抗高溫緩蝕劑HSJ-M在油氣井環空保護液中的應用研究

蔡 斌,羅 剛,李三喜,李艷飛,郭士生,葛俊瑞,舒福昌,3,任坤峰

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;2.湖北漢科新技術股份有限公司,湖北 荊州 434000;3.長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434001)

隨著石油勘探技術的發展,越來越多的油氣田開發逐漸轉向高溫深井[1-3]。高溫深井的地層壓力系數一般都比較高,完井作業后,為了填充油管和套管之間的環空,必須使用高密度環空保護液[4-7]。環空保護液是填充于油管和套管之間的液體,在保證平衡地層壓力的合適密度的同時,必須具備較低的腐蝕性及較好的高溫穩定性[8-12]。目前,為保證環空保護液的高溫穩定性,一般采用可溶性鹽來調節密度,但可溶性鹽在高溫下對井下管材和工具易造成比較嚴重的腐蝕,所以,研究環空保護液抗高溫緩蝕劑意義重大[13-15]。基于此,作者以海上某高溫深井井下管柱鋼材為研究對象,以磷酸鹽環空保護液為腐蝕介質,采用掛片失重法和電化學極化曲線法考察抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量、溫度、環空保護液密度對腐蝕速率的影響,為高溫深井的高效安全開發提供技術支持和保障。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

環空保護液基液:淡水+0.5%除氧劑OSY+磷酸鹽加重至合適密度;不同材質(N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80)掛片,使用現場井下管柱鋼材加工而成。

磷酸鹽、碳酸鈉、除氧劑OSY,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;石油醚、無水乙醇,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;抗高溫緩蝕劑HSJ-M,自制。

抗高溫陳化釜(聚四氟乙烯內襯),荊州塔林機電設備制造有限公司;101-1BS型電熱鼓風干燥箱,廣州大祥電子機械設備有限公司;CorrTest型電化學測試系統,武漢科思特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 掛片失重法

參照石油天然氣行業標準SY/T 5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標及評價方法》中靜態均勻緩蝕率測定部分的規定,采用掛片失重法測定掛片在環空保護液中的腐蝕速率。腐蝕時間為7 d。

1.2.2 電化學極化曲線法

參照國家標準GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕 電化學試驗方法 恒電位和動電位極化測量導則》中的相關規定,使用電化學測試系統測定掛片在環空保護液中的電化學極化曲線。實驗電極為三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為Pt電極,工作電極為待測掛片。

2 結果與討論

2.1 掛片失重法結果

2.1.1 抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量對腐蝕速率的影響

以密度為1.65 g·cm-3的環空保護液作為腐蝕介質,在160 ℃下,考察抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量(質量分數,下同)對4種材質掛片腐蝕速率的影響,結果見表1。

表1 抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量對腐蝕速率的影響

由表1可知,隨著抗高溫緩蝕劑HSJ-M加量的增加,4種材質掛片在環空保護液中的腐蝕速率均逐漸降低,且當HSJ-M加量為3.0%時,腐蝕速率均可以降至0.076 mm·a-1以下;掛片材質對腐蝕速率的影響較大,在相同條件下,4種材質掛片的腐蝕速率大小為:N80>1Cr-L80>3Cr-L80>13Cr-L80。實驗還發現,在HSJ-M加量為3.0%時,N80和1Cr-L80掛片腐蝕后外觀雖有明顯變黑,但表面光滑,無明顯點蝕或坑蝕;3Cr-L80和13Cr-L80掛片腐蝕后外觀并無明顯變化。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M起到了良好的緩蝕作用,當其加量為3.0%時,可有效降低4種材質掛片的腐蝕速率,滿足相關標準要求。

2.1.2 溫度對腐蝕速率的影響

以密度為1.65 g·cm-3的環空保護液作為腐蝕介質,加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M,考察溫度對4種材質掛片腐蝕速率的影響,結果見表2。

表2 溫度對腐蝕速率的影響

由表2可知,隨著溫度的升高,4種材質掛片在環空保護液中的腐蝕速率均逐漸升高,但升幅不大;在170 ℃時,N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80掛片的腐蝕速率分別為0.074 mm·a-1、0.065 mm·a-1、0.061 mm·a-1、0.054 mm·a-1,均低于0.076 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M具有良好的耐溫性能,在高溫條件下仍能發揮較好的緩蝕作用,可以滿足目標高溫油氣井對環空保護液防腐蝕性能的要求。

2.1.3 環空保護液密度對腐蝕速率的影響

以不同密度的環空保護液作為腐蝕介質,加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M,在160 ℃下,考察環空保護液密度對4種材質掛片腐蝕速率的影響,結果見表3。

表3 環空保護液密度對腐蝕速率的影響

由表3可知,隨著環空保護液密度的增大,4種材質掛片的腐蝕速率均逐漸升高,但升幅不大;在環空保護液密度增至1.75 g·cm-3時,N80、1Cr-L80、3Cr-L80、13Cr-L80掛片的腐蝕速率分別為0.070 mm·a-1、0.062 mm·a-1、0.058 mm·a-1、0.049 mm·a-1,均低于0.076 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M在不同密度環空保護液中均能發揮較好的緩蝕作用,使用范圍較廣,能夠滿足現場施工需求。

2.2 電化學極化曲線法結果

在掛片失重法的基礎上,采用電化學極化曲線法對抗高溫緩蝕劑HSJ-M的緩蝕作用進行評價。發現,60 ℃下,1Cr-L80、13Cr-L80掛片在環空保護液中的腐蝕速率分別為0.403 5 mm·a-1、0.155 4 mm·a-1;在環空保護液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,腐蝕速率分別降至0.069 2 mm·a-1、0.062 5 mm·a-1。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M能夠降低掛片的電化學腐蝕速率,起到較好的腐蝕防護效果。其電化學極化曲線見圖1。

圖1 1Cr-L80、13Cr-L80掛片在不同條件下的電化學極化曲線Fig.1 Electrochemical polarization curves of coupons 1Cr-L80 and 13Cr-L80 under different conditions

由圖1可以看出,在環空保護液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,1Cr-L80、13Cr-L80掛片的電化學極化曲線均發生一定程度的右移,自腐蝕電位升高,說明兩種掛片的耐腐蝕性能均逐漸增強。表明抗高溫緩蝕劑HSJ-M能夠顯著提高環空保護液在高溫條件下的抗腐蝕性能,可以確保高溫油氣井施工安全,與掛片失重法結論一致。

3 結論

抗高溫緩蝕劑HSJ-M對4種不同材質的掛片均具有良好的腐蝕防護效果。隨著HSJ-M加量的增加,4種掛片的腐蝕速率均逐漸降低,當HSJ-M加量為3.0%時,均降至0.076 mm·a-1以下;隨著溫度的升高和環空保護液密度的增大,4種掛片的腐蝕速率均逐漸升高,當溫度為170 ℃或環空保護液密度為1.75 g·cm-3時,腐蝕速率仍低于0.076 mm·a-1。在環空保護液中加入3.0%抗高溫緩蝕劑HSJ-M后,1Cr-L80、13Cr-L80掛片的電化學腐蝕速率均明顯降低,極化曲線均明顯右移,自腐蝕電位升高,耐腐蝕性能明顯增強。抗高溫緩蝕劑HSJ-M能夠適用于不同材質鋼材、不同井底溫度以及不同密度的環空保護液,明顯降低井下管柱及設備的腐蝕速率,可以有效保障高溫油氣井作業施工安全。