油套管腐蝕速率影響因素敏感性試驗研究

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)①

本文采用室內試驗的方法，模擬實際井下壓力和流速環境，研究4大因素(含水率、溫度、CO2分壓、管柱材質)對管柱腐蝕速率影響的規律，并通過灰色關聯度的數學方法，探究了各個因素的敏感性。研究結果可以為油套管選擇提供依據，降低其發生腐蝕現象的可能性。

1 試驗裝置和方法

利用CRS高溫高壓動態腐蝕評價系統進行該試驗研究，如圖1所示。該系統可以調整環境壓力和流速，以模擬實際的井下條件。以BZ-X1井為試驗模擬井，井下壓力為5 MPa，流速為0.5 m/s；試片的材質為N80鋼片、3Cr鋼片、13Cr鋼片；采用的測量儀器為電子天平和游標卡尺，精度分別為0.000 1 g和0.02 mm。

試驗步驟如下：

1) 根據BZ-X1井的水質分析數據，按成分配比配制模擬地層水。

圖1 CRS高溫高壓動態腐蝕評價系統

2) 取BZ-X1井的沙河街油組油樣，進行脫水后，按比例與配置的地層水混合，配成含水率為30 %和70 %的油水混合樣。

3) 將腐蝕鋼片用無水乙醇浸泡約5 min，取出鋼片，用濾紙擦干，冷風吹干包好，放入干燥器中干燥30 min，稱重(精確至0.000 1g)。

4) 安裝腐蝕鋼片到反應釜；打開預熱釜，加入油水樣500 mL，通入CO2除去釜中的氧氣，按試驗方案設置溫度，打開冷卻循環水，加熱預熱釜，并加壓將預熱釜中油水樣打入反應釜中；加熱反應釜，向反應釜內注入一定壓力的CO2，并用氮氣將總壓補充至規定壓力。控制轉速為0.5 m/s(160 r/min)，動態腐蝕鋼片24 h。

5) 試驗結束后，取出鋼片進行拍照。然后用水沖洗鋼片表面沉積物，并用醫用紗布擦干，放入無水乙醇中浸泡約5 min，取出用冷風吹干，放在干燥器內30 min后稱量，計算腐蝕速率。

為了研究含水率、溫度、CO2分壓、管柱材質等因素對腐蝕速率的影響，流速和壓力選為定值，試驗分多組進行，試驗的具體方案如表1所示。

表1 鋼片腐蝕試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

各參數對腐蝕速率影響的試驗結果如表2。由表2可以看出，隨著金屬含鉻量的增加，腐蝕速率降低；隨著含水率的增加，腐蝕速率加快；隨著溫度的升高，腐蝕速率升高；隨著CO2分壓的升高，腐蝕速率加快。而各因素的敏感性還需進一步研究。

表2 鋼片腐蝕速率試驗數據

2.2 灰色關聯度分析方法分析流程

灰色關聯度分析法是基于灰色關聯度的概念，采用符合系統行為特征的方法，尋求系統中各子系統(因素)間的數值關系，對于系統發展態勢提供了量化的度量。該方法已在數學、水文、經濟、環境、農業、能源等多領域廣泛應用，具體分析步驟如下[10-13]：

1) 確定分析序列。確定反映系統行為特征的參考序列 和影響系統行為的比較序列。參考序列是反映系統行為特征的數據序列，又稱母序列，比較序列為影響系統行為的因素組成的數據序列，又稱子序列。

Y={Y(k)1k=1,2,Λ,n}

(2)

Xi={Xi(k)|k=1,2,Λ,n},i=1,2,Λ,m

(3)

2) 數據無量綱化處理。由于系統中各因素量綱不同，因此在比較時，首先對數據進行無量綱化處理。

3) 計算灰色關聯度系數。首先分別求出差序列Δi、兩級最小差和最大差；然后求關聯度系數ξi(k)。

Δi=|y(k)-xi(k)|

(4)

(5)

(6)

(7)

4) 灰色關聯度計算。對n個關聯度系數求算術平均值，即得灰色關聯度ri。

(8)

5) 關聯度排序。計算得到不同系統因素對應的關聯度后，按照關聯度大小進行排序，并稱ri為參考序列Y(k)與比較序列xi(k)的關聯度。

2.3 篩管沖蝕影響因素關聯度分析

按照以上方法流程，選出參考序列(腐蝕速率)和比較序列(CO2分壓、溫度、含水率、鉻含量)，各個序列的值如表3所示。注意各個序列單位不同，因此需要進行無量綱處理以消除單位對各個數值的影響。

利用均值化的處理方法，對表3中的數據進行無量綱化處理。計算得到兩級最小差和最大差分別為0.01和3.20；按式(7)計算各試驗因素的關聯度系數，如表4所示。

表3 篩管沖蝕影響因素指標分析序列

表4 相關系數計算結果

計算各個因素的關聯度和密切關聯度系數，結果如表5所示。根據關聯度的大小進行排序，得到了各個因素對腐蝕速率的敏感性，敏感度排序為：溫度>含水率>CO2分壓>鉻含量。因此，在深度較深或者地層穩定梯度較高的井，一定要首先考慮管材的腐蝕；在油田前期設計管柱材料時，要對全生命周期內的含水率進行綜合考慮，以最大含水率條件為極限腐蝕情況。具體的防腐蝕措施包括：改變管柱材質，如使用高含鉻量的管材，但這種措施往往會增大投資；定期向井下加入防腐蝕劑，抑制井下管柱發生化學腐蝕；對于高含水的油層，考慮使用AICD、ICD、連續封隔體等控水措施，控制生產后期的含水率，防止由于含水率的快速增長造成的腐蝕加劇。

表5 成因灰色關聯度計算結果和分析

3 結論

1) 利用室內試驗，研究了含鉻量、含水率、溫度和CO2分壓4個因素對腐蝕速率的影響：隨著金屬含鉻量的增加，腐蝕速率降低；隨著含水率的增加，腐蝕速率加快；隨著溫度的升高，腐蝕速率升高；隨著二氧化碳分壓的升高，腐蝕速率加快。

2) 利用灰色關聯度的數學方法，研究了各個因素對腐蝕速率影響敏感性，敏感度排序為：溫度>含水率>CO2分壓>鉻含量。

3) 根據敏感性分析結果，在深度較深或者地層穩定梯度較高的井，首先考慮管材的腐蝕；而在油田前期設計管柱材料時，要對全生命周期內的含水率進行綜合考慮，以最大含水率條件為極限腐蝕情況。