侏羅系油藏油井用固體緩蝕劑適用性研究*

2024-04-01 07:11:20呂祥鴻謝登峰徐建國張鑫鑫王晨輝

焊管 2024年3期

呂祥鴻，謝登峰，徐建國，張鑫鑫，王晨輝，王晨

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，西安 710065；2.中國石油長慶油田第二采油廠，甘肅慶陽 745100）

0 前言

長慶油田是我國重要的能源開發基地和戰略接替區，其主要開采的侏羅系延安組和三疊系延長組層位均屬于中低滲或特低滲油藏[1]。侏羅系油藏開發的一個顯著特點是CO2含量較高，近年來一些老油田己進入高含水時期，產液量升高，井下管柱腐蝕較為嚴重，套管破損井數持續增加[2-5]。在油井配套防腐措施方面，添加緩蝕劑是最為常用的防護手段。與液體緩蝕劑相比，固體顆粒緩蝕劑具有投加方便、濃度易于控制、能在液相中長效緩釋并維持較高濃度等突出特點，應用越來越為廣泛[6-7]。本研究依據相關標準與模擬工況的腐蝕速率和電化學性能測試，對固體緩蝕劑的理化性能、釋放率、載體性能以及緩蝕效果和緩蝕作用機理進行評價分析，探討固體緩蝕劑在長慶油田侏羅系油藏開發過程中的適用性。

1 試驗方法

1.1 理化性能檢測

參照SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標及評價方法》，對固體緩蝕劑的pH值、溶解性以及乳化傾向進行測試分析。

1.2 釋放率檢測

稱取固體顆粒緩蝕劑，放置在60 ℃的模擬油井采出水溶液（500 mL）中，分別放置3 d、6 d、9 d、12 d后取出烘干、稱重，計算緩蝕劑的釋放率。為確保試驗的準確性，試驗開始后每隔3天更換一次模擬溶液。

1.3 緩蝕性能檢測

根據油田現場油井加藥制度，稱取0.24 mg固體顆粒緩蝕劑，加入2 L 模擬水介質中（模擬油田采出水溶液化學組分見表1），配置成濃度為120 mg/L的緩蝕劑。首先，將加有緩蝕劑的溶液在60 ℃的水浴箱中放置3天，使固體顆粒緩蝕劑充分釋放；然后，將該溶液（含固體顆粒緩蝕劑）倒入放有J55油套管試樣的高溫高壓反應釜，升溫升壓至試驗要求（溫度為60 ℃、CO2分壓為1 MPa），試驗周期為7 d。試驗結束后，計算J55油套管用鋼（試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm）在固體顆粒緩蝕劑中的腐蝕速率以及固體顆粒緩蝕劑的緩蝕率，J55油套管用鋼化學成分見表2。

表1 模擬油田采出水溶液化學組分 mg/L

表2 油套管用鋼J55化學成分測試結果 %

此外，為考察固體緩蝕劑長期釋放后的緩蝕性能，將加有固體顆粒緩蝕劑的溶液在60 ℃的水浴箱中放置60 d（2 L模擬水介質），每隔3天更換一次模擬溶液，60 d后進行高溫高壓緩蝕性能評價。

1.4 電化學作用檢測

按照上述緩蝕效果評價方法配置固體顆粒緩蝕劑模擬溶液（分別為固體緩蝕劑釋放3 d和60 d的溶液），其電化學作用測試設備選用AMETEK公司的M273A恒電位儀和M5210鎖相放大器，電解池為1 L 容積的玻璃電解池，工作電極為J55 鋼（面積為1 cm2），輔助電極選用鉑金電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。極化曲線測量的電位區間為-500～+300 mV（相對于腐蝕電位），掃描速度0.167 mV/s；電化學阻抗譜（EIS）測試頻率范圍5 mHz～100 kHz，信號幅值為10 mV正弦波。

