東勝氣田氣井腐蝕軟件模擬研究

陳 旭

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院，河南 鄭州 450006)

東勝氣田位于內蒙古自治區伊克昭盟東勝市巴彥敖包鄉附近，面積9 805 km2，資源量11 345億m3，為中石化華北油氣分公司天然氣產量主力接替區，開發前景良好[1]。東勝氣田氣井普遍產水，液氣比為2.45 m3/104m3；產出氣中含有一定量CO2，其分壓約為0.001～0.14 MPa。根據Cor和Marsh的研究成果(見表1)，氣井具備發生CO2腐蝕的條件。

表1 CO2分壓與腐蝕可能性關系表

作為嚴重影響氣井生產的問題，氣井腐蝕一直備受研究者關注。總體來講，氣井腐蝕研究主要有理論計算法、室內實驗法及現場試驗法三類，其中理論計算法僅停留在定性判斷層面，而室內實驗及現場試驗法成本高、周期長，無法滿足氣田腐蝕研究需要[2](見表2)。隨著計算機技術的日新月異，軟件模擬法應運而生。它以理論計算法為基礎，結合現場經驗數據修正計算模型，可以進行定性與定量計算，避免了理論計算、室內實驗與現場試驗法的缺點，在油氣井腐蝕分析方面得到越來越廣泛的應用[3-7]。本文采用腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer 對東勝氣田氣井腐蝕特征進行模擬計算，并結合現場試驗結果，研究東勝氣田腐蝕規律。

表2 氣井腐蝕研究方法匯總

1 OLI腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer簡介

1.1 軟件功能

Corrosion Analyzer 腐蝕分析系統是由美國OLI公司開發的預測、分析工業腐蝕問題的工具，可以對氣井腐蝕可能性、腐蝕機理、影響腐蝕因素及不同條件下腐蝕速率進行模擬分析，從定性及定量兩個層面對氣井腐蝕問題進行描述，可有效指導氣田腐蝕防護工作。

1.2 操作方法

進行腐蝕模擬前要輸入三方面的基礎數據，即流體性質參數、氣井管柱結構參數和氣井動態生產數據。流體性質參數包括氣井產出氣體各組分含量、氣井產出水相各種離子濃度、水相pH值等信息；氣井管柱結構參數包括氣井油管管徑、油套管材質等信息；氣井動態生產數據包括氣井日產氣量、日產液量、流體速度、氣井溫度、流壓等數據。根據以上數據，可對腐蝕體系熱力學穩定性(即腐蝕可能性)、腐蝕反應機理、腐蝕影響因素及腐蝕速率進行模擬。

2 東勝氣田產出流體性質分析

2.1 東勝氣田產出氣性質

在東勝氣田投產井及試采井中選取5口氣井作為分析樣本，分別進行產出氣、水性質分析，產出氣組分見表3。

表3 東勝氣田產出氣組分

由表3數據可知，東勝氣田天然氣組分中甲烷含量較高(平均值92.66%)，為干氣類型。乙烷以上組分含量較低，有少量氮氣和二氧化碳，不含硫化氫。與腐蝕相關的二氧化碳氣體在不同氣井中含量不一，介于0.031%～1.02%之間，平均值為0.553%。根據表1數據，結合東勝氣田氣井壓力可知，東勝氣田部分氣井有可能發生二氧化碳電化學腐蝕(見表4)。

表4 樣本井CO2分壓情況

1.2 東勝氣田產出水性質

5口樣本井產出水性質見表5。

表5 東勝氣田產出水組分

由表5數據可知，東勝氣田石盒子組礦化度較低，介于35 000～54 000 mg/L，含太原組合采氣井礦化度較高，可達95 180 mg/L。理論上礦化度越高，越有助于腐蝕的發生。

3 腐蝕模擬預測結果及分析

3.1 腐蝕體系熱力學穩定性預測

pH-電位圖分析是腐蝕電化學中判定腐蝕體系熱力學穩定性的有效方法。通過熱力學及電化學相關計算，將圖劃分成不同的區域，分別為腐蝕區、鈍化區、穩定區。根據腐蝕狀態點的區域，從熱力學穩定性方面定性判斷氣井腐蝕情況。圖1為J11P4H井井底附近環境條件下pH-電位圖，圖中白色區域表示腐蝕區，綠色區域表示鈍化區，灰色區域表示穩定區。J11P4H井腐蝕狀態點(紅色圓圈)位于腐蝕區，則理論上熱力學不穩定，有較強的腐蝕傾向[8]。圖2為錦86井井底附近環境條件下pH-電位圖，腐蝕狀態點位于綠色區域，則理論上熱力學較穩定，有一定的腐蝕傾向。

用同樣方法共分析5口井的熱力學穩定性，結果見表6。2口井(錦58、錦86)處于鈍化區，2口井(ES4、J11P4H)處于腐蝕區，1口井(錦26)處于腐蝕區與鈍化區交界處。總體來講，上述氣井都有發生腐蝕的可能性。

