(中原油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，濮陽 457001)

中原油田油藏具有埋藏深、地層溫度高(90 ℃以上的油藏約占總儲量的67%)、地層水礦化度高(礦化度高于10×104mg/L的油藏占總儲量的90%)等特點(diǎn)。CO2驅(qū)采油具有驅(qū)油效果好，不受油藏高溫、高鈣鎂離子的影響，可以實(shí)現(xiàn)CO2效益埋存等優(yōu)點(diǎn)，是目前高溫高鹽油藏廣泛使用的采油方法[1]。但老井網(wǎng)CO2驅(qū)用設(shè)備的腐蝕極為嚴(yán)重，現(xiàn)有防腐蝕技術(shù)適應(yīng)性差、系統(tǒng)性不強(qiáng)，而且高溫高鹽油藏對緩蝕劑性能要求高[2-4]。所以CO2驅(qū)采油技術(shù)的應(yīng)用成敗關(guān)鍵在于系統(tǒng)解決防腐蝕問題。

國外油氣公司關(guān)于CO2驅(qū)防腐蝕設(shè)計(jì)遵循NACE標(biāo)準(zhǔn)，選擇耐蝕合金，整體投資巨大。當(dāng)CO2分壓超過0.21 MPa時推薦使用13Cr管材；當(dāng)?shù)V化度超過20×104mg/L時，推薦使用超級13Cr管材；集輸管道采用內(nèi)襯316L復(fù)合管[5-8]。國內(nèi)油氣田主要在老區(qū)實(shí)施CO2驅(qū)，無法更換管材，因此普遍采用緩蝕劑進(jìn)行防腐蝕。馮蓓[9]對Q235鋼在不同溫度、含油量、流速及HCO3-濃度條件下進(jìn)行了封閉式二氧化碳動態(tài)模擬試驗(yàn)。張海寶[10]從腐蝕電化學(xué)入手，推導(dǎo)了CO2均勻腐蝕速率預(yù)測模型，并對該模型的使用條件和局限性進(jìn)行了評價。高純良[11]針對油氣田常用油套管材料N8和P110鋼，開展了高溫高壓CO2環(huán)境中的腐蝕模擬試驗(yàn)，并得到了油套管腐蝕預(yù)測模型。

目前，國內(nèi)外CO2腐蝕的研究存在方法差別大、評價標(biāo)準(zhǔn)局限性強(qiáng)等問題。如國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)無法模擬高溫高鹽油藏的現(xiàn)場工況條件，且對高分壓和多相流態(tài)的腐蝕評價無標(biāo)準(zhǔn)可循?？梢钥闯觯F(xiàn)有防腐蝕技術(shù)存在對CO2動態(tài)腐蝕評價手段不完善、腐蝕規(guī)律認(rèn)識不清等問題，無法滿足高溫高鹽油藏CO2驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕控制的要求[12-15]。因此，針對高溫高鹽油藏CO2驅(qū)腐蝕問題，有必要開展高溫高鹽油藏CO2驅(qū)防腐蝕技術(shù)研究。

本工作通過對“腐蝕規(guī)律試驗(yàn)數(shù)據(jù)”進(jìn)行多次迭代擬合分析，確定了腐蝕速率影響因素,建立了CO2分壓、溫度、流速、礦化度等工況因素的管材腐蝕數(shù)學(xué)模型。根據(jù)現(xiàn)場工況條件，建立了濮城沙一下、衛(wèi)42塊等試驗(yàn)區(qū)塊CO2驅(qū)腐蝕速率圖版，以期實(shí)現(xiàn)直觀、快速預(yù)測腐蝕趨勢，超前部署防腐蝕預(yù)案，提高防腐蝕措施的針對性和有效性。

1 試驗(yàn)

