儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱腐蝕規(guī)律及保護(hù)措施

李碧曦 易 俊 張 鵬 黃澤貴

1重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院

2中國(guó)石化中原油田分公司生產(chǎn)管理處

儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱腐蝕規(guī)律及保護(hù)措施

李碧曦1易 俊1張 鵬1黃澤貴2

1重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院

2中國(guó)石化中原油田分公司生產(chǎn)管理處

儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱井下腐蝕環(huán)境復(fù)雜，致使管柱腐蝕穿孔或者斷裂落井，直接威脅到儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)。以某儲(chǔ)氣庫(kù)為研究對(duì)象，分析注采氣過(guò)程中管柱腐蝕機(jī)理和影響因素，制定相應(yīng)的防治措施，以延長(zhǎng)氣井管柱的使用年限，保障儲(chǔ)氣庫(kù)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。分析表明：管柱腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕和沖蝕，電化學(xué)腐蝕是由CO2和H2O引起，腐蝕部位在1 900 m以上，腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕和小孔腐蝕；沖蝕發(fā)生在采氣期和注氣期，安全閥和滑套最先發(fā)生沖蝕。防腐措施適合采取控制注采氣量和油管內(nèi)投緩蝕棒的方法，腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)適合采取掛片失重法。

儲(chǔ)氣庫(kù)；管柱；電化學(xué)腐蝕；沖蝕；壓力；防腐

引言

隨著中國(guó)天然氣管網(wǎng)及天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，天然氣的供需存在著嚴(yán)重的不均衡性，巨大的調(diào)峰需求推動(dòng)了儲(chǔ)氣設(shè)施的迅猛發(fā)展。儲(chǔ)氣庫(kù)因其具有庫(kù)容大、安全性好、儲(chǔ)轉(zhuǎn)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)在天然氣市場(chǎng)的應(yīng)急調(diào)峰保障作用中日益凸顯。然而儲(chǔ)氣庫(kù)廣泛地應(yīng)用于世界各地的同時(shí)，也存在著各種安全風(fēng)險(xiǎn)，其中以注采井安全風(fēng)險(xiǎn)最高。地下儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)行前期將受地層殘留的鉆井液、鹽酸、凝析水、CO2以及H2S量等物質(zhì)的影響，井下腐蝕環(huán)境較為復(fù)雜[1]；在運(yùn)行過(guò)程中，注采管柱將長(zhǎng)期受到腐蝕性氣體的作用，而且井下壓力、溫度隨著井深不同而變化，加劇了管柱的腐蝕[2]。這不僅降低氣井管柱的使用年限，而且直接威脅著儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行和周邊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，分析儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣過(guò)程中管柱腐蝕機(jī)理和影響因素，制定相應(yīng)的防治措施，延長(zhǎng)氣井管柱的使用年限，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行具有重大意義。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)管柱腐蝕機(jī)理

地下儲(chǔ)氣庫(kù)大都由廢棄油氣藏改建而來(lái)。據(jù)前期調(diào)研，原氣田生產(chǎn)過(guò)程中，曾因腐蝕更換過(guò)全部或部分油管，主要表現(xiàn)為井筒中上部管柱本體的點(diǎn)蝕、線蝕和接箍處的絲扣腐蝕。儲(chǔ)氣庫(kù)注采井因其同注同采的獨(dú)特工況，在生產(chǎn)過(guò)程中將反復(fù)受到腐蝕性氣體影響。管柱腐蝕與地層水、壓力、溫度、流速、管材成分和結(jié)構(gòu)等有關(guān)，主要包括電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕、環(huán)境斷裂、流動(dòng)誘導(dǎo)腐蝕四種腐蝕類型，如表1所示。

