不同注水井油管性能對比

畢紅軍

[1.中國石化勝利油田有限公司 臨盤采油廠, 德州 251507； 2中國石油大學(華東), 青島 266580]

注水井油管在油田開采過程中發揮著重要的作用,然而受油管自身材料以及注入水的品質等因素的影響，注水井油管的性能也會隨著服役時間的延長發生相應的變化。為確保服役過程中油管的安全，需要對其力學性能及化學性能進行測試。

殘余應力是油管斷裂的重要因素，故測量殘余應力具有重要意義。目前，普遍采用的方法包括應力松弛法(如盲孔法[1-3])和無損檢測法[4-7]，其中盲孔法因精度高、理論完善等優點得到了較為廣泛的應用，但僅適用于表面殘余應力的測量。殘余應力的盲孔法測量執行標準包括ASTM E837—2001 《通過鉆孔應變計測量殘余應力的標準試驗方法》、GB/T 31310—2014 《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》和CB/T 3395—2013 《殘余應力測試方法 鉆孔應變釋放法》等，該方法較為成熟。

注水油管的腐蝕問題日益突出[8]，這與油管自身材料及水的品質有關。電化學腐蝕測試技術是基于電化學原理對油管進行腐蝕性能測試的方法，保障了注水井油管的安全性，避免了相關安全隱患的發生，被廣泛應用于油田系統的金屬腐蝕與防護領域[9]。 然而，該方法并不適用于非導體材料，可借助水接觸角法進行非導體材料的腐蝕性能評價[10]。

筆者采用盲孔法進行殘余應力測試，用電化學腐蝕測試及水接觸角法結合的方式進行腐蝕性能測試，對不同材料的注水井油管進行性能評價，為油田注水井油管的選用提供參考。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

選取鍍滲鎢合金油管(1#油管試樣)、普通油管(2#油管試樣)、防垢油管(3#油管試樣)和玻璃纖維增強塑料油管(4#油管試樣)，并分別截取試樣(見圖1)。

圖1 不同油管試樣宏觀形貌

1.2 殘余應力測試

采用GB/T 31310—2014標準測試油管外表面的殘余應力。

1.3 電化學腐蝕測試

采用CS310H型電化學工作站對1#，2#，3#油管試樣進行原位電化學阻抗譜(EIS)測試。測試過程使用的電解池為標準三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，在測試溫度下，相對標準氫電極的電位為0.241 V，對電極為碳棒，工作電極為試樣。腐蝕溶液為NaCl溶液, 開路電位采集頻率為10 Hz，采集時間設置為60 min，達到穩定的標準為10 min內上下波動不超過10 mV。交流阻抗測試阻抗譜頻率設置為10-2～105Hz。水樣溫度為80 ℃。

1.4 水接觸角測試

研究表明，材料表面能越低、接觸角越大，則污垢結晶成核勢壘越大、成核速率越低，防結垢性能則越好。取鹽霧腐蝕試驗后的1#，3#，4#油管試樣，其中鹽霧箱溫度穩定在47 ℃，低鹽水密度為(50±10) g/L，pH為6.5～7.2，噴霧壓力為1 MPa，鹽霧腐蝕時間為24 h，使用光學接觸角儀進行純水接觸角測試。主要測試鹽霧腐蝕試驗后水在試樣表面的接觸角，用于判斷腐蝕的程度，尤其用于對比玻璃纖維增強塑料管材試樣與其他金屬管材試樣的抗腐蝕結垢性能。

2 試驗結果與分析

2.1 殘余應力測試

4種油管的盲孔法殘余應力測試結果如表1所示。測點分布于油管的外表面，均發現有不同程度的殘余應力，這與油管成型和后期加工等工藝處理有關。殘余應力對油管的承載、腐蝕等有重大影響，需要限制在一定范圍內。參照標準Q/SY 1394—2011 《高抗擠套管》，殘余應力應低于152 MPa，才能保證套管的抗擠毀等安全性能[11]。測試結果表明，1#鍍滲鎢合金油管試樣的殘余應力最大，超過高抗擠套管標準規定的152 MPa，3#防垢油管試樣的殘余應力最小。4個油管試樣的殘余應力從大到小依次為：1#油管試樣、2#油管試樣、4#油管試樣、3#油管試樣。

