蒙古林油田火驅采油井管材適應性評價研究

魏麗麗 閆暄崎 謝 剛 趙董艷 杜清珍 閆海俊 偉 娜 王明春

（中國石油華北油田公司工程技術研究院，河北 任丘 062552）

0 引言

火驅是提高原油采收率的重要方法之一，屬于熱力開采技術[1]。張守軍等（2016）[2]對火驅井套損問題的機理進行綜合分析，研究發現產生火驅套壞的根本原因是溫度變化導致過大的壓縮或拉伸應力、隨溫度上升材質自身強度下降以及高溫環境下氧腐蝕等惡劣工況對套管壁厚造成的減薄影響。周勇等（2018）[3]研究發現生產井中存在嚴重的CO2腐蝕，也會導致油管承載能力下降。蒙古林油田首次開展火驅先導性試驗，存在火驅配套工程技術的適用性問題，先期需要對采油井管材的抗高溫氧化、抗拉伸及抗腐蝕性能進行適應性評價[4]，以延長采油井生命周期，立足最大程度老井再利用。

作者通過新疆、遼河火驅技術調研預測，蒙古林油田火驅少數采油井可能會出現井筒異常高溫（大于550℃）情況，持續時間約為3～7天。因此本文將通過室內實驗分析評價蒙古林油田四種常規油、套管材-N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼的抗高溫氧化能力、抗拉強度和伸長率以及抗腐蝕性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用蒙古林油田火驅項目前期工程方案涉及的四種油、套管材材質N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼。試片尺寸：N80鋼50×12×3mm，90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼均為50×10×3mm。

1.2 試驗儀器和方法

分別選取350℃、550℃、750℃、950℃四個溫度節點，用Lindberg/Blue1100℃馬弗爐進行高溫氧化試驗。氧化時間7天，氧化速率參照GB/T 13303-91《鋼的抗氧化性能測定方法》計算。

將四種管材分別進行350℃、550℃條件下7天高溫氧化試驗，依據GB/T 16594-2008《微米級長度的掃描電鏡測量方法通則》做電鏡掃描，試驗儀器型號為QUANTA FEG 450型場發射掃描電子顯微鏡。

分別選取25℃、150℃、350℃、550℃、750℃、950℃六個溫度節點，依據JB/T 7796-2005《彈簧拉壓試驗機》對四種管材進行高溫退火后的拉伸試驗，氧化時間7天。試驗儀器為TLW-200001型微機控制彈簧拉壓試驗機。

依據SY/T 0026-1999《水腐蝕性測試方法》及火驅產出氣組分預測結果，在總壓10.8MPa，CO2分壓1.62MPa，O2分壓0.32MPa的條件下，采用蒙古林油田現場水進行四種材質N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼的室內動態腐蝕模擬實驗。試驗儀器為CLFS—II高溫高壓動態腐蝕速率測試儀。

2 結果與討論

2.1 管材抗高溫氧化能力研究評價

通過觀察室內試片在不同溫度氧化后的形貌可以得知，550℃下試片表面較為光亮，氧化產物較少。而溫度超過550℃時，試片表面鼓包嚴重，氧化產物明顯增加。進一步分析實驗結果，得到不同材質在高溫下的氧化速率曲線，如圖1所示。

圖1 四種試驗鋼不同溫度下的氧化速率變化曲線

從圖中可以看出，當溫度≤550℃時，四種試驗鋼的氧化速率均＜0.04g/m2?h，當溫度＞550℃時，四種試驗鋼的氧化速率隨著溫度的升高而明顯增大，最高可達20.8g/m2?h，氧化速率由高到低依次為N80鋼＞90H鋼＞90H3Cr鋼＞90H9Cr鋼。

為了進一步明確四種試驗鋼的抗高溫氧化機理，對四種試片表面進行SEM分析（如圖2所示）可以看出，350℃高溫氧化7天后，90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼表面均出現了一層較為致密的氧化產物，厚度微薄，可見350℃下四種材質的氧化程度較為輕微。550℃高溫氧化7天后，四種試驗鋼氧化程度略有增加：N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼表面形成顆粒較大、較為致密的Fe2O3、Fe3O4氧化產物，90H9Cr鋼表面形成粒徑較小、較為致密的Fe3O4、FeCr2O4氧化產物[5]。而由于Fe3O4、FeCr2O4是鋼鐵氧化皮中結構最為致密的氧化物，因此能夠顯著提高基體鋼的抗高溫氧化性能。

2.2 管材高溫退火后抗拉強度、伸長率研究評價

利用拉伸試驗機對不同高溫退火后的試驗鋼進行室內拉伸試驗，實驗數據結果如圖3、圖4所示。

圖3 四種試驗鋼在不同溫度下的抗拉強度變化曲線

圖4 四種試驗鋼在不同溫度下的伸長率變化曲線

從圖中可以看出，當溫度≤550℃時，四種試驗鋼的抗拉強度基本保持在700MPa以上，伸長率為5%以上；而當溫度超過550℃時，四種試驗鋼的抗拉強度明顯降低，伸長率呈現先上升后下降的趨勢，究其原因，與試片的金相組織結構有關。通過高溫下N80試片的金相分析可以看出：當溫度≤550℃時，N80鋼的組織結構未發生明顯變化，均為索氏體結構（如圖5所示），當溫度超過550℃時，金相組織結構發生明顯變化，由索氏體變為粗珠光體[6]，由于粗珠光體粒徑較大且較為疏松，因此強度較索氏體明顯降低，更容易發生變形。

圖5 N80試片金相組織分析

2.3 高溫下油套管材腐蝕風險評估

N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼四種試驗鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化如圖6所示。

由圖6可知，四種材質的抗腐蝕能力由高到低依次為：90H9Cr鋼＞90H3Cr鋼＞90H鋼＞N80鋼，隨著溫度的升高，腐蝕速率先增大后降低，在80℃～90℃之間達到最大值，腐蝕速率達到1mm/a以上。分析是，當溫度在80℃～90℃之間時，碳鋼表面FeCO3腐蝕產物膜疏松無附著力[7]，O2會加劇CO2的腐蝕，使碳鋼發生點蝕、坑蝕。

而當溫度＞90℃時，碳鋼表面會形成致密、附著力強的腐蝕產物膜，對基體起到保護作用。由于含Cr鋼中Cr極易富集在產生的腐蝕產物膜中，形成Cr的氫氧化物或氧化物，這些含Cr化合物可以形成結構較為致密的保護層，阻止了溶液中的離子與金屬表面之間的傳輸過程，從而起到抑制腐蝕的作用，且含Cr量越高抗腐蝕能力越強，因此試驗鋼中90H9Cr鋼的抗腐蝕能力最佳。

3 結語

（1）四種試驗鋼材質550℃以下時氧化速率均＜0.04g/m2? h，抗拉強度基本保持在700MPa以上，伸長率為5.5%～6.7%。550℃以下四種試驗鋼的力學性能可以滿足現場要求。當溫度超過550℃時，試驗鋼氧化明顯，氧化速率最高可達20.8g/m2? h，750℃時伸長率最高值達到10.3%；

圖6 四種試驗鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化曲線

（2）四種試驗鋼中90H9Cr鋼的抗腐蝕能力最佳。但是四種試驗鋼的腐蝕速率均在0.3mm/a以上，均大于行業標準（SY/T 5329-2012 碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法）規定的0.076mm/a。因此現場應用建議采用添加緩蝕劑的方式延緩腐蝕。