表1 氣井管柱腐蝕類型與機(jī)理

2 管柱腐蝕影響因素分析

注采管柱腐蝕受到腐蝕環(huán)境和腐蝕介質(zhì)的交互作用。腐蝕環(huán)境指不同井深處的溫度、壓力、流場(chǎng)等，通常導(dǎo)致流體相態(tài)變化，從而加劇腐蝕。腐蝕介質(zhì)包括H2S與CO2等酸性氣體、天然氣中所攜帶的地層水、管道壁上的凝析水，及其中溶解的碳酸鹽、氯化物及其他礦物鹽、溶解氧等。在某儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)取氣樣分析，發(fā)現(xiàn)除了CO2以外的氣體組分都不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。水樣分析表明pH值為6，氯根為634 mg/L，氯離子含量少。在運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)氣庫(kù)注采壓力和溫度變化如表2所示。

表2 儲(chǔ)氣庫(kù)井口和井底壓力、溫度變化范圍

2.1 水對(duì)腐蝕的影響

造成儲(chǔ)氣庫(kù)油套管和采氣裝備腐蝕的水，主要來(lái)自于天然氣流所攜帶的凝析水。凝析水是天然氣攜帶的水蒸氣，它是因產(chǎn)層到井口壓力、溫度的改變，造成天然氣壓力露點(diǎn)的變化而在油套管壁上凝結(jié)而成，該點(diǎn)以上容易腐蝕。

以某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)5井為例，該井井深2 696.99 m，喇叭口2 308.58 m，地層壓力20.87 MPa，地層溫度92.5℃，當(dāng)氣量為16.8×104m3/d時(shí)，氣井生產(chǎn)過(guò)程中凝析出水的位置在1 720 m處。當(dāng)?shù)貙訅毫蜏囟炔蛔儠r(shí)，氣量從5×104m3/d到30×104m3/d變化，凝析出水的位置在670～1 900 m處。當(dāng)?shù)貙訙囟群蜌饬坎蛔儠r(shí)，地層壓力在13～27 MPa變化，凝析出水的位置在760～1 780 m處。因此，管柱腐蝕的主要位置在1 900 m以上。

2.2 CO2分壓對(duì)腐蝕的影響

CO2自身對(duì)注采管柱不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，一但CO2與水共同作用于管柱，將會(huì)引起管柱發(fā)生電化學(xué)腐蝕，大大地降低儲(chǔ)氣庫(kù)管柱的使用壽命。CO2腐蝕程度分四級(jí)[3]，影響CO2腐蝕的因素很多，但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為CO2分壓起著決定性作用，且油氣工業(yè)也是根據(jù)CO2分壓來(lái)判斷CO2的腐蝕性。以某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)5井為例，產(chǎn)出氣的CO2含量為1.14%，計(jì)算采氣時(shí)CO2分壓。這樣可模擬出CO2分壓與腐蝕形態(tài)關(guān)系（如圖1所示），得出管柱在采氣期容易發(fā)生小孔腐蝕。

圖1 CO2分壓與腐蝕形態(tài)關(guān)系

2.3 溫度對(duì)腐蝕的影響

溫度主要通過(guò)影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程和腐蝕產(chǎn)物在腐蝕介質(zhì)中的飽和度來(lái)影響腐蝕速率的，且主要影響腐蝕產(chǎn)物膜的生成。以某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)5井為例，模擬計(jì)算出1 400 m位置處溫度為60℃，如圖2所示，儲(chǔ)氣庫(kù)地層溫度為95℃。根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，鋼鐵材料的CO2腐蝕可分為四個(gè)溫度區(qū)間，該儲(chǔ)氣庫(kù)符合四個(gè)溫度區(qū)間中的第一、二區(qū)間。溫度小于60℃，儲(chǔ)氣庫(kù)管柱在1 400 m以上位置呈均勻腐蝕；溫度在60～110℃，儲(chǔ)氣庫(kù)管柱在1 400～1 600 m處局部腐蝕會(huì)較重。

