空氣泡沫驅注入系統腐蝕影響因素的灰色關聯分析

陳明燕王華吳丹妮陳彥榜丁悅劉宇程

1.西南石油大學化學化工學院；2.上海書亞醫藥科技有限公司

空氣泡沫驅注入系統腐蝕影響因素的灰色關聯分析

陳明燕1王華1吳丹妮2陳彥榜1丁悅1劉宇程1

1.西南石油大學化學化工學院；2.上海書亞醫藥科技有限公司

空氣泡沫驅油技術施工中一般存在嚴重的油管腐蝕問題，需要采取有效的控制措施以延長管道使用壽命，以確保油田安全低成本的生產，因此對空氣泡沫驅注入系統的腐蝕影響因素進行了深入分析。采用室內掛片失重法研究了注入套管腐蝕因素對腐蝕速率的影響規律，并在此基礎上運用灰關聯法計算了各腐蝕因素對腐蝕速率的灰關聯度，并進行了影響程度大小排序。結果表明，套管的腐蝕速率隨著空氣/泡沫液交替注入頻率、泡沫液流速、空氣參數（氧含量、濕度、溫度、壓力）的升高而變大，灰關聯度大小排序為空氣/泡沫液交替頻率＞空氣氧濃度＞溫度＞壓力＞濕度＞泡沫液流速。研究結果為進一步了解空氣泡沫驅腐蝕機理以及制定相關抗腐蝕對策提供了技術參考。

腐蝕；灰關聯度；影響因素；空氣泡沫驅

空氣泡沫驅油技術集合了空氣驅和泡沫驅技術的雙重優點，既可防止單一注空氣時氣竄、黏性指進等現象，又可以擴大波及體積，提高采收率，且用空氣作為發泡氣體可以降低注氣成本，尤其在低滲透、特低滲透油田開采中，具有很大的應用價值［1-5］。然而，在注空氣泡沫的同時引入了大量的氧氣，溶解氧在高溫、高壓、高礦化度等復雜的油井工作環境下，注入管線會發生嚴重的氧腐蝕［6］。由于原油和氧在燃燒反應和低溫氧化反應作用下，氧被逐漸消耗生成CO2、醛、酮、酸類物質，故在生產井附近的管線及井柱又發生了二氧化碳腐蝕，造成油田經濟損失，嚴重時會引發安全事故［7-13］。

陜西延長油田甘谷驛采油廠自2007年進行空氣泡沫驅現場試驗以來，截止2012年底，累計增油2107.01 t［14］。隨著開發的進行，注入系統的腐蝕越發嚴重，是目前亟待解決的關鍵問題。林偉明和楊海龍等人針對空氣泡沫交替體系，探索了單一腐蝕因素對腐蝕速率的影響規律，初步進行了空氣泡沫的腐蝕研究［14-16］。關于空氣泡沫腐蝕緩蝕劑的研究，趙遠鵬通過互配緩蝕劑和起泡劑，得到了緩蝕效果較好的吸附成膜性緩蝕劑［17］。何琳婧研究了在空氣-泡沫交融體系下，溫度、壓力、礦化度等腐蝕因素對緩蝕率的影響，深層次評價了緩蝕體系［18］。總的來說，目前國內外關于空氣泡沫腐蝕及防護問題的研究尚處于基礎階段。為了進一步探索各腐蝕因素之間的關系，引入灰關聯理論，從多因素的角度系統地對空氣泡沫腐蝕因素進行分析及排序，客觀評價了影響腐蝕速率的主次要因素，為現場空氣泡沫腐蝕及防護提供理論指導和實際應用價值［19-20］。

1 實驗材料和方法

Experimental material and method

1.1 實驗材料

Experimental material

實驗用掛片為現場J55套管鋼經切割、打磨、拋光，制成尺寸為30 mm×15 mm×3 mm試片，掛片一端留小孔，孔徑為3 mm，用石油醚（沸程60～90℃）、無水乙醇去油除污，干燥待稱重，其材料化學成分質量分數：C為0.358%，Si為0.261%，Mn為1.411%，P為 0.026%，S為 0.002%，Cr為 0.049%，Mo為0.029%，Ni為0.001%，Cu為0.062%，Fe為97.801%。腐蝕介質為加入了起泡劑、穩泡劑的泡沫液，測定其pH為7.15，礦化度為28 783.6 mg/L，離子濃度見表1。另外，注入空氣的氧濃度為22.47%。