2 試驗結果分析與討論

2.1 理化性能

2.1.1 pH值

依據SY/T 5273—2014 標準進行pH 值檢測，其pH值為5.1，滿足標準要求（5～9）。

2.1.2 水溶性

依據SY/T 5273—2014標準對固體緩蝕劑水溶性進行檢測，水樣介質為現場采出水，檢測結果如圖1所示。可以看出，在60 ℃水中恒溫30 min后，固體緩蝕劑在現場水介質中溶解性良好。

圖1 固體緩蝕劑水溶性試驗

2.1.3 乳化傾向

依據SY/T 5273—2014 標準對固體緩蝕劑乳化傾向進行檢測，水樣介質為現場采出水，油相介質為原油，檢測結果如圖2所示。由圖2可見，靜置10 min和60 min后油水界面清晰，溶液無乳化層，該固體緩蝕劑無乳化傾向。

圖2 固體緩蝕劑乳化傾向試驗

2.1.4 載體性能

稱取一定質量的固體緩蝕劑，放入60 ℃的0#柴油和現場原油中，長時間放置后觀察固體緩蝕劑的形貌，如圖3 所示。由圖3（b）可以看出，在油相介質中固體緩蝕劑載體材料短時間發生溶失，這可能導致緩蝕劑成分快速釋放，無法達到長期緩蝕效果。而固體緩蝕劑現場投加位置一般位于井底（射孔段以下），流體含水率較高，載體的溶失率不會太高，但大量油相的存在也會降低固體緩蝕劑的長期有效性。

圖3 固體緩蝕劑載體油溶性試驗

2.2 釋放率

表3為60 ℃恒溫條件下，不同時間固體緩蝕劑在模擬油井采出水溶液中釋放率計算結果，圖4為線性擬合所得固體緩蝕劑完全釋放所需時間。由圖4可見，固體緩蝕劑在60 ℃模擬油井采出水溶液中完全釋放時間約為158 d。

圖4 固體緩蝕劑完全釋放線性擬合分析

表3 固體緩蝕劑釋放率

2.3 緩蝕效果及緩蝕作用機理

2.3.1 緩蝕效果

表4 為模擬工況條件下（60 ℃、CO2分壓1 MPa），J55 掛片在空白溶液和添加固體緩蝕劑溶液中（不同釋放時間）的腐蝕速率及其緩蝕率計算結果。由表4可知，添加固體緩蝕劑后，在較短釋放周期內（3 d），J55 鋼的均勻腐蝕速率明顯下降（由1.844 1 mm/a下降為0.264 8 mm/a），固體緩蝕劑的緩蝕效率為85.64%，滿足SYT 5273—2014 標準中規定的緩蝕率≥ 70%的要求；當固體緩蝕劑長時間釋放后（60 d），J55鋼的均勻腐蝕速率略微下降（由1.844 1 mm/a 下降到1.708 2 mm/a），緩蝕效率僅為7.37%。

表4 不同工況條件下J55鋼的腐蝕速率及固體緩蝕劑緩蝕率計算結果

圖5 和圖6 為不同工況條件下J55 掛片清洗前、后的微觀腐蝕形貌。由圖可知，在空白溶液以及固體緩蝕劑長期釋放后的溶液中，試樣表面呈現出典型CO2腐蝕形貌（FeCO3晶粒堆積），且晶粒粗大（空白溶液中更為明顯），腐蝕產物膜的保護性較差；而在固體緩蝕劑短期釋放的溶液中，試樣表面形成的膜層（腐蝕產物膜或緩蝕劑吸附膜層）顆粒尺寸明顯更小，堆積或吸附更為致密，對金屬基體具有良好的保護作用。局部腐蝕分析也得到證實（見圖6），在固體緩蝕劑短期釋放的溶液中，J55 鋼表面局部腐蝕非常輕微；而在固體緩蝕劑長期釋放的溶液中，J55 鋼表面局部腐蝕較為嚴重，其腐蝕程度與空白溶液中J55 鋼的局部腐蝕相似。綜合固體緩蝕劑均勻和局部腐蝕緩蝕性能及上述釋放率的測試結果，固體緩蝕劑的投加周期不應超過60 d。