1.1 多相流CO2腐蝕仿真模擬裝置

高壓CO2注入處于超臨界狀態(tài)，注入井中CO2/水交替的腐蝕形態(tài)十分復(fù)雜；且采出井中設(shè)備存在高溫高鹽條件下的CO2、水、鹽、油等多相流態(tài)腐蝕。目前，能夠模擬CO2驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)多相流態(tài)的腐蝕評價手段還不完善，高溫高鹽高含水條件下CO2腐蝕規(guī)律的系統(tǒng)研究依然欠缺。所以，研發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)多相流二氧化碳腐蝕仿真模擬裝置是中原油田衛(wèi)42油藏CO2驅(qū)防腐技術(shù)研究的重點(diǎn)。

本工作采用耐高壓特種石英玻璃+不平整面雙密封方式，攻克了視窗耐高溫高壓難題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了氣體與液體注入循環(huán)模塊(見圖1),溫度壓力多參數(shù)自動控制模塊和生產(chǎn)系統(tǒng)高溫高壓腐蝕評價模塊(見圖2)，研制了首套“多相流二氧化碳腐蝕仿真模擬裝置”，完善了腐蝕模擬評價手段。

圖1 氣體與液體注入循環(huán)模塊Fig. 1 Gas and liquid cyclic injection module

圖2 生產(chǎn)系統(tǒng)高溫高壓腐蝕評價模塊Fig. 2 High temperature and high pressure corrosion evaluation module of production system

該裝置具有如下特點(diǎn)：可以模擬常溫～140 ℃，CO2分壓0～15 MPa,流速0～2 m/s等的現(xiàn)場工況條件；設(shè)計(jì)氣/液供給和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了腐蝕介質(zhì)連續(xù)補(bǔ)給、氣/液比自動調(diào)節(jié)，更好地模擬現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)狀況;設(shè)計(jì)了水平管、垂直管和彎管可視化流動系統(tǒng)，分別模擬泡流、段塞流、分層流、波狀流等流態(tài)下介質(zhì)腐蝕狀況，仿真現(xiàn)場工況，使腐蝕評價更科學(xué);建立了防腐蝕效果綜合評價方法，擴(kuò)充了評價內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了液體緩蝕劑、固體緩蝕劑、犧牲陽極、基材的防腐蝕效果綜合評價。

1.2 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)材料是取自中原油田現(xiàn)場使用的P110套管鋼，其化學(xué)成分見表1。將P110套管鋼加工成尺寸為50 mm×10 mm×3 mm的試樣。試樣表面用砂紙(150～1 000號)逐級打磨后，再用丙酮清洗除油，無水乙醇沖洗，冷風(fēng)吹干后置于干燥器中待用。

表1 P110套管鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of P110 casing steel (mass) %

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在多相流二氧化碳腐蝕仿真模擬裝置中進(jìn)行。試驗(yàn)前，先通入高純氮?dú)獬?0 h，裝入試樣后將高壓釜密封，繼續(xù)通入高純氮?dú)獬? h。升溫至設(shè)計(jì)溫度(40，80,120 ℃)后，通入CO2升壓(CO2分壓分別為0.5,3,6,10,15 MPa)。試驗(yàn)結(jié)束后將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質(zhì)，無水酒精除水后烘干。除去腐蝕產(chǎn)物膜后，用精度為0.1 mg的電子天平稱量、計(jì)算試樣的質(zhì)量損失和平均腐蝕速率。用掃描電鏡觀察其表面腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化度對P110套管腐蝕的影響

一般情況下，溶液中礦化度越高，Cl-含量越大。穿透力強(qiáng)的Cl-更多地穿透腐蝕產(chǎn)物膜，CO2分壓高，pH低，去極化劑H+含量高，在Cl-穿透腐蝕產(chǎn)物膜后產(chǎn)生新的腐蝕。由圖3可見：隨著溶液中礦化度升高，試樣的腐蝕速率增大，且CO2分壓越高，試樣的腐蝕速率越大；流速對試樣腐蝕速率的影響不明顯；溫度越高，試樣腐蝕速率線性增加越明顯。

2.2 溫度對P110套管鋼腐蝕規(guī)律的影響

溫度對CO2腐蝕的影響較為復(fù)雜。在一定的溫度范圍內(nèi)，碳鋼在CO2溶液中的溶解速率隨溫度的升高而增大；當(dāng)碳鋼表面形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜后，碳鋼在CO2水溶液中的溶解速率隨溫度的升高而降低[16-18]。

