陳明燕王華吳丹妮陳彥榜丁悅劉宇程

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.上海書亞醫(yī)藥科技有限公司

空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)腐蝕影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

陳明燕1王華1吳丹妮2陳彥榜1丁悅1劉宇程1

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.上海書亞醫(yī)藥科技有限公司

空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)施工中一般存在嚴(yán)重的油管腐蝕問題，需要采取有效的控制措施以延長管道使用壽命，以確保油田安全低成本的生產(chǎn)，因此對空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)的腐蝕影響因素進(jìn)行了深入分析。采用室內(nèi)掛片失重法研究了注入套管腐蝕因素對腐蝕速率的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法計(jì)算了各腐蝕因素對腐蝕速率的灰關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行了影響程度大小排序。結(jié)果表明，套管的腐蝕速率隨著空氣/泡沫液交替注入頻率、泡沫液流速、空氣參數(shù)（氧含量、濕度、溫度、壓力）的升高而變大，灰關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)榭諝?泡沫液交替頻率＞空氣氧濃度＞溫度＞壓力＞濕度＞泡沫液流速。研究結(jié)果為進(jìn)一步了解空氣泡沫驅(qū)腐蝕機(jī)理以及制定相關(guān)抗腐蝕對策提供了技術(shù)參考。

腐蝕；灰關(guān)聯(lián)度；影響因素；空氣泡沫驅(qū)

空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)集合了空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，既可防止單一注空氣時氣竄、黏性指進(jìn)等現(xiàn)象，又可以擴(kuò)大波及體積，提高采收率，且用空氣作為發(fā)泡氣體可以降低注氣成本，尤其在低滲透、特低滲透油田開采中，具有很大的應(yīng)用價值［1-5］。然而，在注空氣泡沫的同時引入了大量的氧氣，溶解氧在高溫、高壓、高礦化度等復(fù)雜的油井工作環(huán)境下，注入管線會發(fā)生嚴(yán)重的氧腐蝕［6］。由于原油和氧在燃燒反應(yīng)和低溫氧化反應(yīng)作用下，氧被逐漸消耗生成CO2、醛、酮、酸類物質(zhì)，故在生產(chǎn)井附近的管線及井柱又發(fā)生了二氧化碳腐蝕，造成油田經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時會引發(fā)安全事故［7-13］。

陜西延長油田甘谷驛采油廠自2007年進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)以來，截止2012年底，累計(jì)增油2107.01 t［14］。隨著開發(fā)的進(jìn)行，注入系統(tǒng)的腐蝕越發(fā)嚴(yán)重，是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。林偉明和楊海龍等人針對空氣泡沫交替體系，探索了單一腐蝕因素對腐蝕速率的影響規(guī)律，初步進(jìn)行了空氣泡沫的腐蝕研究［14-16］。關(guān)于空氣泡沫腐蝕緩蝕劑的研究，趙遠(yuǎn)鵬通過互配緩蝕劑和起泡劑，得到了緩蝕效果較好的吸附成膜性緩蝕劑［17］。何琳婧研究了在空氣-泡沫交融體系下，溫度、壓力、礦化度等腐蝕因素對緩蝕率的影響，深層次評價了緩蝕體系［18］?？偟膩碚f，目前國內(nèi)外關(guān)于空氣泡沫腐蝕及防護(hù)問題的研究尚處于基礎(chǔ)階段。為了進(jìn)一步探索各腐蝕因素之間的關(guān)系，引入灰關(guān)聯(lián)理論，從多因素的角度系統(tǒng)地對空氣泡沫腐蝕因素進(jìn)行分析及排序，客觀評價了影響腐蝕速率的主次要因素，為現(xiàn)場空氣泡沫腐蝕及防護(hù)提供理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價值［19-20］。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

Experimental material and method

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Experimental material

實(shí)驗(yàn)用掛片為現(xiàn)場J55套管鋼經(jīng)切割、打磨、拋光，制成尺寸為30 mm×15 mm×3 mm試片，掛片一端留小孔，孔徑為3 mm，用石油醚（沸程60～90℃）、無水乙醇去油除污，干燥待稱重，其材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C為0.358%，Si為0.261%，Mn為1.411%，P為 0.026%，S為 0.002%，Cr為 0.049%，Mo為0.029%，Ni為0.001%，Cu為0.062%，F(xiàn)e為97.801%。腐蝕介質(zhì)為加入了起泡劑、穩(wěn)泡劑的泡沫液，測定其pH為7.15，礦化度為28 783.6 mg/L，離子濃度見表1。另外，注入空氣的氧濃度為22.47%。

