南海某氣田人工運移井套管防腐研究及壽命預測

2023-01-30 02:45:28申洪臣孫愛平鄧瑞濤張家梅

全面腐蝕控制 2022年12期

申洪臣孫愛平黃孟鄧瑞濤張家梅

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南海口 570100；2.中海油能源發展工程技術油田化學分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

為提高產氣量，南海西部某氣田采取自流注氣的增產措施，即：利用能量較大的天然氣直接注入到需要補充能量的氣藏中，利用兩者之間的壓差將天然氣注入到較低的開采層中，從而達到補充地層能量的目的（如圖1所示）。

圖1 自流注氣示意圖

天然氣自生產井生產時，人工運移井則暫時封堵，封堵年限要求為15年。不同儲層連通后，為了保證地下流體不往上竄，棄井作業非常關鍵，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。人工運移通道井暫時封堵時，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[1-3]。因此，需對井筒加注緩蝕劑以確保封堵期間井筒的完整性。

1 試驗方法

1.1 試驗材質及緩蝕劑

試驗材質為N80套管鋼，其化學成分為(質量分數/%)：C0.33，Mn1.41，Mo0.002，Cr0.010，Ni0.008，Cu0.007，Si0.26，P0.014，S0.006，滿足API SPEC 5CT-2012標準要求，組織為回火索氏體，金相組織照片如圖2所示。試樣尺寸為50×10×3mm。

圖2 N80金相顯微組織形貌（500×）

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，添加濃度分別為0.1%、0.5%和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0.1mg）稱量，JSM－6390A掃描電鏡觀察試樣微觀形貌。

1.3 試驗方法

（1）試驗前，分別用320#、600#、800#、1200#砂紙逐級打磨以消除機加工的刀痕；

（2）將試樣清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱重；

（3）將試樣相互絕緣地安裝在特制的試樣架上，放入高壓釜內的腐蝕介質中；

（4）試驗前，先通入高純氮2h除氧，然后，升溫到要求值，通入試驗條件中要求的氣體到設定值；

（5）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，用定性濾紙包起，放入干燥皿中待用；

（6）用清洗液將試樣表面的腐蝕產物去除，（空白試樣的清洗液[4]配方為：鹽酸（1.19）1L、三氧化二銻20g、氯化亞錫50g。添加防腐液后試樣的清洗液[5]配方為：鹽酸（分析純）100mL、六亞甲基四胺（分析純）5～10g、加水到1000mL。）

酸洗后的試樣立即在自來水中沖洗，并通過在飽和碳酸氫鈉溶液中浸泡約2～3min進行中和處理，之后用自來水沖洗并用濾紙吸干后置于無水乙醇或丙酮中浸泡3～5min脫水。

（7）試樣脫水后，冷風吹干，用BS124S電子天平（精度0.1mg）稱重并計算其腐蝕速率。

均勻腐蝕速率的計算方法為：

式中：

vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；

Δg為試樣失重，g；

γ為材料比重，g/cm3；

t為試驗時間，d；

S為試樣表面積，mm2。

緩蝕率計算公式如下：

式中：

η為緩蝕率；

v空白為未添加防腐液材料的均勻腐蝕速率，mm/a；

v加樣為添加防腐液后材料的均勻腐蝕速率，mm/a。

2 試驗條件

封堵完好時，井筒和環空內無腐蝕性氣體。封堵泄漏時，井筒內會涌入腐蝕性氣體CO2。根據現場工況調研結果，實驗模擬條件如表1所示，選取最苛刻的腐蝕環境進行模擬腐蝕試驗，試驗溫度為82℃，目前最大地層壓力為12MPa，最大CO2含量為72.4%，則CO2分壓為8.6MPa。

表1 模擬試驗條件

3 試驗結果和討論

圖3和圖4分別為防腐液HYF-01和HYF-02在封堵完好和封堵泄露腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%和1.0%緩蝕劑后的均勻腐蝕速率和緩蝕率。由圖3可見，封堵完好時，相比空白試驗，添加兩種不同濃度的緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均明顯減小，隨著添加濃度的增大，均勻腐蝕速率并沒有減小，說明防腐液濃度在0.1%時已達到飽和狀態。根據NACE Standard SP0775-2013[6]標準判斷：空白試驗的均勻腐蝕速率屬于嚴重腐蝕，分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYF-01和HYF-02后，均勻腐蝕程度均降低為輕度腐蝕。

圖3 在封堵完好腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02均勻腐蝕速率和緩蝕率

由圖4可見，封堵泄漏時，相比空白試驗，添加兩種不同濃度的防腐液后，均勻腐蝕速率均明顯減小。根據NACE Standard SP0775-2013[6]標準判斷：空白試驗的均勻腐蝕速率屬于極嚴重腐蝕，添加1.0%的HYF-01后，均勻腐蝕程度降低為中度腐蝕，添加0.1%、0.5%和1.0%的HYF-02后，均勻腐蝕程度稍微嚴重，屬于中度腐蝕。

圖4 在封堵泄露腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02均勻腐蝕速率、緩蝕率

圖5為封堵完好時，空白、分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02試樣表面微觀形貌。由圖可見，封堵完好時，相比空白試驗，分別添加0.1%HYF-01和0.5%HYF-02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。

圖5 封堵完好時，空白與分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYH-01和HYF-02試樣表面微觀形貌

圖6為封堵泄漏時，空白、分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02試樣表面微觀形貌。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；添加1.0%HYF-02后，試樣表面均勻腐蝕程度有所減輕，但是仍存在嚴重的局部腐蝕。

圖6 封堵泄露時，空白與分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYH-01和HYF-02試樣表面微觀形貌

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，乃是獲得緩蝕成功之關鍵。封堵泄露時，隨著緩蝕劑添加濃度的增加，緩蝕劑在金屬表面的覆蓋率增大，腐蝕速率降低。

HYF-01和HYF-02兩種緩蝕劑在封堵完好時，添加濃度為0.1%時，均勻腐蝕速率最低，緩蝕率很高，隨著添加濃度的增大，均勻腐蝕速率增大。這是因為緩蝕劑濃度已達到飽和（覆蓋率為1），當緩蝕劑達到飽和濃度后，緩蝕劑分子之間會出現分子間作用力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。

4 腐蝕壽命預測

套管在服役期間要接觸各種流體，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少，使套管承載力降低，最后失效[7]。套管服役環境惡劣，腐蝕的影響因素很多，各種因素的共同及交互作用，更容易導致甚至加劇套管的腐蝕[8-10]。因此在計算套管壽命時不能單純的考慮腐蝕的作用，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。

本試驗中，在封堵井的套管內外壁均使用同樣的防腐液，所以，假設套管內、外壁同時發生均勻腐蝕，則腐蝕壽命預測時，套管壁厚減薄量以試驗結果的兩倍計算。

腐蝕壽命預測方法：

（1）計算剩余壁厚=原始壁厚-2×腐蝕速率×套管服役時間；

（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。若均大于標準要求值，則強度滿足要求；

（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。

抗內壓安全系數≥1.125，抗外擠安全系數≥1.10[11]。

N80套管規格為339.725×12.7mm，下深至1500m。

根據式（1）～式（14）計算抗外擠安全系數。

（1）屈服擠毀強度值

當時(Dc/δ)≤(Dc/δ)yp時：