紅河油田注空氣驅井筒管材腐蝕規律研究*

劉學全

(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南 鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地紅河油田油氣藏儲量豐富，主要聚集層位為延長組長8儲層，平均孔隙度10.8%，平均滲透率0.4×10-3μm2。自2010年采用水平井開發以來隨著油田的不斷開采，油田出現地層能量不足、產量遞減快的嚴峻問題。由于儲層具有低孔、低滲和非均質性強的特點，常規注水技術難以驅動有效儲量[1]，而空氣來源廣、成本廉價，所以注空氣技術受到越來越多的重視。研究指出，注空氣開采輕質油油藏是一項富有創造性的提高采收率新技術[2]，盡管注空氣驅油技術已經在國內油田應用，且驅油效果顯著，但是注空氣過程中油套管及井下工具長期處于高壓富氧、高溫潮濕或有水的腐蝕環境中，易遭受嚴重的腐蝕破壞，也制約著注空氣驅油技術的大規模應用，有必要進行管材的氧腐蝕試驗研究，開展注空氣過程的防腐工作[3]。

1 試驗條件

1.1 試驗材質

現場調研表明，主要的注入井筒材料為J55和N80，因此主要分析研究這兩種材料在不同工況下的腐蝕特征和規律。

1.2 試驗溫度

鄂爾多斯盆地紅河油田長8儲層的溫度為60～70 ℃，測試井口處、油管鞋處、A靶點處和地層處四種溫度下鋼材腐蝕速率與溫度關系，明確溫度對鋼材的腐蝕影響。

1.3 試驗壓力

以初始注入壓力和穩定注入壓力作為試驗工況，測試四種壓力下鋼材腐蝕速率，明確注入壓力對鋼材的腐蝕影響。

1.4 氧氣含量

對于注入井來說，氧氣含量是影響注入井筒腐蝕的主要因素，測量不同氧含量下鋼材的腐蝕速率，分析氧含量對材料的腐蝕速率的影響。

1.5 試驗介質

根據油田地層水水樣分析結果，選用分析純 NaCl,KCl,NaHCO3,CaCl2和MgCl2·6H2O 配制模擬地層水。

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置采用EPF微型磁力攪拌高壓反應釜，如圖1所示。該裝置最高試驗溫度為200 ℃，最大耐壓6 MPa，最大轉速1 500 r/min。試驗用的其他儀器包括數顯干燥箱(0～300 ℃)，電子分析天平(0～200 g，精度 0.1 mg)，游標卡尺(精度 0.01 mm)，抽真空封口機和超聲波清洗機等。

圖1 微型磁力攪拌高壓釜

2.2 試驗氣體及其他藥品

試驗所用氣體為高純氮氣(體積分數超過99.999%)和高純氧氣(體積分數超過99.995%)，高純氧氣為試驗用腐蝕性氣體，高純氮氣用來去除試驗管路、反應儀器以及腐蝕介質中的氧氣。

試驗所用藥劑主要包括：氯化鈉(質量分數超過99.5%)、無水乙醇(質量分數超過99.7%)、有機酸(質量分數36%～38%)和六次甲基四胺(質量分數超過99.0%)等。

2.3 試驗方法及步驟

2.3.1 腐蝕試驗的步驟

(1)將掛片試件依次緩慢放入釜內，記錄編號，期間應避免有氣泡附著在掛片表面，以免影響試驗結果。

(2)向反應釜內倒入剛除氣完畢的定量溶液，液面最高不得超過反應釜容積的四分之三，將釜體安裝至夾具上，安裝好釜蓋。

(3)將氣瓶用管線接入釜蓋上的兩個進氣接頭，并確保閥門均處于關閉狀態。對試驗管線、反應釜進行除氧。將高純氮氣氣瓶入氣閥門和放氣閥門同時打開，緩慢通入高純氮氣 30 min除去試驗管線及反應釜內空氣(主要是氧氣)，然后關閉該閥門，此時可大致認為反應釜內氧分壓為0。然后打開高純氧氣氣瓶的入氣閥門，緩慢通氣半分鐘除去反應釜中的氮氣，之后關閉所有閥門。

(4)調節控溫裝置至試驗溫度，待溫度穩定后打開高純氧氣氣瓶的入氣閥門，待反應釜內氧氣壓力達到試驗氧分壓后關閉所有閥門。開啟轉速調節開關，從最小轉速緩慢調至試驗所需轉速，試驗正式開始，記錄試驗開始時間。

2.3.2 腐蝕速率的計算方法

掛片質量損失法是研究材料平均腐蝕速率應用最廣泛的方法[4]，也是研究平均腐蝕速率最有效的方法之一。該方法的基本原理是將所研究的金屬制作成規則的試樣，測定其幾何尺寸、質量，將其置于相應的腐蝕介質中，試驗結束后，測定試驗后試樣質量，按式(1)計算平均腐蝕速率。

(1)

式中：Rcorr為腐蝕速率，mm/a；m0為試樣原始質量，g；mt為試樣試驗后質量，g；A為試樣總表面積，cm2；ρ為試樣材質密度，g/cm3;t為測試時間，h。

3 結果和討論

3.1 氧含量對腐蝕的影響

表1和表2是J55和N80兩種鋼材在不同氧含量下，總壓30 MPa、溫度65 ℃且干燥條件下的試樣質量損失試驗數據。

表1 不同氧含量下N80鋼腐蝕速率測量結果

表2 不同氧含量下J55鋼腐蝕速率測量結果

由表1和表2可以看出，兩種材料腐蝕速率隨氧含量升高而逐漸增加，其中N80油管平均腐蝕速率最大，但是也僅為0.025 82 mm/a。

3.2 溫度和壓力對腐蝕的影響評價

表3至表6是N80和J55兩種鋼材在不同溫度、不同壓力且干燥條件下的腐蝕試驗數據。

表3 不同溫度下N80鋼腐蝕速率測量結果(干燥，30 MPa)

表4 不同溫度下J55鋼腐蝕速率測量結果(干燥，30 MPa)

表5 不同壓力下N80鋼腐蝕速率測量結果(干燥，65 ℃)

表6 不同壓力下J55鋼腐蝕速率測量結果(干燥，65 ℃)

由表3至表6可以看出，兩種材料均勻腐蝕速率隨溫度和壓力的升高而逐漸增加，基本呈線性關系，溫度對J55腐蝕速率的影響要大于N80。

3.3 空氣濕度對腐蝕的影響評價

表7是N80和J55兩種鋼材在含氧5%(體積分數)，總壓30 MPa、溫度為65 ℃下的腐蝕試驗數據。

表7 平均腐蝕速率 mm/a

由表7可以看出，兩種材料平均腐蝕速率隨空氣濕度的升高而逐漸增加，在試驗條件(O2體積分數為5%,65 ℃，30 MPa)下，空氣濕度無論是50%或100%，平均腐蝕速率均遠小于0.2 mm/a。

4 結 論

(1)J55和N80兩種鋼材平均腐蝕速率隨氧含量升高而逐漸增加，其中N80油管平均腐蝕速率較大。

(2)兩種材料平均腐蝕速率隨溫度和壓力的升高而逐漸增加，基本呈線性關系，溫度對J55腐蝕速率的影響要大于N80。

(3)兩種材料平均腐蝕速率隨空氣濕度的升高而逐漸增加，在試驗條件(O2體積分數為5%,65 ℃，30 MPa)下，空氣濕度無論是50%或100%，平均腐蝕速率均遠小于0.2 mm/a。