表1 室內(nèi)模擬回注水的離子濃度Table 1 Ion concentration of laboratory reinjection water

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Experimental method

根據(jù)采油廠空氣泡沫驅(qū)工藝，泡沫液、空氣交替注入，具體流程如圖1所示。

圖1 泡沫液、空氣交替注入方式Fig.1 Alternation injection means for foam liquid and air

在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場空氣、泡沫交替注入工況下對注入管道的腐蝕影響，考察空氣/泡沫液交替注入頻率、注泡沫流速、注空氣氧含量、注入空氣濕度、溫度和壓力梯度等因素對腐蝕速率的影響程度。實(shí)驗(yàn)中，在一個實(shí)驗(yàn)周期（7 d）內(nèi)單一注入泡沫液和單一注入空氣為交替頻率為0時的腐蝕實(shí)驗(yàn)；在一個實(shí)驗(yàn)周期（7 d）內(nèi)完成注泡沫液-注空氣的過程為交替頻率為1時的腐蝕實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)過程是先注入泡沫液1 L，溫度25℃，壓力為常壓，待反應(yīng)42 h后，將泡沫液從反應(yīng)釜的泄流閥中放出，用氮?dú)鈱⒎磻?yīng)釜吹掃干凈；然后向反應(yīng)釜內(nèi)注入空氣至壓力為12 MPa，溫度25℃，待反應(yīng)126 h 后放掉空氣，完成一次交替。多次交替是指用循環(huán)泵將之前的泡沫液重新導(dǎo)入，重復(fù)交替過程。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.3 測試標(biāo)準(zhǔn)

Test standard

實(shí)驗(yàn)掛片的失重評價參照SY/T 5273—2000 《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》，腐蝕產(chǎn)物的清除、清洗參考ISO 8407—2009 《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》。掛片、泡沫液實(shí)驗(yàn)腐蝕前后對比如圖3所示。對比腐蝕前后掛片和泡沫液的顏色、外觀，可發(fā)現(xiàn)腐蝕后的掛片表面覆蓋著一層紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，洗后的掛片表面呈現(xiàn)許多點(diǎn)蝕坑；泡沫液由原來的無色透明狀變成了黃棕色的渾濁液，主要是腐蝕產(chǎn)物溶解于其中。

圖2 泡沫液與空氣交替實(shí)驗(yàn)Fig.2 Experiment with the alternation of foam liquid and air

圖3 掛片、泡沫液實(shí)驗(yàn)前后比較Fig.3 Comparison of the changes before and after the coupon and foam liquid experiment

2 空氣泡沫驅(qū)腐蝕影響因素分析

Influencing factors for corrosion of air foam flooding

2.1 空氣/泡沫液交替注入頻率

Alternating injection frequency of air/ foam liquid

空氣/泡沫液交替頻率對腐蝕速率的影響如圖4所示。單一注空氣和單一注泡沫液交替頻率為0時的腐蝕實(shí)驗(yàn)，腐蝕速率為0.028 5 mm/a、0.049 6 mm/a。參考SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，這2種情況的腐蝕速率均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值0.076 mm/a，這是因?yàn)楦稍锃h(huán)境下的氧氣對油田管線的腐蝕很小，活性發(fā)泡劑吸附在鋼片表面形成一層隔離膜，在無氧條件下水對鋼片腐蝕也相對較弱［21-22］。從圖4可知，腐蝕速率隨交替頻率的增加而增加，且增速先快后慢，是因?yàn)殡S交替頻率的增加，泡沫液溶解氧的能力先強(qiáng)后弱，最后趨于飽和，但泡沫液中總的氧濃度是增大的，故腐蝕程度是變大的。當(dāng)空氣/泡沫液在一個腐蝕周期內(nèi)交替6次時，腐蝕速率達(dá)到1.016 5 mm/a，是單一泡沫液腐蝕速率的20.5倍，說明循環(huán)交替使更多的氧被攜帶到注入系統(tǒng)，在水共存條件下發(fā)生干-濕交替腐蝕。

圖4 空氣/泡沫液交替注入頻率對腐蝕速率影響Fig.4 The effect of air/foam liquid alternating injection frequency on corrosion rate

2.2 泡沫液流速

Flow velocity of foam liquid

泡沫液流速的大小對腐蝕速率的規(guī)律如圖5所示。腐蝕速率隨注泡沫液流速的變大而增加，流速為0.05 m/s下的腐蝕速率已達(dá)到1.324 1 mm/a，當(dāng)流速增大到0.25 m/s時，腐蝕速率為2.364 mm/a，腐蝕極為嚴(yán)重。這是由于泡沫液注入時的流速增加，管壁腐蝕產(chǎn)物被沖刷掉，金屬與新鮮的含氧溶液接觸量增加，對管壁會造成一定的腐蝕。