圖2 溫度與CO2腐蝕形態(tài)關(guān)系

2.4 沖刷對(duì)腐蝕的影響

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井與普通氣井相比，吞吐量較大，平均日采氣上百萬(wàn)立方米，對(duì)管柱的沖蝕能力強(qiáng)，會(huì)加劇電化學(xué)腐蝕速率。氣井管柱沖蝕流量計(jì)算公式選取Beggs公式[4]，為了分析沖蝕流量的臨界點(diǎn)，即最大沖蝕流速的計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)PiPesim軟件進(jìn)行計(jì)算，最大沖蝕流速位置為管柱內(nèi)徑最小的安全閥處。

2.4.1 注氣沖蝕分析

最大沖蝕流速的計(jì)算點(diǎn)選取管柱內(nèi)徑最小的安全閥處。以某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)8井注氣為例，地層壓力10 MPa，根據(jù)不同的井口注氣壓力計(jì)算對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)氣量和沖蝕流速比，如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)井口壓力為20 MPa時(shí)，流速比為0.986 2，接近沖蝕流速。即隨著井口注氣壓力增大，沖蝕流速比增大，當(dāng)流速比越接近1時(shí)，沖蝕的可能性越大。當(dāng)?shù)貙訅毫?0 MPa時(shí)，最大沖蝕流量為46.6× 104m3；當(dāng)?shù)貙訅毫?7 MPa時(shí)，最大沖蝕流量為52.8×104m3。

表3 某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)8井沖蝕流量

2.4.2 采氣沖蝕分析

最大沖蝕流速的計(jì)算點(diǎn)選取管柱內(nèi)徑最小的安全閥處。以某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)5井采氣為例，當(dāng)?shù)貙訅毫?0.8 MPa時(shí)，根據(jù)不同的井口壓力計(jì)算對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)氣量和沖蝕流速比，如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，井口壓力為5 MPa時(shí)，流速比為0.819 4，這時(shí)流速比最大，接近沖蝕流速。即隨著井口采氣壓力減小，沖蝕流速比增大，當(dāng)流速比越接近1時(shí)，沖蝕的可能性越大。當(dāng)井口油壓為6 MPa時(shí)，最大沖蝕流量為38.9×104m3；井口油壓為8 MPa時(shí)，最大沖蝕流量為45.5×104m3。

表4 某儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)5井沖蝕流量計(jì)算

綜合以上分析可知，該儲(chǔ)氣庫(kù)管柱腐蝕主要是由CO2及其他腐蝕環(huán)境和腐蝕介質(zhì)引起的電化學(xué)腐蝕，腐蝕部位一般在1 900 m以上，存在均勻腐蝕和小孔腐蝕。根據(jù)某儲(chǔ)氣庫(kù)注采壓力、溫度的變化可知，采氣期井口壓力為5 MPa時(shí)，氣量超過(guò)29.0×104m3會(huì)出現(xiàn)沖蝕；注氣期井口壓力為20 MPa時(shí)，氣量超過(guò)70.22×104m3會(huì)出現(xiàn)沖蝕。

3 防腐措施的改進(jìn)

油氣井防腐措施主要包括：在鉆井和采氣設(shè)計(jì)中選材，注入緩蝕劑、管道內(nèi)涂層等。結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)獨(dú)特的工況，某儲(chǔ)氣庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮了注采井的套管和油管防腐措施。油層套管全部采用P110鋼級(jí)和氣密封口，注采井采用永久式封隔器，實(shí)現(xiàn)油套封隔，環(huán)空注入保護(hù)液，達(dá)到保護(hù)上部套管的目的。工具材質(zhì)為9Cr，具有抗腐蝕性，油管為?88.9 mm×6.45 mm BG80-3Cr，BGT1扣（氣密封扣）。但在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)水量、地層水礦化度等隨著生產(chǎn)年限改變的現(xiàn)狀及生產(chǎn)產(chǎn)量變化帶來(lái)的沖刷腐蝕[5]。因此，從保護(hù)和減緩腐蝕的目的出發(fā)，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)管柱腐蝕防護(hù)措施進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 制定合理的注采方案