表1 室內模擬回注水的離子濃度Table 1 Ion concentration of laboratory reinjection water

1.2 實驗方法

Experimental method

根據采油廠空氣泡沫驅工藝，泡沫液、空氣交替注入，具體流程如圖1所示。

圖1 泡沫液、空氣交替注入方式Fig.1 Alternation injection means for foam liquid and air

在實驗室模擬現場空氣、泡沫交替注入工況下對注入管道的腐蝕影響，考察空氣/泡沫液交替注入頻率、注泡沫流速、注空氣氧含量、注入空氣濕度、溫度和壓力梯度等因素對腐蝕速率的影響程度。實驗中，在一個實驗周期（7 d）內單一注入泡沫液和單一注入空氣為交替頻率為0時的腐蝕實驗；在一個實驗周期（7 d）內完成注泡沫液-注空氣的過程為交替頻率為1時的腐蝕實驗。具體的實驗過程是先注入泡沫液1 L，溫度25℃，壓力為常壓，待反應42 h后，將泡沫液從反應釜的泄流閥中放出，用氮氣將反應釜吹掃干凈；然后向反應釜內注入空氣至壓力為12 MPa，溫度25℃，待反應126 h 后放掉空氣，完成一次交替。多次交替是指用循環泵將之前的泡沫液重新導入，重復交替過程。室內實驗裝置如圖2所示。

1.3 測試標準

Test standard

實驗掛片的失重評價參照SY/T 5273—2000 《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》，腐蝕產物的清除、清洗參考ISO 8407—2009 《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》。掛片、泡沫液實驗腐蝕前后對比如圖3所示。對比腐蝕前后掛片和泡沫液的顏色、外觀，可發現腐蝕后的掛片表面覆蓋著一層紅褐色的腐蝕產物，洗后的掛片表面呈現許多點蝕坑；泡沫液由原來的無色透明狀變成了黃棕色的渾濁液，主要是腐蝕產物溶解于其中。

圖2 泡沫液與空氣交替實驗Fig.2 Experiment with the alternation of foam liquid and air

圖3 掛片、泡沫液實驗前后比較Fig.3 Comparison of the changes before and after the coupon and foam liquid experiment

2 空氣泡沫驅腐蝕影響因素分析

Influencing factors for corrosion of air foam flooding

2.1 空氣/泡沫液交替注入頻率

Alternating injection frequency of air/ foam liquid

空氣/泡沫液交替頻率對腐蝕速率的影響如圖4所示。單一注空氣和單一注泡沫液交替頻率為0時的腐蝕實驗，腐蝕速率為0.028 5 mm/a、0.049 6 mm/a。參考SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》，這2種情況的腐蝕速率均小于行業標準值0.076 mm/a，這是因為干燥環境下的氧氣對油田管線的腐蝕很小，活性發泡劑吸附在鋼片表面形成一層隔離膜，在無氧條件下水對鋼片腐蝕也相對較弱［21-22］。從圖4可知，腐蝕速率隨交替頻率的增加而增加，且增速先快后慢，是因為隨交替頻率的增加，泡沫液溶解氧的能力先強后弱，最后趨于飽和，但泡沫液中總的氧濃度是增大的，故腐蝕程度是變大的。當空氣/泡沫液在一個腐蝕周期內交替6次時，腐蝕速率達到1.016 5 mm/a，是單一泡沫液腐蝕速率的20.5倍，說明循環交替使更多的氧被攜帶到注入系統，在水共存條件下發生干-濕交替腐蝕。

圖4 空氣/泡沫液交替注入頻率對腐蝕速率影響Fig.4 The effect of air/foam liquid alternating injection frequency on corrosion rate

2.2 泡沫液流速

Flow velocity of foam liquid

泡沫液流速的大小對腐蝕速率的規律如圖5所示。腐蝕速率隨注泡沫液流速的變大而增加，流速為0.05 m/s下的腐蝕速率已達到1.324 1 mm/a，當流速增大到0.25 m/s時，腐蝕速率為2.364 mm/a，腐蝕極為嚴重。這是由于泡沫液注入時的流速增加，管壁腐蝕產物被沖刷掉，金屬與新鮮的含氧溶液接觸量增加，對管壁會造成一定的腐蝕。