圖5 泡沫流速對腐蝕速率的影響Fig.5 The effect of foam flow velocity on corrosion rate

2.3 空氣氧濃度

Oxygen concentration in the air

注空氣時攜帶的部分氧與回注系統(tǒng)中的水接觸后會嚴(yán)重腐蝕管道。根據(jù)采油廠現(xiàn)場控氧要求，探索氧濃度5%附近的腐蝕。氧濃度與腐蝕速率的關(guān)系如圖6所示，圖中零點(diǎn)為氧濃度空白實(shí)驗(yàn)（不注入氧氣，與圖4中單純注泡沫液實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)）。從圖6可以看出，腐蝕速率隨空氣中氧濃度的增加而變大。在直接注入空氣（氧濃度為22.47%）下腐蝕速率達(dá)到1.223 7 mm/a，這是氧氣與水共同存在發(fā)生電化學(xué)腐蝕的結(jié)果，故現(xiàn)場很有必要對注空氣/泡沫液的注入工藝優(yōu)化，以控制氧量［23-25］。

圖6 空氣氧濃度對腐蝕速率的影響Fig.6 The effect of the oxygen concentration in the air on the corrosion rate

2.4 空氣溫度、壓力、濕度

Air temperature,pressure and humidity

由于井深不同而油藏的溫度不同、空氣濕度在不同月份的差異，因此有必要研究空氣溫度、濕度等因素對腐蝕的影響。如圖7 所示注空氣的溫度、壓力、濕度與腐蝕速率的關(guān)系。從圖中看出，腐蝕速率隨溫度的升高、壓力的增加、濕度的增大而變大。溫度30℃時，腐蝕速率達(dá)到1.549 3 mm/a，其它條件不變，壓力為12 MPa時腐蝕速率為1.268 7 mm/a，腐蝕均很嚴(yán)重，濕度對腐蝕影響相對較弱。這是因?yàn)闇囟葧绊憭炱砻驸g化膜的形成［26-28］。另外，溫度、壓力影響注空氣中氧分子的擴(kuò)散速度，在溫度升高、壓力增大下擴(kuò)散加快，導(dǎo)致接觸的氧濃度變大，潮濕的環(huán)境與氧共存的條件下，鋼片發(fā)生電化學(xué)等腐蝕，腐蝕加強(qiáng)。

圖7 空氣溫度、壓力、濕度對腐蝕速率的影響Fig.7 The effect of air temperature,pressure and humidity on the corrosion rate

2.5 腐蝕產(chǎn)物分析

Corrosion products analysis

為了更清楚認(rèn)識空氣/泡沫驅(qū)腐蝕過程和機(jī)理，對室內(nèi)模擬試驗(yàn)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)及成分分析。結(jié)合現(xiàn)場工況，選取掛片在交替頻率6次、注泡沫速度0.2 m/s、溫度25℃、壓力12 MPa、濕度57%、直接注空氣（氧含量22.47%）實(shí)驗(yàn)條件下的腐蝕產(chǎn)物做電子掃描鏡（SEM，ZEISS EV0 MA15）、X射線衍射儀（XRD，X Pert Pro MPD）、元素分析儀（EDS，V4105）測試。腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖8所示，為1 000倍放大下的形貌，從圖中可以看出掛片腐蝕后形成的腐蝕產(chǎn)物膜偏厚、表面有晶體顆粒生成且排列緊密、顆粒之間堆疊導(dǎo)致表面凹凸不平整。腐蝕產(chǎn)物中的元素分析如圖9所示，橫坐標(biāo)表示掃描出對應(yīng)元素時X射線的能量，縱坐標(biāo)表示該元素在單位時間的計(jì)數(shù)，即強(qiáng)度。經(jīng)測試得到腐蝕產(chǎn)物的元素種類及原子比C∶O∶Ca∶Fe∶Si=1∶5∶1.5∶3.1∶1.2，其 中O和Fe的量是相對較多的。腐蝕產(chǎn)物的成分及結(jié)構(gòu)分析如圖10所示，橫坐標(biāo)表示掃描探頭收集到2倍入射角范圍的射線，縱坐標(biāo)表示衍射強(qiáng)度，結(jié)合圖9中腐蝕產(chǎn)物的元素分析，推斷得到室內(nèi)模擬空氣/泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物鐵銹成分為Fe2O3及少量的FeO（OH），此結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道內(nèi)容一致［16、28］。另外，腐蝕產(chǎn)物中的結(jié)垢成分為CaCO3、SiO2，為地層砂的主要成分（室內(nèi)實(shí)驗(yàn)加入了少許地層巖石）。