表1 4種油管的盲孔法殘余應力測試結果 MPa

2.2 腐蝕測試

2.2.1 水的品質測試

按照SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》標準，測試注入水的品質，結果如表2所示，測試油田水的總礦化度為24 684.4 mg/L。

表2 注入水的品質測試結果 mg/L

2.2.2 電化學性能測試

浸泡試驗過程中，每隔24 h對試樣進行EIS測試，并結合等效電路圖(見圖2)進行數據擬合分析。電化學阻抗譜可快速評價材料的腐蝕行為，其中R1，R2，CPE分別為溶液電阻、溶液/金屬界面電阻和恒常數元件[12-13]。R2可作為評價不同材料在相同環境中腐蝕性能的標準，表3為3個試樣的電化學性能測試數據擬合結果。排除1#試樣在72 h內的試驗誤差后，可以看出：對于單一試樣，隨著時間的延長，R2不斷增大，說明試樣的抗腐蝕性能不斷降低。在同一浸泡時間下，3#油管試樣的R2>1#油管試樣的R2>2#油管試樣的R2，說明試樣的抗腐蝕性能從大到小依次為：1#油管試樣、3#油管試樣、2#油管試樣。

表3 3種油管試樣的電化學性能測試數據擬合結果 Ω·cm2

圖2 EIS測試等效電路圖

圖3為3個試樣在80 ℃油田水樣環境中的電化學阻抗譜。圖中箭頭表示阻抗模值隨反應時間逐步下降，該趨勢與等效電路數值模擬的R2一致。隨著材料在油田水樣中浸泡時間的延長，表面腐蝕產物疏松多孔，無法抑制腐蝕過程，疏松多孔的腐蝕產物下的金屬材料與本體溶液之間溶解氧擴散路徑改變，即形成腐蝕產物內、外氧氣濃差電池，進一步加速了腐蝕產物下的金屬基體腐蝕速率。

圖3 3個試樣在80 ℃油田水樣環境中的電化學阻抗譜

2.2.3 表面純水接觸角測試

玻璃纖維增強塑料油管耐酸堿腐蝕，但玻璃纖維增強塑料為非導體，故不能用電化學等試驗評價其抗腐蝕性能。對1#油管試樣、3#油管試樣、4#油管試樣進行鹽霧腐蝕后的水接觸角測試，結果如表4所示。 4#油管試樣的接觸角最大，且數據相對集中，說明該管材的防結垢性及抗腐蝕性最好，其次是1#油管試樣。3#油管試樣的接觸角最小，說明防垢油管腐蝕嚴重，最易于結垢。由此可知，鍍滲鎢合金油管的抗腐蝕性和防結垢性優于防垢油管。這3個油管試樣的抗腐蝕性從大到小依次為：4#油管試樣、1#油管試樣、3#油管試樣。

表4 3個油管試樣的表面水接觸角測試結果 (°)

結合電化學腐蝕測試及水接觸角測試，可知4種油管的抗腐蝕性從大到小依次為：4#油管試樣、1#油管試樣、3#油管試樣、2#油管試樣。

3 結語

(1) 由殘余應力測試結果可知，4種油管的殘余應力從大到小依次為：鍍滲鎢合金油管、普通油管、玻璃纖維增強塑料油管、防垢油管。

(2) 結合電化學腐蝕測試及水接觸角測試，4種油管的抗腐蝕性從大到小依次為：玻璃纖維增強塑料油管、鍍滲鎢合金油管、防垢油管、普通油管。