圖5 泡沫流速對腐蝕速率的影響Fig.5 The effect of foam flow velocity on corrosion rate

2.3 空氣氧濃度

Oxygen concentration in the air

注空氣時攜帶的部分氧與回注系統中的水接觸后會嚴重腐蝕管道。根據采油廠現場控氧要求，探索氧濃度5%附近的腐蝕。氧濃度與腐蝕速率的關系如圖6所示，圖中零點為氧濃度空白實驗（不注入氧氣，與圖4中單純注泡沫液實驗相對應）。從圖6可以看出，腐蝕速率隨空氣中氧濃度的增加而變大。在直接注入空氣（氧濃度為22.47%）下腐蝕速率達到1.223 7 mm/a，這是氧氣與水共同存在發生電化學腐蝕的結果，故現場很有必要對注空氣/泡沫液的注入工藝優化，以控制氧量［23-25］。

圖6 空氣氧濃度對腐蝕速率的影響Fig.6 The effect of the oxygen concentration in the air on the corrosion rate

2.4 空氣溫度、壓力、濕度

Air temperature,pressure and humidity

由于井深不同而油藏的溫度不同、空氣濕度在不同月份的差異，因此有必要研究空氣溫度、濕度等因素對腐蝕的影響。如圖7 所示注空氣的溫度、壓力、濕度與腐蝕速率的關系。從圖中看出，腐蝕速率隨溫度的升高、壓力的增加、濕度的增大而變大。溫度30℃時，腐蝕速率達到1.549 3 mm/a，其它條件不變，壓力為12 MPa時腐蝕速率為1.268 7 mm/a，腐蝕均很嚴重，濕度對腐蝕影響相對較弱。這是因為溫度會影響掛片表面鈍化膜的形成［26-28］。另外，溫度、壓力影響注空氣中氧分子的擴散速度，在溫度升高、壓力增大下擴散加快，導致接觸的氧濃度變大，潮濕的環境與氧共存的條件下，鋼片發生電化學等腐蝕，腐蝕加強。

圖7 空氣溫度、壓力、濕度對腐蝕速率的影響Fig.7 The effect of air temperature,pressure and humidity on the corrosion rate

2.5 腐蝕產物分析

Corrosion products analysis

為了更清楚認識空氣/泡沫驅腐蝕過程和機理，對室內模擬試驗的腐蝕產物進行形貌、結構及成分分析。結合現場工況，選取掛片在交替頻率6次、注泡沫速度0.2 m/s、溫度25℃、壓力12 MPa、濕度57%、直接注空氣（氧含量22.47%）實驗條件下的腐蝕產物做電子掃描鏡（SEM，ZEISS EV0 MA15）、X射線衍射儀（XRD，X Pert Pro MPD）、元素分析儀（EDS，V4105）測試。腐蝕產物的微觀形貌如圖8所示，為1 000倍放大下的形貌，從圖中可以看出掛片腐蝕后形成的腐蝕產物膜偏厚、表面有晶體顆粒生成且排列緊密、顆粒之間堆疊導致表面凹凸不平整。腐蝕產物中的元素分析如圖9所示，橫坐標表示掃描出對應元素時X射線的能量，縱坐標表示該元素在單位時間的計數，即強度。經測試得到腐蝕產物的元素種類及原子比C∶O∶Ca∶Fe∶Si=1∶5∶1.5∶3.1∶1.2，其 中O和Fe的量是相對較多的。腐蝕產物的成分及結構分析如圖10所示，橫坐標表示掃描探頭收集到2倍入射角范圍的射線，縱坐標表示衍射強度，結合圖9中腐蝕產物的元素分析，推斷得到室內模擬空氣/泡沫驅注入系統腐蝕產物鐵銹成分為Fe2O3及少量的FeO（OH），此結果與文獻中報道內容一致［16、28］。另外，腐蝕產物中的結垢成分為CaCO3、SiO2，為地層砂的主要成分（室內實驗加入了少許地層巖石）。

圖8 腐蝕產物的SEM測試Fig.8 SEM test of the corrosion products

圖9 腐蝕產物的EDS分析Fig.9 EDS analysis of the corrosion products

圖10 腐蝕產物的XRD分析Fig.10 XRD analysis of the corrosion products

3 空氣泡沫驅腐蝕因素灰色關聯分析

Grey correlation analysis for the corrosion factors of air foam flooding

3.1 參考序列和比較序列的確定

Determination of reference sequence and comparison sequence

灰色關聯分析是確定參考序列與比較序列間的關聯程度，找出系統中影響參考序列的主要、次要因素［29-30］。對于空氣/泡沫驅管道的腐蝕，以腐蝕速率作為參考序列，選取空氣/泡沫液交替頻率、泡沫液流速、空氣氧濃度、空氣溫度、壓力及濕度6個因素實驗值作為比較序列，數據見表2。