圖5 清洗前試樣表面微觀腐蝕形貌

2.3.2 緩蝕作用機理

圖7 為不同工況條件下所測J55 鋼的極化曲線，表5 為J55 鋼的電化學參數分析和擬合結果。從圖7 中可以看出，相比于空白溶液中J55 鋼的極化曲線，添加固體緩蝕劑后（固體緩蝕劑釋放3 d），J55 鋼的陽極和陰極Tafel 斜率明顯增大，釋放后的緩蝕劑分子對J55 鋼的陽極和陰極行為均起到明顯的阻滯作用，腐蝕電流密度顯著降低；但J55 鋼陰極Tafel 斜率的增幅要明顯高于陽極，這表明緩蝕劑分子對J55 鋼的陰極阻滯程度要明顯強于陽極，導致其腐蝕電位顯著負移。因此，固體緩蝕劑的電化學作用機理主要表現為陰極阻滯型緩蝕。

表5 J55鋼的電化學參數分析和擬合結果

當固體緩蝕劑長期釋放后（固體緩蝕劑釋放60 d），有效緩蝕成分顯著降低。盡管J55鋼的陰極行為變化不大，但其陽極過程得以明顯活化，Tafel 斜率顯著減小，腐蝕電位正移，固體緩蝕劑的緩蝕性能顯著降低，即當釋放時間達到60 d后，緩蝕率僅為8.9%。這與上述失重腐蝕速率測試結果分析一致。

固體緩蝕劑投入3 d 時，由于固體緩蝕劑的有效成分大量釋放，其作用在J55 試樣表面使得J55 試樣在介質中的腐蝕速率大大降低，但隨著固體緩蝕劑釋放時間的延長，其有效成分含量逐漸降低，當達到60 d 時，作用在J55 試樣表面的有效成分相比釋放3 d 的大大減少，故腐蝕速率相比釋放3 d的明顯增大。

采出液中J55 鋼的EIS 具有3 個時間常數，即高頻容抗弧與低頻區的感抗弧和容抗弧組成，其對應的狀態變量分別為電極電位E、吸附中間體的覆蓋率和腐蝕產物覆蓋率；添加固體緩蝕劑后，J55 鋼的EIS 具有2 個時間常數，即高頻容抗弧與低頻區的感抗弧，其對應的狀態變量分別為電極電位E、緩蝕劑以及腐蝕產物吸附率（或覆蓋率）[8-10]。

表6 為J55 鋼的EIS 擬合結果，結合EIS 圖譜及等效電路（圖8）分析，CPE1為整個金屬電極表面/溶液之間的雙電層電容，R2為電荷傳遞電阻，R3和CPE2分別為腐蝕產物膜或緩蝕劑吸附膜層的電阻和電容，L1為吸附腐蝕中間產物形成的感抗，n為彌散系數。在上述電化學腐蝕動力學參數中，R3反映了腐蝕產物膜或緩蝕劑吸附（或沉淀）膜層對金屬界面反應動力學的影響，其值越大，膜層對電極反應的阻力越大。據此分析，在空白溶液中，J55 鋼表面形成的腐蝕產物膜（FeCO3膜層）對電極反應阻滯作用較弱（R3僅為15.13 Ω·cm2），J55鋼腐蝕速率較大；添加固體緩蝕劑后，J55 鋼表面緩蝕劑吸附膜阻顯著增大，當固體緩蝕劑釋放3 d 后，R3高達613 Ω·cm2，電極反應動力學阻滯作用非常顯著，固體緩蝕劑緩蝕效果良好；但當固體緩蝕劑長期釋放后，由于有效緩蝕成分顯著降低，緩蝕劑吸附膜阻急劇減?。ó敼腆w緩蝕劑釋放60 d后，R3僅為178.6 Ω·cm2），固體緩蝕劑緩蝕效果顯著降低。