由圖4可見：隨著溫度從40 ℃升高到140 ℃，試樣的腐蝕速率由5.8 mm/a增至19.3 mm/a；CO2分壓越高，試樣的腐蝕速率增長越明顯；流速對管材腐蝕速率的影響不明顯;在CO2分壓(3 MPa)和流速(0.4 m/s)一定的情況下，隨溫度升高(40 ℃～140 ℃)，管材腐蝕速率線性增大2.97倍(1.7 mm/a～5.05 mm/a、礦化度20萬mg/L)，礦化度對管材腐蝕速率的影響不明顯。溫度升高，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)加快，同時影響了FeCO3的生成動力學(xué)，腐蝕產(chǎn)物膜由疏松逐步變?yōu)槎嗫锥?、致密，見圖5?，F(xiàn)場可通過控制CO2含量，避開敏感溫度點(diǎn)。

2.3 CO2分壓對P110套管鋼腐蝕規(guī)律的影響

由圖6可見：隨著CO2分壓從0增至15 MPa，試樣的腐蝕速率近線性增大了6倍，這表明CO2分壓是影響管材腐蝕的一個重要因素。國外專家對金屬表面無腐蝕產(chǎn)物膜時，CO2分壓對腐蝕速率的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究。碳鋼的腐蝕速率隨CO2分壓的增大而加快，這是因?yàn)殡S著CO2分壓的增大，溶解于水中的CO2的量增加，水溶液的pH降低，酸度增加，從而增加了溶液的腐蝕性。而VIDEM等認(rèn)為腐蝕速率與CO2分壓的0.5-0.8次冪成正比,當(dāng)金屬表面有腐蝕產(chǎn)物碳酸鐵膜存在時，隨著CO2分壓的增加,腐蝕速率下降很快[17-18]。這是因?yàn)镃O2分壓增加，提高了碳酸鐵的沉積速率，金屬表面容易形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜，因而大大降低了腐蝕速率。

(a) 溫度80 ℃，流速0.4 m/s(b) 溫度80 ℃，CO2分壓3 MPa(c) 流速0.4 m/s,CO2分壓3 MPa圖3 不同試驗(yàn)條件下試樣腐蝕速率隨礦化度的變化曲線Fig. 3 Change curves of corrosion rate of samples with salinity under different test conditions

(a) 溫度40 ℃(b) 溫度100 ℃(c) 溫度140 ℃圖5 在CO2分壓3 MPa，流速0.4 m/s條件下試樣經(jīng)不同溫度浸泡試驗(yàn)后的表面形貌(去除腐蝕產(chǎn)物)Fig. 5 Surface morphology of samples after immersion test under the condition of CO2 partial pressure of 3 MPa and flow rate of 0.4 m/s at different temperatures (removal of corrosion products)

(a) 流速0.4 m/s,礦化度20萬mg/L(b) 溫度80 ℃,礦化度20萬mg/L(c) 溫度80 ℃,流速0.4 m/s圖6 不同試驗(yàn)條件下試樣腐蝕速率隨CO2分壓的變化曲線Fig. 6 Change curves of corrosion rate of samples with CO2 partial pressure under different test conditions

2.4 流速對P110套管鋼腐蝕規(guī)律的影響

一般認(rèn)為，隨流速的增大，H2CO3和H+等去極化劑能更快擴(kuò)散到電極表面，使陰極去極化增強(qiáng)，消除擴(kuò)散控制，同時使腐蝕產(chǎn)生的Fe2+迅速離開腐蝕金屬的表面，因而腐蝕速率增大。高流速影響Fe2+的溶解動力學(xué)和FeCO3的形核，能使試樣表面形成一層雖薄但更具保護(hù)性的膜。因此，提高流速反而會降低試樣的腐蝕速率。流速增大有利于腐蝕性物質(zhì)和電荷傳遞,促進(jìn)腐蝕，但是也會引起腐蝕產(chǎn)物膜形貌和結(jié)構(gòu)的變化，對物質(zhì)和電荷傳遞過程構(gòu)成阻礙。由于CO2含量很高，CO2驅(qū)生產(chǎn)井管材表面生成較厚的FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜，流速高于臨界流速后影響Fe2+溶解動力學(xué)和FeCO3形核，腐蝕速率不再升高。

