火燒油層油井腐蝕要素分析及技術(shù)防護(hù)對(duì)策

柴貿(mào)杰（紐芬蘭紀(jì)念大學(xué) 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，圣約翰斯市 加拿大）

火燒油層油井腐蝕要素分析及技術(shù)防護(hù)對(duì)策

柴貿(mào)杰（紐芬蘭紀(jì)念大學(xué) 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，圣約翰斯市 加拿大）

火燒油層作為稠油蒸汽吞吐開發(fā)后期經(jīng)濟(jì)有效的接替技術(shù)，在其開發(fā)試驗(yàn)及工業(yè)化推廣過程中，暴露出油井管柱等井下管材腐蝕較為嚴(yán)重，影響油井日常生產(chǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、剖析基礎(chǔ)上，指出該工藝技術(shù)下油井腐蝕的主要原因及影響因素，提出了火燒油層開采方式下油井防腐蝕的方法，對(duì)于減少油井腐蝕情況的發(fā)生具有一定的指導(dǎo)作用。

火燒油層；油井；腐蝕；硫化氫

火燒油層是一種具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)和潛力的熱力采油方法，具有驅(qū)油效率高、油藏適應(yīng)范圍廣、能量利用高等特點(diǎn)，綜合了熱水驅(qū)、氣驅(qū)、混相驅(qū)和非混相驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理【1】。火驅(qū)技術(shù)近幾年在國內(nèi)外室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均取得了長足的進(jìn)步與發(fā)展，但從火驅(qū)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來看，注氣管柱、采油管柱及抽油泵等腐蝕狀況不容樂觀。

1 火驅(qū)油井腐蝕因素分析

一般油井生產(chǎn)過程中存在腐蝕的主要因素，綜合起來主要是物理方面（如：壓力、溫度、流速、偏磨等）、化學(xué)方面（如：氧氣、硫化氫、二氧化碳等）及生物方面（如滋生的硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細(xì)菌、腐生菌）。

從國外火燒油層油井腐蝕案例來看，火燒油層試驗(yàn)及開發(fā)過程中普遍存在油井腐蝕問題【2】。分析產(chǎn)生腐蝕的要因應(yīng)從火燒油層開發(fā)機(jī)理、生產(chǎn)過程入手。在火驅(qū)生產(chǎn)過程中，許多因素會(huì)造成生產(chǎn)井腐蝕，這些因素包括水、C02、H2S、O2、CO、H2、低pH值和高溫等。除被注入氣體驅(qū)替的地層水以外，燃燒反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生CO2和水；原生水因火焰前緣加熱而汽化；溫度增高造成原油中硫醇、硫醚等有機(jī)硫化物及地層中的含硫礦物在高溫下反應(yīng)生成H2S；一些O2經(jīng)火餡前緣竄流到生產(chǎn)井等，這些因素都會(huì)加劇井下管柱的腐蝕。在火燒原油過程中，高溫火焰和套管接觸傳熱，鋼管的溫度可高達(dá)500℃，高溫不僅會(huì)使材料軟化，且使鋼管氧化變薄，高溫氧化和酸性腐蝕使井下管柱和工具局部產(chǎn)生腐蝕坑，長期作用導(dǎo)致管材腐蝕穿孔甚至斷裂。

1.1 硫化氫(H2S)

硫化氫主要來自含硫油裂解和伴生氣在水中的溶解，采出水中硫化氫的含量較高，致使油管、套管和采油泵腐蝕嚴(yán)重。H2S在水中的溶解度隨溫度升高而降低。干燥的H2S對(duì)金屬材料無腐蝕破壞作用，只有溶解于水中才具有腐蝕性，一旦溶于水便立即電離，釋放出的氫離子是強(qiáng)去極化劑，極易在陰極奪取電子，促進(jìn)陽極鐵溶解反應(yīng)而導(dǎo)致鋼鐵的全面腐蝕。H2S還有另一種腐蝕破壞形式，能使金屬材料破裂。H2S對(duì)鋼材電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生氫，氫原子向鋼鐵內(nèi)部滲透，從而導(dǎo)致氫損傷，在很低的拉應(yīng)力下就可能發(fā)生破裂，因此在H2S腐蝕嚴(yán)重地區(qū)，抽油桿斷裂會(huì)更頻繁。

1.2 溶解氧（O2）

大量實(shí)驗(yàn)表明，室溫下碳鋼在無氧純水中的腐蝕速率小于0.04mm/a，腐蝕幾乎觀察不到，而當(dāng)水中溶有氧后則腐蝕速率成倍增加。在高礦化度污水中，當(dāng)溶解氧由0.02增加到0.65mg /L時(shí)，腐蝕速率增加5倍；當(dāng)溶解氧含量達(dá)到1.0mg/L時(shí)，腐蝕速率則增加20倍。在火驅(qū)開采中，油井采出水中含有的O2主要是由注入空氣未完全燃燒或氧化所致，能引起金屬腐蝕的氧只有溶解狀態(tài)的氧，溶解氧對(duì)腐蝕的影響非常大，濃度在0.1mg/ L左右就能引起嚴(yán)重的腐蝕。從腐蝕形態(tài)上看，溶解氧引起的腐蝕絕大多數(shù)是危害更大的局部腐蝕。另外，溶解氧引起的特殊腐蝕就是垢物及腐蝕產(chǎn)物下氧濃差腐蝕，它是局部腐蝕最為常見的一種形式，比起均勻腐蝕更為嚴(yán)重，也更具威脅性。

