在役井腐蝕監測關鍵技術研究

羅 衡 元少平 楊 超 雷 正 楊 浩 李 航 胡尚明 敬 俊 張 智 孫漢文

1. 中海油安全技術服務有限公司, 天津 300456; 2. 西南石油大學機電工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

在油氣田開發生產過程中,井筒管柱腐蝕損害是危害油氣田生產安全的重大因素[1-2]。CO2和H2S等腐蝕介質會使油氣水井管柱強度降低[3-4],導致管柱在井筒壓力變化以及外力作用下產生變形、破裂、錯斷等損壞[5-8],造成油田開發后期注采井網不完善,對油田的開發效果造成巨大影響[9-10],同時還大大增加了安全事故發生的可能性[11]。因此,有計劃地對管柱腐蝕情況進行監測非常必要[12-14]?，F有的氣井井下管柱腐蝕監測技術中,腐蝕條件多為實驗模擬,與實際工況存在偏差主要存在以下問題:超次聲導波監測技術成本較高且多用于管線等地面設備[15-17];蘭州石化聯合北京化工大學開發了煉化裝置腐蝕監測系統,克服了CR-100和FEM等系統管理離散化的缺點,但仍無法應用于地下管線[18-19];采用多臂測井等技術對套管腐蝕的檢測作業則無法達到實時監測的目的[20]。為更真實更直觀地評價井下腐蝕狀態,縮減腐蝕監測成本,需要設計一種安裝方便、適應性強,并對井下流體流動狀態影響較小的腐蝕監測工具,同時應具有對采集信息進行集中處理的能力,從而形成一整套井下腐蝕監測分析系統。為此,本文設計了井下腐蝕掛片監測工具及工藝技術,并配套實驗室模擬分析驗證以及在役井油套管數據庫等,實現了監測和預測相互驗證的閉環管理模式。

1 井下腐蝕監測工具

監測工具隨完井作業或大修管柱作業下放到井下來監測腐蝕情況,具有腐蝕監測深度調節方便,試片數量、組合方式及類型可調節等特點。工藝實施上,下入掛片腐蝕監測的優點包括:不影響油氣井正常生產;不改變井下流體原有的流動狀態;適用于各種不同類型井工況;監測點可分布于管柱的各個位置。

工具結構設計上考慮模塊化預安裝設計,不占用井口作業時間。帶電纜管柱作業時可替代部分電纜保護器功能,實現快速安裝拆卸,結構可靠度高。

1.1 工具結構設計

實現對井身不同位置環空腐蝕環境的掛片的腐蝕監測,主要有三個要求:過電纜;適用于不同尺寸油管;適用EUE和FOX等不同扣型。根據以往經驗以及有關技術規范,參考電纜保護器的結構原理,設計了具有電纜保護功能的腐蝕監測掛片裝置。整個掛片器固定在油管接箍位置,在起下鉆過程中不會上下竄動,整個裝置的流線型外殼可進一步避免井下卡鉆現象的發生。該設計的主要優點是試樣與井下流體介質充分接觸,施工方便,成本低,工具結構簡單可靠,提高了生產管柱的本質安全性。腐蝕監測掛片裝置結構見圖1。

圖1 腐蝕監測掛片裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the corrosionmonitoring coupon

常規掛片工具設計滿足安裝油管尺寸(88.9 mm管、73.0 mm油管、58.75 mm工作筒等),安裝于電泵上部的掛片需滿足電纜穿越要求(圓電纜尺寸AWG 2#、AWG 4#),電纜穿越槽能隨時安裝拆卸。螺栓位置做下沉處理,內部加絕緣墊片,設備邊緣需做倒角或圓角處理。掛片工具中掛片試片要求與目標井套管材質保持一致,盡量采用原井同批次套管加工試片。

掛片采用長條型,掛片嵌在監測裝置上,監測裝置與掛片接觸的部位用樹脂隔離開,并用不銹鋼螺栓固定;掛片經刨、磨工序,多次打磨使其表面光滑,粗糙度為0.63～1.25 μm;將掛片用紗布擦去油污,用游標卡尺測量并計算出其表面積;將干燥好的掛片用天平稱重,記錄好試環的編號與對應的重量。

圖2 腐蝕監測掛片裝置實物圖Fig.2 The corrosion monitoring coupon

腐蝕監測掛片裝置實物見圖2。工具頂端倒圓角設計可防止起、下過程中發生遇卡事故。中部的配合部分規格多樣,可配合73.00～114.3 mm油管下入,也可根據絲扣類型進行定制設計。底端采用銷釘式鎖緊,上卸方便快捷。腐蝕監測掛片可使用與所夾持管柱相同的材質,并能處于井下相同的腐蝕環境中。高溫(最高160°C)耐腐蝕墊片,避免電離腐蝕的影響。整個工具可跟隨現場正常油管作業共同下入起出,不影響其正常工作,使用方便。

1.2 掛片監測位置設計

井下掛片檢測安裝設計遵循以下原則:在腐蝕最嚴重的位置安裝監測掛片;在不同材質套管連接附近安裝電偶掛片;對井下不同深度腐蝕進行監測;對壓井液和油氣水腐蝕都進行檢測。

腐蝕最可能發生的區域為潛油泵吸口附近和井下含水率高的位置。因此,支管掛片或堵塞器(Y-tool)懸掛檢測探頭放在泵吸入口動液面附近較好。其中堵塞器(Y-tool)懸掛檢測探頭分別布置在泵吸入口附近和引鞋外面,但是考慮到泵吸入口空間問題,支管掛片無法在泵吸入口附近安裝,因此布置在泵下方附近,見圖3。

