石油固井腐蝕影響因素與防腐措施

王 宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司固井業(yè)務(wù)部，天津 300459）

0 引言

隨著石油行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)石油固井的腐蝕問題的關(guān)注度越來越高。每個(gè)油田開發(fā)者，均需要利用相關(guān)防腐措施，解決石油固井的腐蝕問題[1]。因?yàn)閷?dǎo)致石油固井的腐蝕原因各不相同，所以油田開發(fā)者采用的防腐措施也不相同。為了提升石油固井的防腐效果，需要了解其腐蝕因素，并制定具有針對(duì)性的防腐措施，這樣既能延長(zhǎng)油田固井的使用壽命，還能加快油田開采向量，提升油田開采質(zhì)量。為此，研究石油固井腐蝕影響因素與防腐措施，對(duì)油田開采工作的順利進(jìn)行非常重要。

1 工程概況

以某油田為研究對(duì)象，該油田是以注水工藝提升地層能量，提升油田開采的穩(wěn)定性，增加油田的采收率。該油田開采獲取的原油含水率大于90%。該油田回注的污水內(nèi)存在較多的腐蝕性物質(zhì)，分別是O2與NaCl等，這些物質(zhì)均會(huì)腐蝕油田固井，該油田固井的平均腐蝕速度在1.55mm/a左右，平均穿孔率在2.45次/（km·a）左右。該油田固井的部分嚴(yán)重腐蝕區(qū)的管線更新周期低于3年，管線的最短更新時(shí)間為3～4個(gè)月之間，直接提升了該油田的經(jīng)濟(jì)損失，為此，需要針對(duì)該油田固井，研究其腐蝕影響因素與防腐措施，確保該油田安全運(yùn)行，提升其經(jīng)濟(jì)效益。

2 腐蝕影響因素與防腐措施

2.1 石油固井的腐蝕影響因素

2.1.1 石油固井的水泥環(huán)腐蝕影響因素

石油固井的腐蝕主要包含兩方面，分別是水泥環(huán)腐蝕與注水管道腐蝕。水泥環(huán)腐蝕的影響因素如下：

（1）水泥環(huán)屬于油田固井的外部屏障，和地層水的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，受地層水長(zhǎng)期沖刷影響，水泥環(huán)非常容易出現(xiàn)溶蝕問題[2]；

（2）地層水內(nèi)具有腐蝕性離子，水泥環(huán)內(nèi)的Ca（OH）2和腐蝕性離子會(huì)進(jìn)行離子置換，溶解Ca（OH）2的晶體，損壞水泥環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地層水的礦化度與水泥環(huán)的滲透率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)提升地層水礦化度，還會(huì)加快水泥環(huán)的溶蝕速率。

2.1.2 石油固井的注水管道腐蝕影響因素

注水管道腐蝕的影響因素如下：

（1）pH值

當(dāng)油田開采時(shí)，注入管道的水的pH值低于4時(shí)，注入水會(huì)溶解注水管道表面的氧化物膜，加快注水管道的腐蝕速率，原因是注水管道表面和酸性介質(zhì)直接接觸[3]。當(dāng)注入水的pH值在4～10之間時(shí)，注水管道的腐蝕速率并未發(fā)生改變，說明4～10之間的pH值，不會(huì)影響注水管道的腐蝕速率。當(dāng)注入水的pH值在10～13之間時(shí)，注水管道的腐蝕速率隨著pH值的提升而下降，原因是注水管道的覆蓋膜不斷變更成具備鈍化性能的保護(hù)膜。當(dāng)注入水的pH值超過14時(shí)，注水管道的腐蝕速率開始加快，原因是注水管道表面的鈍化膜被溶解，不再具備保護(hù)功能。注入水的pH值與注水管道腐蝕速率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 注入水的PH值與注水管道腐蝕速率的關(guān)系

根據(jù)圖1可知，注水管道注入水的最佳pH值需控制在4～10之間；

（2）溶解氧

導(dǎo)致注水管道局部腐蝕的主要影響因素是溶解氧，局部腐蝕速率為腐蝕速率均值的3倍左右。注水壓力、溫度與Cl的含量，均會(huì)影響注入水內(nèi)O2的溶解度。不同O2含量對(duì)注水管道腐蝕速率的影響如表1所示。

表1 不同O2含量對(duì)注水管道腐蝕速率的影響

根據(jù)表1可知，O2的含量與注水管道腐蝕速率具有正相關(guān)關(guān)系。但O2的含量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)增加注水管道的腐蝕電流，將注水管道的覆蓋膜不斷變更成具備鈍化性能的保護(hù)膜，降低注水管道的腐蝕速率，綜合分析可知，當(dāng)溶解氧含量較少時(shí)，增加O2的含量，會(huì)加快注水管道的腐蝕速率；當(dāng)溶解氧含量較多時(shí)，增加O2的含量，會(huì)降低注水管道的腐蝕速率；