3.2 數據的無量綱化

Dimensionless method of the data

由于每個因素的量綱不一樣，在進行灰關聯分析前需對參考序列和比較序列數據無量綱化處理。具體采用了均值法使各序列數據的量綱一致，即先計算出各序列的平均值，后用序列中的每個數值除以這個平均值，得到無量綱化后的數據。

3.3 關聯度的計算

Calculation of correlation degree

在序列無量綱化基礎上，求出各比較序列的差序列和關聯系數，最后對關聯系數列求平均值得到每個腐蝕因素的關聯度，結果見表3［31-32］。從表中數據看出，關聯度大于0.7的因素從大到小的排序為：空氣/泡沫液交替注入頻率＞注空氣氧濃度＞溫度，為空氣泡沫驅腐蝕的主要因素，壓力、濕度、泡沫液流速為次要因素。

表2 腐蝕影響因素比較序列分析結果Teble 2 Comparison sequence analysis results of corrosion factors

表3 腐蝕影響因素的灰關聯度降序排列Table 3 Descending order of grey correlation degree of corrosion factors

4 結論

Conclusions

（1）室內實驗研究表明，套管鋼在空氣泡沫驅注入系統中的腐蝕速率隨著空氣/泡沫液交替頻率、注空氣氧濃度、注泡沫液流速、空氣溫度、壓力及濕度因素值的增加而變大。

（2）室內模擬空氣/泡沫驅掛片實驗腐蝕產物的主要成分為Fe2O3、FeO（OH）以及CaCO3、SiO2，前者為鐵銹的部分成分，后者為地層砂的成分。

（3）運用灰關聯法確定了影響空氣泡沫驅腐蝕程度的主次要因素，關聯度排序為空氣/泡沫液交替頻率＞注空氣氧濃度＞空氣溫度＞空氣壓力＞空氣濕度＞泡沫液流速。

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（修改稿收到日期 2017-01-20）

〔編輯 李春燕〕

Grey correlation analysis for the corrosion factors of injection system of air foam flooding

CHEN Mingyan1,WANG Hua1,WU Danni2,CHEN Yanbang1,DINGYue1,LIU Yucheng1
1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China;
2.Shanghai Shuya Chemical Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai200433,China

Serious oil well tubing corrosion problem generally exists in the operational process of air foam flooding technology and needs to take the effective control measures to prolong the pipeline life and guarantee safe oilfield production with low cost.Therefore,the corrosion factors for the injection system of air foam flooding were analyzed thoroughly.By using laboratory specimen weight loss method,the influence law of corrosion rate affected by injection casing corrosion factors was studied,and on this basis，by using grey correlation methods，the grey correlation degree of corrosion rate by various corrosion factors was calculated and sequenced according to its influence degree.The results show that the corrosion rate of the casing becomes higher with the increase of air/ foam alternating injection frequency,foam liquid flow velocity,air parameters (including oxygen content,humidity,temperature and pressure) and the grey correlation degree sequence is air/foam liquid alternation frequency ＞ oxygen concentration in the air ＞ temperature ＞humidity＞flow velocity of the foam liquid.The research results offer reference for further comprehending the corrosion mechanism of air foam flooding and making relevant control countermeasures.

corrosion;grey correlation degree;influencing factors;air foam flooding

陳明燕，王華，吳丹妮，陳彥榜，丁悅，劉宇程.空氣泡沫驅注入系統腐蝕影響因素的灰色關聯分析［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：224-230.

TE983

：A

1000-7393（2017）02-0224-07

10.13639/j.odpt.2017.02.018

: CHEN Mingyan,WANG Hua,WU Danni,CHEN Yanbang,DINGYue,LIU Yucheng.Grey correlation analysis for the corrosion factors ofinjection system of air foam flooding［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 224-230.

陳明燕（1976-），2005年畢業于西南石油大學化學工程專業，獲碩士學位，現從事石油天然氣加工及環境污染治理技術研究，副教授。通訊地址：（6105000）四川省成都市新都區新都大道8號西南石油大學化學化工學院。E-mail：cmyswpi@126.com

劉宇程（1977-），2001年畢業于西南石油大學化學工藝專業，獲碩士學位，現從事油氣田環境污染治理技術研究，教授。通訊地址：（6105000）四川省成都市新都區新都大道8號西南石油大學化學化工學院。E-mail：lycswpi@163.com