圖3 掛片監測裝置位置設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of the design of the couponmonitoring device position

以某口井為例,井下腐蝕監測掛片設計共三種,分別是88.9 mm油管掛片、73.0 mm支管掛片和Y-tool檢測掛片。考慮到不同深度生產套管腐蝕的檢測需要,掛片監測位置設計見表1。

表1 掛片監測位置設計表

油井環空中留有完井液或修井液,處在其中的生產套管也存在較大的腐蝕風險。封隔器以上環空部分的修井液或完井液溫度變化不大,狀態為靜止,無腐蝕性氣體,其腐蝕來源主要為液相中的腐蝕性離子。由于存在溶解氧的問題,液面附近的腐蝕是最大的,但由于液面具體位置無法確定,因此,井下掛片布置以置于液相中為準。

1.3 設計優點

本設計具有以下優點:能夠真實有效地檢測井下腐蝕狀況;實現電纜穿越,能夠起到保護電纜的作用;可一次性下入多個不同材質的檢測掛片;可同時研究電偶腐蝕和接觸腐蝕狀況;特殊材質的卡箍可有效避免電腐蝕現象;腐蝕監測掛片與井內流體介質充分接觸,與管柱有效隔離,保證監測效果良好;結構簡單,拆裝方便,安裝部位靈活;加工簡便,成本低,實用性強。

1.4 腐蝕速率計算

為了避免試環油污影響，先用丙酮洗油，后放置于加入1%～2%鹽酸緩蝕劑的5%～10%鹽酸溶液中浸泡1～5 min；清洗后用蒸餾水沖洗,將試環再用無水乙醇脫水,并用濾紙擦干表面,將其存放于干燥器中,4 h后使用電子天平稱重。腐蝕速率的計算如式(1)所示:

F=(m1-m2)×3 650/(Stρ)

(1)

2 實驗室高壓釜模擬實驗

2.1 高溫高壓釜實驗

參考JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》、GB/T 23258-2009《鋼質管道內腐蝕控制規范》(對應NACESP 0106-2006)、GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕點蝕評定方法》(對應ISO 11463)開展實驗。利用Cortest的C-276高溫高壓釜模擬開展油氣井管柱在地層介質沿井深、溫度、CO2分壓變量情況下的腐蝕實驗,評估不同材質在真實環境下的腐蝕速率變化規律,從金屬表面腐蝕產物膜方面進行研究,分析其腐蝕機理,同時與現場工況條件下的腐蝕監測結果相對比,為井筒選材及腐蝕控制提供可靠依據。反應釜為哈式合金鋼材質,設計工作壓力35 MPa,設計工作溫度350°C,并通過高溫高壓化學腐蝕實驗測試驗證了實驗裝置的有效性。高溫高壓釜實驗原理見圖4。

以某口井實驗為例,采用失重法測試某一材質在模擬真實工況條件下的均勻腐蝕速率。實驗壓力為35 MPa,實驗溫度為350°C,研究80 000 mg/L礦化度時不同CO2分壓對腐蝕速率的影響。

實驗與電子腐蝕工程師軟件(ECE)的腐蝕速率結果對比見圖5。從圖5中可知,實驗和ECE中液相和氣相的腐蝕速率差距均在10%以內,說明ECE可以用作決策依據。

圖4 高溫高壓釜實驗原理圖Fig.4 Experimental principle of high temperature autoclave

a)液相a)Liquid phase

b)氣相b)Gas phase圖5 高壓釜中不同CO2分壓對均勻腐蝕速率的影響圖Fig.5 Effect of different CO2 partial pressures on the corrosion rate in an autoclave

2.2 電鏡微觀腐蝕機理分析

通過對腐蝕監測掛片進行掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X射線衍射(XRD)等,可以開展腐蝕形貌分析和腐蝕產物檢測。

2.2.1 微觀分析

1)使用光學顯微鏡觀察腐蝕處形貌。

2)利用掃描電鏡(SEM)對清洗干凈的腐蝕件進行分析。

2.2.2 對試樣表面腐蝕坑進行微觀分析

1)利用光學顯微鏡對腐蝕坑橫截面進行形貌觀察。

2)采用掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)對試樣腐蝕坑處進行觀察和腐蝕狀況的分析。

3)X射線衍射(XRD)分析腐蝕產物成分。

4)分析腐蝕產物膜微觀結構和局部腐蝕結構特征,分析腐蝕產物膜的形成與作用規律,以及環境因素對套管材料腐蝕的影響、破壞機制。確定腐蝕控制類型以及腐蝕主要控制因素。

3 結論

本文參考電纜保護器的結構原理,設計了井下腐蝕監測掛片工具及其配套油套管腐蝕監測與管理關鍵技術,并通過設計實驗驗證了其可行性。研究得出的主要結論如下:以盡可能降低對生產的影響及擴大監測范圍為基本原則,設計了多尺寸油管及扣型適用并可通過電纜的掛片式井下油套管腐蝕監測工具。該工具利用油氣井作業下入井內,定期取出,可以簡易高效地獲取重點區塊井下腐蝕信息,較工程測井檢測井下腐蝕技術相比費用低,發現早,并且可以提前預防關鍵井屏障的失效,保障井筒安全。井下腐蝕敏感性因素比較繁雜,利用以井下腐蝕掛片定期監測為主、腐蝕分析軟件定量計算為輔的技術手段建立起一套井下腐蝕監測及預防技術體系。室內高壓釜模擬對比實驗表明,該體系具有井下腐蝕數據采樣、統計、分析和預測的能力,是現階段管理井下腐蝕比較行之有效的技術手段。