海上高產氣井防砂管柱沖蝕-腐蝕耦合作用風險評估研究

郭敏靈，董 釗，孟文波，崔書姮，張 群

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司，2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

海上油氣井作業成本高昂，在完井作業階段即需考慮管柱的長期有效性，減少生產期間的修井作業頻次，尤其是防砂篩管對于管柱損害比生產管柱更為敏感，篩管損壞出砂，可能導致降產控砂，停產修井甚至氣井報廢。海上氣井產量一般較高，沖蝕作用較強，如遇高含CO2儲層，沖蝕和腐蝕作用耦合疊加，將可能增加防砂管柱失效風險。

高產氣井完井放噴及生產過程中固相顆粒對防砂篩管的沖蝕損害作用已有較多研究［1-7］，對于高含CO2條件下井下管柱的腐蝕狀態及對管柱安全的影響也有較多認識［8-12］，但沖蝕和腐蝕條件耦合作用機理以及對管柱損害程度的影響規律更加復雜［13-15］，受此影響的管柱壽命評估方法也亟待探索。

分析腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合作用機理，根據儲層狀況進行腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合實驗研究，在實驗結果基礎上建立考慮多因素的經驗模型，并依據實際情況對篩管腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合情況進行研究分析并進行篩管使用壽命預測。

1 沖蝕腐蝕耦合作用機理

沖蝕和腐蝕相互耦合加劇管柱磨損。沖蝕腐蝕耦合作用機制包括兩個方面［16-17］：沖蝕對腐蝕的影響和腐蝕對沖蝕的影響。

沖蝕對腐蝕的影響主要表現為：沖蝕能加速傳質過程，促進去極化劑如O2到達材料表面和腐蝕產物脫離材料表面，從而加速腐蝕；沖蝕的力學作用使材料鈍化膜減薄、破裂或使材料發生塑性變形，局部能量升高，形成“應變差電池”，從而加速腐蝕；沖蝕造成材料表面出現凸凹不平的沖蝕坑，增加了材料的比表面積，加劇腐蝕。

腐蝕對沖蝕的影響主要表現為：腐蝕粗化材料表面，尤其在材料缺陷等處所出現的局部腐蝕，造成微湍流的形成，從而促進沖蝕過程；腐蝕弱化材料的晶界、相界，使材料中耐磨的硬化相暴露，突出基體表面，使之易折斷甚至脫落，促進沖蝕；腐蝕有時使材料表面產生較松軟的產物，它們容易在沖蝕力作用下剝離；腐蝕可溶解掉材料表面的加工硬化層，降低其疲勞強度，從而促進沖蝕。

2 沖蝕腐蝕耦合作用影響實驗分析

2.1 實驗裝置研制

研制了高溫高壓沖蝕腐蝕實驗裝置（見圖1），用以模擬井下沖蝕腐蝕情況。在高溫高壓釜里加入腐蝕介質和地層砂顆粒，注入氮氣和加熱棒加熱以加壓升溫，通入CO2，通過轉子攪拌給流體和顆粒提供流速，來模擬管內兩相流沖蝕腐蝕。

圖1 沖蝕腐蝕實驗裝置及原理

2.2 實驗材料及方案

以南海L-1深水氣田為目標區，該氣田防砂篩管采用316L鋼外護套和篩網，實驗氣體包括CO2（99.99%）及N2（99.99%），根據設計的分壓進行配制。根據目標氣田儲層水樣，用去離子水配置模擬地層水樣（見表1）作為腐蝕介質。選用100～120目、200～250目、300～325目石英砂?；炫淠M地層出砂的沖蝕作用。

表1 模擬地層水離子質量濃度 mg·L-1

L-1氣田儲層溫度85～93.1℃，CO2分壓0.103～0.691 MPa，井筒流入速度為0.6～2 m/s，根據砂比59.915～239.66 kg/m3計算，設計沖蝕腐蝕耦合正交實驗（見表2、表3）。實驗確定用水量1.8 L，實驗時間72 h。

表2 沖蝕腐蝕耦合實驗參數設計

表3 沖蝕腐蝕耦合實驗正交試驗表

續表3 沖蝕腐蝕耦合實驗正交試驗表

2.3 實驗結果

2.3.1單一腐蝕作用實驗

篩管外護套和篩網單一腐蝕作用實驗結果見表4、表5。

表4 外護套腐蝕實驗結果

表5 篩網腐蝕實驗結果

外護套腐蝕速率為0.004 79～0.044 39 mm/a，篩網腐蝕速率為0.001 44～0.013 36 mm/a。

2.3.2單一沖蝕作用實驗

篩管外護套和篩網單一沖蝕作用實驗結果如表6、表7所示，外護套沖蝕速率為0.004 79～0.050 07 mm/a，篩網沖蝕速率為0.001 43～0.031 68 mm/a。

表6 外護套沖蝕實驗結果

表7 篩網沖蝕實驗結果

2.3.3沖蝕腐蝕耦合實驗

外護套和篩網沖蝕腐蝕耦合實驗結果見表8、表9，護套沖蝕腐蝕速率為0.004 98～0.058 22 mm/a，篩網沖蝕腐蝕速率為0.005～0.047 0 mm/a。