（3）溶解鹽

注入水內(nèi)鹽的含量，與水的導(dǎo)電性能息息相關(guān)，兩者具有正相關(guān)關(guān)系，為此，增加鹽的含量，會(huì)加快注水管道的腐蝕速率，原因是鹽與其內(nèi)部氯離子的含量呈正比，氯離子會(huì)集中在注水管道表面的局部區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的金屬被活化。當(dāng)NaCl含量較低時(shí)，NaCl含量越大，注水管道腐蝕速率越快；當(dāng)NaCl含量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，注水管道腐蝕速率達(dá)到峰值，隨后，NaCl含量越多，注水管道腐蝕速率越慢。NaCl的含量與注水管道腐蝕速率的關(guān)系如表2所示。

表2 NaCl的含量與注水管道腐蝕速率的關(guān)系

根據(jù)表2可知，當(dāng)NaCl的含量小于4%時(shí)，NaCl的含量與注水管道腐蝕速率呈正比關(guān)系；當(dāng)NaCl的含量為4%時(shí)，注水管道腐蝕速率達(dá)到峰值為2.04mm/a；當(dāng)NaCl的含量超過4%時(shí)，NaCl的含量與注水管道腐蝕速率呈反比關(guān)系。

2.2 石油固井的防腐措施

2.2.1 石油固井的水泥環(huán)防腐措施

根據(jù)石油固井的水泥環(huán)腐蝕影響因素的分析，在制定水泥環(huán)防腐措施需要考慮的具體方面如下：

（1）以閉孔防竄珍珠巖為復(fù)合減輕劑，可避免石油固井漏失，降低水泥漿密度，并按照水泥漿性能，構(gòu)建低密高強(qiáng)水泥漿基礎(chǔ)體系；

（2）精準(zhǔn)控制尾漿稠化時(shí)間，加強(qiáng)水泥環(huán)早期強(qiáng)度與抗水侵性能，達(dá)到石油固井水泥漿優(yōu)質(zhì)膠結(jié)的目的；

（3）通過提升水泥漿的致密性，提升其防腐蝕性能，即提升石油固井的防腐能力，以確保水泥漿基礎(chǔ)性能為前提，添加非滲透劑與緩蝕劑，通過前者提升水泥環(huán)抗腐蝕離子的遷移能力，降低其水泥環(huán)的穿透性能，在石油固井與地層間產(chǎn)生一道隔離屏障。通過加入后者，其內(nèi)部緩蝕因子可抑制金屬表面的陰陽(yáng)極反應(yīng)，降低水泥環(huán)腐蝕時(shí)的腐蝕電流，提升水泥環(huán)的緩蝕效果，降低水泥環(huán)的腐蝕速率。

優(yōu)選非滲透劑的分析如下：

以環(huán)氧樹脂為非滲透劑，提升水泥環(huán)基體的密實(shí)度，避免腐蝕介質(zhì)滲入水泥環(huán)，延緩水泥環(huán)的腐蝕速率。在水泥漿內(nèi)加入該非滲透劑后，其和水泥漿會(huì)產(chǎn)生三維立體結(jié)構(gòu)，提升非滲透劑的力學(xué)性能，使其固化體顆粒緊緊圍在一起，提升水泥環(huán)的完整性與韌性，緩解地層水對(duì)水泥環(huán)的損壞程度，延長(zhǎng)石油固井的使用壽命。

優(yōu)選緩蝕劑的分析如下：

通過考慮水泥環(huán)內(nèi)堿性物質(zhì)含量、腐蝕化學(xué)反應(yīng)抑制效果、水泥環(huán)的原始抗壓強(qiáng)度，合理選擇緩蝕劑。按照電化學(xué)緩蝕成膜原理，利用陰、陽(yáng)極緩蝕材料與硫酸鹽還原菌抑菌，制備緩蝕劑。第一種材料的作用區(qū)間為陰極區(qū)，以產(chǎn)生鈍化膜的形式，增加陰極間的電阻，抑制水泥環(huán)的電化學(xué)反應(yīng)，提升水泥環(huán)的防腐性能。第二種材料的作用區(qū)域?yàn)殛?yáng)極區(qū)，其作用機(jī)理與第一種材料的作用機(jī)理一樣。第三種材料通過抑制微生物細(xì)胞膜的通透性，避免水泥壞表面附著氨基酸，降低細(xì)菌生長(zhǎng)速度，提升水泥環(huán)的防腐性能。

