寧夏鹽池油田井下J55、N80 套管腐蝕因素分析

吳志懷，董淼

（1.中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南南陽 473132；2.中石化華北油氣分公司，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著陸上油田開發陸續進入中后期，油井套管損壞已經成為制約油田降本增效的主要影響因素，而由于腐蝕造成套管損壞的井占到了套損總井數的1/3 以上（徐剛等，2017），因此油氣開采過程中生產管柱的腐蝕防護一直是油田開發過程中所重點關注的問題。在井下復雜的流體介質及溫壓條件下，隨著油氣井開采時間的延長，套管及油管等碳鋼材質的生產管柱都會出現不同程度的腐蝕，嚴重的會導致油井套管被擠毀、變形、穿孔，產能下降（張紹輝等，2016）。需要反復的堵漏、檢修甚至更換套管等，無形中增加了生產成本。

CO2腐蝕是石油天然氣工業中常見的腐蝕類型（林海等，2016），截止2020 年初，寧夏鹽池油田已發現腐蝕穿孔引起的套損井多達33 口，占全廠井數的23%，油田套損井總數的97%，平均套管壽命僅為5.9 a。導致油井含水上升，油井產量下降，修復后，排水長，產量恢復率低，嚴重阻礙了油田正常生產和開發。對于CO2套管腐蝕問題已經成為油田腐蝕與防護領域中重要的研究課題（耿春雷等，2011）。這方面的研究目前主要是室內模擬現場的實驗條件及井下多相流體的環境，在一定的溫壓條件下開展腐蝕模擬實驗（李珣等，2006；高斐等，2014a），而通過現場試驗直接進行研究相對較少。為了充分了解和掌握井下套管CO2腐蝕特征及規律（謝濤等，2017），通過提出采用失重法對套管的腐蝕速率進行評價，同時借助掃描電鏡（SEM）、能譜分析（EDS）及X 射線衍射（XRD）等測試手段，對現場試驗條件下的腐蝕掛片腐蝕產物的形貌及成分進行微觀測試和分析（高斐等，2014b），從而揭示寧夏鹽池油田井下套管CO2腐蝕規律，旨在為該油田防腐實踐提供具有針對性和指導意義的理論依據。

1 油田腐蝕環境分析

油井套管生產過程中處于井下復雜的流體介質環境（李雪等，2017），并且在高礦化度以及溫壓條件下，現場套管在不同的井深呈現出不同的腐蝕特征（孫海礁和葉帆，2010；謝文江等，2010）。因此，井下腐蝕環境是影響套管腐蝕行為的主要因素。寧夏鹽池油田主力油層位延長組，現場測得油井日產液量5.0～10.0t/d，含水率為70%～90%，油層伴生氣中CO2體積含量為4.7%～9.2%，CO2分壓范圍為0.1～0.4MPa，套損位置溫度范圍為60～70℃，套管為N80 鋼。依據行業標準（SY/T 5329-1994，1994；SY/T 5523-2000，2000；周計明，2002；李大朋等，2012），對油井采出水進行了水質分析（表1）。

由表1 可知該油田延長組油層采出水為CaCl2型，pH 值普遍都在6.5～7.0 的范圍內，偏弱酸性，礦化度普遍在5×104～6×104mg/L，為高礦化度地層水。水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42+、HCO3-結垢離子含量較高，為成垢提供了基本條件。地層水中腐蝕性離子HCO3-、Cl-含量分別為2.0×102～6.5×102mg/L 和3×104～4×104mg/L，促進了電化學腐蝕。因此該油田井下套管經受的是高礦化度地層水條件下的CO2腐蝕，并且存在垢下腐蝕促進了套管的局部腐蝕穿孔。

2 腐蝕試驗材料和方法

2.1 實驗原理

為了井下套管鋼的腐蝕規律，本次實驗采用腐蝕質量損失法（李大朋等，2012）來評價鋼材的腐蝕速率。將實驗后的掛片試樣除去表面的腐蝕產物，經過無水乙醇、丙酮清洗干燥處理后采用萬分之一電子天平稱重，從而計算單位時間單位面積上的質量損失量。即：

