝕環境下，緩蝕劑的緩蝕率有差異，此外，評價的9種緩蝕劑中，緩蝕劑A和E的緩蝕效果最好，緩蝕率均超過了80%。