單一腐蝕作用/沖蝕作用與沖蝕腐蝕耦合作用實驗結果對比見表10，對于外護套，沖蝕腐蝕耦合作用導致的管材最大損失速率比單一腐蝕高31.15%，比單一沖蝕高16.27%；對于篩網，沖蝕腐蝕耦合作用導致的管材損失速率比單一腐蝕高251.79%，比單一沖蝕高20.76%。沖蝕腐蝕的耦合作用，大幅加劇了防砂管柱的損耗速率。

3 沖蝕腐蝕耦合作用計算模型

目前，國內外對沖蝕腐蝕耦合模型研究較少，已有的部分理論模型雖然能夠解釋很多沖蝕發生現象，但卻有著特定的適應范圍，不能解決普遍的實際問題。因為在實際沖蝕腐蝕過程中，相互作用復雜，不能用某一單獨理論解釋。

現有的沖蝕-腐蝕速率預測模型主要考慮溫度、CO2分壓、流速對沖蝕腐蝕的影響，較少考慮兩相流對管材的沖蝕腐蝕。為此，本課題組在實驗基礎上考慮沖蝕腐蝕受溫度、CO2分壓、流速、含砂量和砂粒粒徑的影響，利用回歸分析法建立基于防砂篩管的沖蝕腐蝕預測模型。

結合沖蝕腐蝕實驗數據和現有沖蝕腐蝕模型，分別對CO2分壓、溫度、流速、粒徑和含砂量進行分析。

溫度對腐蝕速率的影響：

流速對腐蝕速率的影響：

CO2對腐蝕速率的影響：

流速、粒徑和含砂量對沖蝕速率影響：

考慮溫度、CO2分壓、流速、粒徑和含砂量影響的沖蝕腐蝕速率預測模型：

vcorr為腐蝕速率，mm/a；ER為沖蝕速率，mm/a；Vo為沖蝕腐蝕速率，mm/a；v為砂粒流速，m/s；PCO2為CO2分壓，MPa；C為砂的質量濃度，%；D為砂粒粒徑，μm；A為接觸面積，m2；m為砂粒質量，kg；f(α)為沖蝕角度函數；Z,b,p,c,d,a,h,t,E,R分別為相關系數。

結合實驗數據進行多元回歸分析，求出待定系數（見表11）。

表11 待定系數表

因此，建立的考慮溫度、CO2分壓、流速、粒徑和含砂量影響的沖蝕腐蝕速率預測模型為：

模型預測結果誤差為5.740E-07，誤差控制精度在5%以內，該回歸方程擬合程度較好。

4 防砂篩管壽命預測

根據沖蝕腐蝕實驗所建立的經驗模型，求解出南海L-1深水氣田每口井的沖蝕腐蝕速率，并結合金屬篩管防砂失效時的質量損失標準為2%［18］，得出每口井最終的篩管使用壽命。

臨界點處的篩管損失質量：

式中，Qm為防砂篩管發生破壞的臨界點處的篩管損失質量，kg；ER′為篩網質量損失極限；M為篩管質量，kg。

篩管壽命預測年限：

式中，T為篩管預測壽命，a；A為篩管表面積，m2；V為篩管損失速率，kg/（m2·a）；VL為篩管損失厚度，mm/a。

L-1氣田各井防砂篩管壽命預測結果見圖9，篩管腐蝕速率為（2.4～15.5）×10-3mm/a，L3井受腐蝕最嚴重（CO2含量為其他所有井的2倍以上）；篩管沖蝕速率為（7.7～30.6）×10-3mm/a，L7井受沖蝕最嚴重（產氣量較高，日出砂量較大，且地層砂粒徑大）；篩管沖蝕-腐蝕速率為（1.3～3.89）×10-2mm/a，L7、L11井篩管受沖蝕腐蝕耦合作用條件下壽命分別為25.86年、28.42年，低于該氣田設計生產年限30年，存在防砂失效風險。

圖9 L-1氣田生產井篩管使用壽命

5 結論

（1）開展防砂篩管沖蝕-腐蝕耦合作用實驗研究，對比沖蝕/腐蝕單一作用實驗結果，篩管外護套在耦合作用下的管材損失速率比單一作用高16.27%～31.15%；篩網沖蝕腐蝕耦合作用下的管材損失速率比單一作用高20.76%～251.79%。沖蝕腐蝕的耦合作用大幅加劇了防砂管柱的損耗速率；

（2）結合沖蝕腐蝕實驗和已有的理論模型，考慮CO2分壓、溫度、流速、粒徑和含砂量等因素影響，建立了針對篩管的沖蝕腐蝕耦合經驗模型；

（3）以南海L-1氣田為目標區，預測11口井防砂篩管在沖蝕腐蝕耦合作用的壽命，其中L7、L11井分別為25.86年、28.42年，低于該氣田設計生產年限30年，存在防砂失效風險。