式（1）中：Vt，腐蝕速率，g·m-2·h-1；m0，試樣原始重量，g；mt，試樣去除腐蝕產物后的重量，g；A，試樣表面積，m2；t，腐蝕時間，h；Va，腐蝕速率，mm/a；ρ，金屬的密度，g·m-3。

2.2 試驗儀器和樣品

為了對油田的J55、N80 油管鋼的腐蝕行為進行現場試驗和研究，現場選取一口井進行掛片實驗，試驗試樣采用現場常用的J55、N80 套管鋼，其化學成分的質量分數（周計明，2002）（表2）。

實驗介質為Y6 井的油層采出水，對取自現場實驗井的油層采出水進行檢測（SY/T 5523-2000，2000；6SY/T 5329-1994，1994），水型為CaCl2，總礦化度為29255.9 g/L，pH 值為6.0（表3）。

試驗試樣為96 mm×19 mm×3 mm 的長方體掛片，現場試驗掛片及掛片器如圖1 和圖2 所示。

2.3 實驗方法及流程

實驗采用經典失重法，將安裝有實驗掛片的掛片器安裝到油管上，下入井底，經過一段時間后從井底取出掛片器和掛片，經室內處理之后，采用質量損失法計算腐蝕速率（林現喜等，2016）。流程如下。

表1 寧夏鹽池油田部分油井延長組采出水水質檢測數據

表2 J55、N80 碳鋼元素含量 ωB/%

表3 Y6 井的油層采出水水質分析結果

圖1 現場掛片試驗安裝示意圖

圖2 現場掛片試驗安裝示意圖

（1） 實驗前將尺寸為76 mm×19 mm×3 mm 的掛片分別用280 號、600 號砂紙進行逐級打磨至鏡面，經清水沖洗、用石油醚（60～90℃）清洗除油、浸入無水乙醇中脫水，取出后放入干燥器干燥后測量試樣的尺寸并稱重。

（2） 現場施工人員應帶好干燥的塑料手套，并且防止用手直接接觸掛片。迅速的將掛片安裝到掛片器上，安裝的過程中要記錄號掛片上的鋼號。最后將掛片器安裝到油管設計位置上，下入井底。操作的過程應盡量將掛片快速下入井中，盡量減少掛片處在暴氧的環境中。

（3） 實驗結束之后，將腐蝕掛片輕輕的從系統中拆出后，進行拍照保留原始狀態的信息，并快速用塑料薄膜包裹，以防其腐蝕產物在空氣中氧化（如果現場有條件，用濾紙輕輕擦去油污，然后用無水乙醇清洗，并快速用塑料薄膜包裹，以防其腐蝕產物在空氣中氧化）。

（4） 將掛片表面污油用石油醚沖洗干凈。

（5） 清洗干凈的掛片用清水沖洗，然后用硬毛刷去除腐蝕掛片表面疏松產物。

（6） 經沖刷過的腐蝕掛片用濾紙吸干后，將其放入含有緩蝕劑（六次甲基四胺）的稀鹽酸（10%～15%）溶液中浸泡進一步清除腐蝕產物。

（7） 經酸洗過的掛片取出后立即用自來水清洗，濾紙吸干后放入氫氧化鈉溶液中和浸泡，浸泡時間不宜大于1min，中和后的掛片用自來水沖洗。

（8） 1 次未清洗干凈的掛片可以重復上述過程。

（9） 清洗合格的掛片用濾紙吸干水分后放入無水乙醇中浸泡5 min。

（10） 經浸泡脫水的掛片用濾紙吸干后放入干燥器中，24～48 h 后用精度為0.1 mg 的電子天平稱重并按照前面提到了質量損失法計算腐蝕速率。

3 結果與討論

3.1 試驗掛片腐蝕結果

Y6 井為油田開發井，井深2015.0 m，生產過程中動液面位置為1621.0 m，地溫梯度為2.96℃/100 m，抽油泵懸掛深度為1795.0 m，掛片器位置1741.0 m?，F場取出掛片如圖3 和圖4 所示，試驗結果如表3 所示。掛片器置于井下共歷時77 d。按照標準要求進行處理及數據統計。