圖8 腐蝕產(chǎn)物的SEM測試Fig.8 SEM test of the corrosion products

圖9 腐蝕產(chǎn)物的EDS分析Fig.9 EDS analysis of the corrosion products

圖10 腐蝕產(chǎn)物的XRD分析Fig.10 XRD analysis of the corrosion products

3 空氣泡沫驅(qū)腐蝕因素灰色關(guān)聯(lián)分析

Grey correlation analysis for the corrosion factors of air foam flooding

3.1 參考序列和比較序列的確定

Determination of reference sequence and comparison sequence

灰色關(guān)聯(lián)分析是確定參考序列與比較序列間的關(guān)聯(lián)程度，找出系統(tǒng)中影響參考序列的主要、次要因素［29-30］。對于空氣/泡沫驅(qū)管道的腐蝕，以腐蝕速率作為參考序列，選取空氣/泡沫液交替頻率、泡沫液流速、空氣氧濃度、空氣溫度、壓力及濕度6個因素實(shí)驗(yàn)值作為比較序列，數(shù)據(jù)見表2。

3.2 數(shù)據(jù)的無量綱化

Dimensionless method of the data

由于每個因素的量綱不一樣，在進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析前需對參考序列和比較序列數(shù)據(jù)無量綱化處理。具體采用了均值法使各序列數(shù)據(jù)的量綱一致，即先計(jì)算出各序列的平均值，后用序列中的每個數(shù)值除以這個平均值，得到無量綱化后的數(shù)據(jù)。

3.3 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

Calculation of correlation degree

在序列無量綱化基礎(chǔ)上，求出各比較序列的差序列和關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后對關(guān)聯(lián)系數(shù)列求平均值得到每個腐蝕因素的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表3［31-32］。從表中數(shù)據(jù)看出，關(guān)聯(lián)度大于0.7的因素從大到小的排序?yàn)椋嚎諝?泡沫液交替注入頻率＞注空氣氧濃度＞溫度，為空氣泡沫驅(qū)腐蝕的主要因素，壓力、濕度、泡沫液流速為次要因素。

表2 腐蝕影響因素比較序列分析結(jié)果Teble 2 Comparison sequence analysis results of corrosion factors

表3 腐蝕影響因素的灰關(guān)聯(lián)度降序排列Table 3 Descending order of grey correlation degree of corrosion factors

4 結(jié)論

Conclusions

（1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，套管鋼在空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)中的腐蝕速率隨著空氣/泡沫液交替頻率、注空氣氧濃度、注泡沫液流速、空氣溫度、壓力及濕度因素值的增加而變大。

（2）室內(nèi)模擬空氣/泡沫驅(qū)掛片實(shí)驗(yàn)腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Fe2O3、FeO（OH）以及CaCO3、SiO2，前者為鐵銹的部分成分，后者為地層砂的成分。

（3）運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法確定了影響空氣泡沫驅(qū)腐蝕程度的主次要因素，關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榭諝?泡沫液交替頻率＞注空氣氧濃度＞空氣溫度＞空氣壓力＞空氣濕度＞泡沫液流速。

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（修改稿收到日期 2017-01-20）

〔編輯 李春燕〕

Grey correlation analysis for the corrosion factors of injection system of air foam flooding

CHEN Mingyan1,WANG Hua1,WU Danni2,CHEN Yanbang1,DINGYue1,LIU Yucheng1
1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China;
2.Shanghai Shuya Chemical Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai200433,China

Serious oil well tubing corrosion problem generally exists in the operational process of air foam flooding technology and needs to take the effective control measures to prolong the pipeline life and guarantee safe oilfield production with low cost.Therefore,the corrosion factors for the injection system of air foam flooding were analyzed thoroughly.By using laboratory specimen weight loss method,the influence law of corrosion rate affected by injection casing corrosion factors was studied,and on this basis，by using grey correlation methods，the grey correlation degree of corrosion rate by various corrosion factors was calculated and sequenced according to its influence degree.The results show that the corrosion rate of the casing becomes higher with the increase of air/ foam alternating injection frequency,foam liquid flow velocity,air parameters (including oxygen content,humidity,temperature and pressure) and the grey correlation degree sequence is air/foam liquid alternation frequency ＞ oxygen concentration in the air ＞ temperature ＞humidity＞flow velocity of the foam liquid.The research results offer reference for further comprehending the corrosion mechanism of air foam flooding and making relevant control countermeasures.

corrosion;grey correlation degree;influencing factors;air foam flooding

陳明燕，王華，吳丹妮，陳彥榜，丁悅，劉宇程.空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)腐蝕影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：224-230.

TE983

：A

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10.13639/j.odpt.2017.02.018

: CHEN Mingyan,WANG Hua,WU Danni,CHEN Yanbang,DINGYue,LIU Yucheng.Grey correlation analysis for the corrosion factors ofinjection system of air foam flooding［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 224-230.

陳明燕（1976-），2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油天然氣加工及環(huán)境污染治理技術(shù)研究，副教授。通訊地址：（6105000）四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。E-mail：cmyswpi@126.com

劉宇程（1977-），2001年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田環(huán)境污染治理技術(shù)研究，教授。通訊地址：（6105000）四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。E-mail：lycswpi@163.com