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井與普通氣井相比，吞吐量較大，平均日采氣上百萬(wàn)立方米，對(duì)管柱的沖蝕能力強(qiáng)，會(huì)加劇電化學(xué)腐蝕速度。根據(jù)注采期沖蝕分析可知：注氣期，井口注氣壓力越大，產(chǎn)量越大，越容易發(fā)生沖蝕；采氣期，井口采氣壓力越大，產(chǎn)量越小，越不易發(fā)生沖蝕。因此，在制定生產(chǎn)產(chǎn)量時(shí)不僅要考慮生產(chǎn)需要，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況控制注采氣量，減小沖蝕腐蝕對(duì)管柱的影響，延長(zhǎng)油管使用壽命。

3.2 緩蝕劑評(píng)價(jià)

儲(chǔ)氣庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了通過(guò)油管內(nèi)投入緩蝕棒，逐步釋放緩蝕劑，減緩腐蝕，以保護(hù)油管內(nèi)壁。但氣井的產(chǎn)量、壓力和流速等因注采周期的不同而不斷改變，緩蝕劑的注入量也應(yīng)該逐步調(diào)整。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)緩蝕劑注入量十分必要，并應(yīng)不斷分析、評(píng)價(jià)緩蝕劑效果，實(shí)時(shí)調(diào)整緩蝕劑注入方案。目前，失重掛片法和在線腐蝕探針監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)緩蝕劑效果的主要方法。

3.3 增加在線腐蝕監(jiān)測(cè)裝置

管柱腐蝕是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法不能實(shí)時(shí)地反映管柱腐蝕狀況。還需要利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)掌握注采井的腐蝕狀況和腐蝕趨勢(shì)，掌握應(yīng)用緩蝕劑減緩腐蝕的效果，動(dòng)態(tài)調(diào)整緩蝕劑注入量。

4 結(jié)論

（1）儲(chǔ)氣庫(kù)管柱腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕和沖蝕。

（2）電化學(xué)腐蝕是由CO2和H2O引起，腐蝕部位在1 900 m以上，腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕和小孔腐蝕。

（3）沖蝕發(fā)生在采氣期和注氣期，安全閥和滑套最先發(fā)生沖蝕。注氣期，井口注氣壓力增大，產(chǎn)量增大，容易發(fā)生沖蝕；采氣期，井口采氣壓力減小，產(chǎn)量增大，容易發(fā)生沖蝕。

（4）防腐改進(jìn)措施適合采取控制注采氣量和油管內(nèi)投緩蝕棒的方法，并及時(shí)評(píng)價(jià)緩蝕劑效果。在線監(jiān)測(cè)法易采用掛片失重法。

[1]劉坤，何娜，張毅，等．相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣井的安全風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策建議[J]．天然氣工業(yè)，2013，33（9）：131-135.

[2]郭時(shí)金．蘇橋儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱防腐蝕技術(shù)研究[D]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2012：12.

[3]寇杰，梁法春，陳婧，等．油氣管道腐蝕與防護(hù)[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2008．

[4]王嘉淮，羅天雨，呂剛，等．呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫(kù)氣井沖蝕產(chǎn)量模型及其應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2012，32,（2）：57-59.

[5]尚萬(wàn)寧，喬玉龍，閆昭，等．鄂爾多斯盆地靖邊氣田氣井油管腐蝕規(guī)律與防腐對(duì)策[J]．天然氣工業(yè)，2013，33（2）：115-120.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.009

李碧曦：重慶科技學(xué)院在讀碩士，目前從事儲(chǔ)氣庫(kù)安全技術(shù)研究。

2015-03-31

基金論文：國(guó)家自然科學(xué)基金（91024031）、重慶科技學(xué)院科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目（YKJCX2014045）資助。

18508175976、470961702@qq.com