圖3 現場動態腐蝕實驗掛片安裝位置（a）和現場實驗后取出掛片器及掛片（b）

表3 Y6 井現場環境腐蝕速率實驗結果

從現場試驗結果可以看出：動液面以下的1～4號掛片（J55）和5～6 號掛片（N80）表面各個部位都出現了不同程度的腐蝕，1～4 號J55 鋼片局部腐蝕（王世杰，2015）嚴重，并且點蝕和坑蝕成片出現；5～6 號鋼片（N80）腐蝕程度較J55 鋼片輕，但也呈現的是局部腐蝕特征。從電鏡掃描結果（SEM）（圖5，6）來看，J55 掛片表面被層厚厚的腐蝕產物膜所覆蓋，局部呈現出腐蝕坑，進一步放大可以看出疏松的腐蝕膜上有許多的小孔，為腐蝕介質接觸基底形成點腐蝕創造的條件；N80 掛片表面腐蝕產物膜分布不均，局部基底暴露在腐蝕介質中，呈現出點腐蝕的形貌，腐蝕產物膜對基底有一定的保護作用，但是進一步放大腐蝕產物膜有裂紋，為腐蝕介質接觸基底提供了通道，促進了點腐蝕的形成。腐蝕產物絕大部分都溶解于酸中，說明腐蝕產物主要是碳酸亞鐵。通過現場實驗可以推斷：油井套管動液面以下存在嚴重的內腐蝕，并且以局部的點腐蝕—坑腐蝕為主，是導致套管動液面以下穿孔的主要原因。

3.2 試驗掛片EDS 及XRD 分析

分別采用X 射線能量色散譜分析儀（EDS）和X Pert PRO X 型X 射線衍射儀（XRD）對現場掛片腐蝕產物膜進行電子能譜及物相組分分析（圖7～8）。

從EDS 分析結果可以看出，掛片腐蝕產物膜包含的化學元素成分主要為Fe、O、C、Mn、S、Ni 和Na組成，其中非金屬元素主要為O、C 和S，并且質量分數較高。N80 的金屬主要成分為Fe，其中Mn 和Ni是鋼材中本身含有的微量元素，Na 是來源于溶液中析出的元素。因此腐蝕產物的主要成分為FeCO3（徐海升等，2009）和少量的FeS（包括FeS0.9）。其中S2-主要來源于硫酸鹽還原菌將還原而來（朱絨霞等，2000；朱衛東等，2020）。因此說明寧夏鹽池油田的腐蝕主要為CO2腐蝕。

圖4 Y6 現場腐蝕掛片照片

3.3 防護建議

鹽池油田生產套管的腐蝕主要是由于CO2引起的，根據以上的研究成果，建議通過定期加注緩蝕劑、套管內表面涂覆有機材料防腐層、改用耐腐蝕性1Cr13 材質套管完井等措施來預防或者延緩生產套管的腐蝕，降低油田開發成本。

4 結論

（1） 通過現場掛片器的腐蝕實驗方法，能夠真實的反映井下腐蝕環境，測試結果表明，該油田井下套管J55 和N80 鋼材的平均腐蝕速率分別為0.0588 mm/a 和0.0571 mm/a，屬于中等腐蝕程度。說明J55 和N80 鋼材不適合該油田生產使用。

（2） 根據腐蝕形貌宏觀和微觀分析，在現場井下環境下，J55 和N80 掛片都是以局部腐蝕為主，表現的腐蝕形態為點蝕和坑蝕。

圖5 實驗掛片J55 鋼片實驗后電鏡掃描（SEM）

圖6 實驗掛片N80 鋼片實驗后電鏡掃描（SEM）

圖7 掛片N80 腐蝕產物EDS 分析結果

圖8 掛片N80 腐蝕產物XRD 分析結果

（3） 現場掛片腐蝕產物的元素組合和組分分析結果表明，該油田引起套管腐蝕穿孔的原因是碳鋼的CO2腐蝕，腐蝕產物主要為FeCO3。為指導油田開展防腐措施的制定奠定了基礎。