表6 東勝氣田氣井腐蝕熱力學穩定性軟件模擬結果

3.2 腐蝕反應機理預測

可以通過Corrosion Analyzer計算得到極化曲線，極化曲線中在腐蝕狀態點相交的兩個半反應即為腐蝕反應機理[9]。

圖3和圖4分別為J11P4H井和錦58井的極化曲線。由圖3可知，距離腐蝕狀態點最近的兩條半反應曲線分別為鋼材失電子轉化為金屬離子，以及水生成氫氣和氫氧根的反應，因此這兩個反應主導氣井腐蝕過程，J11P4H井腐蝕機理為高溫下鋼材析氫腐蝕。由圖4可知，距離腐蝕狀態點最近的兩條半反應曲線分別為鋼材失電子轉化為金屬離子，以及碳酸電離的反應，因此這兩個反應主導氣井腐蝕過程。錦58井腐蝕機理為高溫下二氧化碳電化學腐蝕。

用同樣的方法，共分析5口氣井腐蝕機理，結果見表7。2口氣井(J11P4H、錦26)為高溫下鋼材析氫腐蝕，3口氣井為高溫下二氧化碳電化學腐蝕(ES4、錦58、錦86)。就目前結果來看，東勝氣田腐蝕機理為鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學腐蝕，模擬結果與理論判定結果一致。

表7 東勝氣田氣井腐蝕機理軟件模擬結果

3.3 主要影響因素分析

氣井腐蝕是一個復雜的過程，溫度、壓力、pH值、礦化度、氣體流速等都會影響氣井腐蝕程度[10]。但在正常穩定生產過程中，產出液特征及氣體流速變化不大，而沿井筒溫度及壓力變化較大，因此溫度、壓力為氣井腐蝕主要影響因素。

圖5及圖6分別為錦58井溫度、壓力對腐蝕速率影響關系圖。由圖中曲線可知，在東勝氣田井筒溫度、壓力變化范圍內，隨著溫度、壓力的增加，氣井腐蝕速率也呈增加趨勢，但溫度影響遠大于壓力影響。這是因為溫度增加，腐蝕化學反應速率增加；壓力增加，二氧化碳分壓增加，二氧化碳電化學腐蝕加劇。

用同樣的方法共分析5口樣本氣井溫度、壓力對腐蝕速率的影響，得到同樣的結論。因此，在東勝氣田溫度、壓力范圍內，隨深度增加，氣井腐蝕速率變大。

3.4 腐蝕速率預測

以東勝氣田5口井氣、液測試數據為樣本，結合氣井管柱結構、生產數據，利用軟件模擬計算了氣井井底腐蝕速率，結果見表8。

表8 東勝氣田腐蝕速率模擬結果

由結果可知，東勝氣田氣井腐蝕速率較低，井底附近井筒腐蝕速率介于0.001 48～0.003 69 mm/a之間，屬于輕度腐蝕。

4 現場掛片試驗結果及分析

氣井井下掛片[11]是測定井筒腐蝕速率最直接、最準確的方法。結合現場生產情況，選取J11P4H井及錦11井進行現場掛片試驗，為期三個月，相關設計參數見表9，試驗結果見表10。

由試驗前后掛片外觀可知(見圖7、圖8)，試驗前掛片顏色光亮，有金屬光澤。

表9 現場掛片試驗設計參數

表10 現場掛片試驗結果

試驗后掛片表面灰暗，均表現為均勻腐蝕，無點蝕情況存在。由表10中錦58井掛片試驗數據可知，隨著氣井深度增加，即溫度、壓力增加，腐蝕速率不斷增大，與軟件模擬結果一致。J11P4H井、錦58井現場掛片腐蝕速率分別為0.017 911 mm/a、0.001 519 5 mm/a，軟件模擬結果分別為0.001 63 mm/a、0.003 56 mm/a，對比可知OLI軟件模擬結果與實際存在一定偏差，但由于東勝氣田腐蝕速率較小，腐蝕速率模擬結果仍可作為參考。

5 結論與建議

1)軟件模擬結果表明，東勝氣田氣井存在腐蝕可能，腐蝕機理為高溫下鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學腐蝕，與理論分析結果一致；

2)隨著氣井深度增加，軟件模擬得到的氣井腐蝕速率增大，與現場掛片試驗結果一致；

3)軟件模擬得到的氣井腐蝕速率與現場掛片存在一定偏差，但結果仍可作為參考；

4)建議對現場掛片腐蝕產物進行分析，明確腐蝕機理，進一步驗證模擬軟件的準確性，并根據氣井不同腐蝕機理，優選不同類型的緩蝕劑進行氣井腐蝕防護；

5)建議利用現場掛片試驗數據，對模擬得到的腐蝕速率進行修正，提高軟件定量模擬計算的準確性。