分析不同非滲透劑與緩蝕劑添加量時(shí)，石油固井水泥環(huán)的滲透率與稠化時(shí)間，滲透率越小，稠化時(shí)間越長(zhǎng)，水泥環(huán)的防腐性能越佳。分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同非滲透劑與緩蝕劑添加量時(shí)的防腐性能分析結(jié)果

分析表3可知，隨著非滲透劑添加量的增長(zhǎng)，水泥環(huán)的滲透率不斷下降，稠化時(shí)間不斷延長(zhǎng)，最小滲透率為0.011mD，最長(zhǎng)稠化時(shí)間為60min，即石油固井水泥環(huán)的防腐性能越佳；隨著緩蝕劑添加量的增長(zhǎng)，水泥環(huán)的滲透率并未發(fā)生改變，但稠化時(shí)間有所增長(zhǎng)，最長(zhǎng)稠化時(shí)間為59min；當(dāng)非滲透劑添加量為12%，緩蝕劑添加量為3%時(shí)，水泥環(huán)的滲透率最低為0.008mD，稠化時(shí)間最長(zhǎng)為61min。為此，最佳的非滲透劑添加量為12%，最佳的緩蝕劑添加量為3%，可有效提升石油固井水泥環(huán)的防腐性能。

2.2.2 石油固井的注水管道防腐措施

根據(jù)石油固井的注水管道腐蝕影響因素的分析，制定石油固井的注水管道防腐措施，主要包含3方面，分別是水中除氧、涂層保護(hù)、選擇非金屬管材。

（1）水中除氧

水中O2的含量增加，會(huì)提升注水管道表面的電化性能，加快腐蝕效率。為此，需要對(duì)水中的O2進(jìn)行去除處理。通過添加除氧劑，對(duì)注入水進(jìn)行深度除氧，也可以通過加熱方式去除注入水內(nèi)的O2；

（2）涂層保護(hù)

在注水管道表面涂抹防腐劑，避免溶解鹽和注水管道直接接觸。在注水管道表面涂上防腐劑后，可有效避免水分子氧化注水管道，提升注水管道的防腐性能。在涂抹過程中，需要實(shí)時(shí)觀察防腐劑的涂抹厚度與涂抹均勻性；

（3）選擇非金屬管材

塑料高分子管材在每個(gè)領(lǐng)域中均被廣泛應(yīng)用，其抗腐蝕性較優(yōu)，為此，可以塑料高分子管材為注水管道的材料，提升注水管道的防腐性能。

2.2.3 石油固井的防腐性能分析

利用石油固井的抗壓強(qiáng)度衰退率，衡量該石油固井，應(yīng)用本文防腐措施的防腐效果，抗壓強(qiáng)度衰退率越小，石油固井的防腐效果越優(yōu)。抗壓強(qiáng)度衰退率a計(jì)算公式如下：

其中P0是未腐蝕石油固井的抗壓強(qiáng)度；Pn是石油固井腐蝕n天后，其抗壓強(qiáng)度。分析應(yīng)用本文防腐措施后，該石油固井在不同腐蝕時(shí)間時(shí)的抗壓強(qiáng)度衰退率，以及腐蝕深度，分析結(jié)果如表4所示，最大抗壓強(qiáng)度衰退率需控制在25%以內(nèi)，最大腐蝕深度需控制在1.5mm以內(nèi)。

表4 石油固井的防腐性能分析結(jié)果

根據(jù)表4可知，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)用本文防腐措施后，該石油固井的抗壓強(qiáng)度衰退率不斷增長(zhǎng)，腐蝕深度不斷提升，當(dāng)腐蝕時(shí)間為30天時(shí)，抗壓強(qiáng)度衰退率與腐蝕深度均達(dá)到峰值，分別是16.25%與1.34mm，其中，最大抗壓強(qiáng)度衰退率并未超過25%，最大腐蝕深度并未超過1.5mm，說明應(yīng)用本文防腐措施后，石油固井的抗壓強(qiáng)度衰退率與腐蝕深度，均可控制在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，即應(yīng)用本文防腐措施后，該石油固井具備較優(yōu)的防腐性能。

3 結(jié)語

注水工藝屬于石油開采的主要開采方式，但注水水質(zhì)會(huì)嚴(yán)重腐蝕石油固井，影響石油固井安全運(yùn)行，影響原油開采質(zhì)量。為此，通過分析石油固井腐蝕影響因素，制定相關(guān)的防腐措施，提升石油固井的防腐性能。實(shí)驗(yàn)證明：應(yīng)用本文防腐措施后，石油固井的最大抗壓強(qiáng)度衰退率是16.25%，最大腐蝕深度是1.34mm，均未超過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，即應(yīng)用本文防腐措施后，該石油固井的防腐性能較優(yōu)。