圖1 氧氣分壓和溶解氧含量對(duì)N80、P110管材腐蝕速率的影響

1.3 二氧化碳（CO2）

在火驅(qū)開采中，油井采出的CO2主要是由注入空氣燃燒的產(chǎn)物，CO2在水中的溶解度隨壓力的增加而增加，隨溫度的升高而降低。油田水中如果含有過量的CO2，會(huì)對(duì)金屬設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕。CO2腐蝕主要是氫去極化腐蝕，當(dāng)水中有游離CO2存在時(shí)，消耗掉的氫離子會(huì)被弱酸的繼續(xù)電離所補(bǔ)充，CO2使水呈酸性，破壞保護(hù)膜，并且鋼材受CO2腐蝕而生成的腐蝕產(chǎn)物都是易溶的，腐蝕的特征往往是金屬表面沒有腐蝕產(chǎn)物。

1.4 溫度

溫度對(duì)腐蝕速度的影響象大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣，可以加速電化學(xué)反應(yīng)的速度，因而加速腐蝕。腐蝕速率隨水溫度的升高而成比例的增加，一般情況下，水溫度每升高10℃，鋼鐵的腐蝕速度約增加30%。因此，在一些高溫油井中，尤其是火驅(qū)這樣開采方式，溫度是影響井下設(shè)備腐蝕的主要因素。

2 火驅(qū)油井防腐蝕方法

國外火驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)油井防腐的主要技術(shù)措施如表1，采用的主要方法有選用耐腐蝕材料、表面處理、化學(xué)緩蝕劑等。國內(nèi)應(yīng)根據(jù)火驅(qū)油井生產(chǎn)的實(shí)際，經(jīng)濟(jì)合理地選擇不同方式對(duì)油井進(jìn)行防腐蝕，綜合起來，主要包括源頭防腐、動(dòng)態(tài)防腐等。

圖2 氧分壓0.5MPa條件下管材的對(duì)比優(yōu)選

圖3 氧分壓0.02MPa條件下管材的優(yōu)選

2.1 源頭防腐蝕

（1）中國新疆油區(qū)紅淺1井區(qū)火驅(qū)開發(fā)固井優(yōu)選了耐高溫抗二氧化碳腐蝕的水泥漿體系【4】。水泥石試樣經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后,室內(nèi)測(cè)試最小抗壓強(qiáng)度為13.8 MPa,經(jīng)二氧化碳腐蝕后水泥石形態(tài)致密,結(jié)構(gòu)比較均勻,仍具有較高的強(qiáng)度,其性能能夠滿足火驅(qū)開發(fā)高溫作業(yè)的要求。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試合格率為100%,優(yōu)質(zhì)率達(dá)77.8%,取得了較好的應(yīng)用效果,保證了火燒油層井的固井質(zhì)量及生產(chǎn)安全。

表1 國外火驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)油井防腐蝕措施Tab.1 On-site anti-cororsion methodsa broad

（2）管柱防腐蝕技術(shù)：對(duì)油管進(jìn)行耐高溫防腐蝕處理，采用適用于210～610℃以下高溫防銹防腐涂料，使其具有優(yōu)越的高溫抗氧化防腐蝕性能，及良好的機(jī)械性能和耐冷熱溫差驟變性能，或選用13Cr、304不銹鋼、316不銹鋼等高端耐腐蝕鋼管系列產(chǎn)品，具有較強(qiáng)的耐蝕性（圖2、圖3所示），但13Cr鋼油套管的價(jià)格是碳鋼的3-5倍。

（3）選用合金鋼配套井下工具：使用耐高溫防腐蝕抽油泵代替普通抽油泵；采用耐高溫防腐蝕材料制造油管、氣錨、分流器等，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的正常舉升。

2.2 火驅(qū)過程動(dòng)態(tài)防腐蝕

（1）針對(duì)火驅(qū)油井的生產(chǎn)現(xiàn)狀和特點(diǎn)，確定當(dāng)油井發(fā)生明顯的腐蝕時(shí)，生產(chǎn)井環(huán)空可以采用封隔器或者用防腐措施加以防護(hù)；同時(shí)應(yīng)重新選擇井口、油管、封隔器、合成橡膠以及其它裝置，結(jié)合防腐措施，使油井的腐蝕減至最少。

（2）高溫防腐劑：篩選配套油井防腐劑，定期向高溫井添加防腐劑。

圖4 潤滑脂涂膜的表面保護(hù)作用對(duì)比

3 結(jié)語

火燒油層開發(fā)方式下點(diǎn)火井及油井發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的因素很多，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，分析影響腐蝕成因的主要因素是硫化氫、二氧化碳、氧氣及溫度等。防護(hù)技術(shù)措施上應(yīng)根據(jù)火驅(qū)井生產(chǎn)的實(shí)際，經(jīng)濟(jì)合理地選擇不同方式對(duì)油井進(jìn)行防腐蝕，主要包括源頭防腐、動(dòng)態(tài)防腐等，其中源頭防腐是關(guān)鍵，起到根本性保障作用；過程防腐是被動(dòng)且不得已而為之的。應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)狀況合理選用，有效防止或減少油井腐蝕情況的發(fā)生，避免因腐蝕導(dǎo)致的各種事故的發(fā)生，延長油井設(shè)備的使用壽命，保證油井的正常生產(chǎn)。

[1]張敬華，楊雙虎，王慶林.火燒油層采油[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:160-226.

[2]《油氣田腐蝕與防護(hù)技術(shù)手冊(cè)》編委會(huì)油氣田腐蝕與防護(hù)技術(shù)手冊(cè)（上）【M】北京：石油工業(yè)出版社，1999:43-152.

[3]王彌康，張毅，黃善波.火燒油層熱力采油[M].東營:石油大學(xué)出版社,1985：83-261.

[4]尹虎，劉輝，李黔等《石油天然氣學(xué)報(bào)》，2012,34（8）:120-122.

柴貿(mào)杰（1994-），男，現(xiàn)加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)石油工程專業(yè)碩士研究生在讀。