由圖7可見：試樣的腐蝕速率先隨流速線性升高，超過1.0 m/s不再升高；在常規(guī)含CO2生產(chǎn)井中， P110套管鋼的腐蝕速率隨流速線性升高；大排量生產(chǎn)井(如電泵井)腐蝕嚴(yán)重(最高超過6 mm/a)，需綜合采用多種防腐蝕工藝技術(shù)。

(a) 溫度80 ℃,礦化度20萬mg/L(b) CO2分壓3 MPa,礦化度20萬mg/L(c) CO2分壓3 MPa,溫度80 ℃圖7 不同試驗(yàn)條件下試樣腐蝕速率隨流速的變化曲線Fig. 7 Change curves of corrosion rate of samples with flow rate under different test conditions

3 CO2驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕預(yù)測技術(shù)

自2015年6月起，二氧化碳驅(qū)防腐蝕技術(shù)在中原油田“濮城沙一油藏”、“衛(wèi)42油藏”等十個高溫高鹽油藏進(jìn)行了工業(yè)化化應(yīng)用。采出井應(yīng)用3 000余井次，因而腐蝕作業(yè)周期延長50%以上。產(chǎn)出液中鐵離子平均質(zhì)量濃度約由100 mg/L降至20 mg/L，生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕速率降為0.053 mm/a，有效控制了碳鋼生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕，保障了CO2驅(qū)的正常安全生產(chǎn)。

3.1 高CO2分壓局部腐蝕預(yù)測模型

采用“高斯-牛頓迭代法”對“腐蝕規(guī)律試驗(yàn)數(shù)據(jù)”進(jìn)行多次迭代擬合分析，建立了高CO2分壓局部腐蝕預(yù)測模型；根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)、介質(zhì)特征預(yù)測CO2驅(qū)生產(chǎn)井井筒管材局部腐蝕,見式(1)。

Vcorr=[0.512×pCO2-0.000 34×T2+0.153×

T-5.944×V2+10.859×V-0.043 6×M2+

0.53×M]×α(1)

式中：Vcorr為腐蝕速率，mm/a；pCO2為CO2分壓(≤15 MPa)；T為溫度(≤120 ℃)；V為流速(≤1.2 m/s)，對應(yīng)產(chǎn)液量≤300 m3/d；M為礦化度，10 000 mg/L；α為修正系數(shù)，主要考慮油井含水率。

3.2 繪制CO2驅(qū)采出井管材局部腐蝕預(yù)測模板

通過預(yù)測模型計(jì)算，繪制了CO2驅(qū)采出井碳管材局部腐蝕預(yù)測模板，見圖8，掌握了CO2驅(qū)采出井碳管材局部腐蝕主要規(guī)律，確定了防腐蝕的關(guān)鍵重點(diǎn)部位為高CO2分壓采出井、井筒中下部、動液面附近管柱；預(yù)測符合率達(dá)到了80%，可快速、準(zhǔn)確預(yù)測井筒的腐蝕規(guī)律與嚴(yán)重程度，有效提高了防腐蝕工藝實(shí)施的針對性。

(a) 產(chǎn)液量-井深腐蝕圖版(b) 井深-CO2含量腐蝕圖版(c) 流速-CO2分壓腐蝕圖版圖8 采出井中碳管材的局部腐蝕預(yù)測模板Fig. 8 Localized corrosion prediction templates for carbon steel in wells: (a) liquid production-well depth chart; (b) well depth-carbon dioxide content chart; (c) current speed-partial pressure of carbon dioxide chart

4 結(jié)論

(1) 高溫高鹽油藏二氧化碳驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕極其嚴(yán)重，常規(guī)、單一的防腐蝕技術(shù)難以解決這一問題，必須遵循“抓系統(tǒng)、系統(tǒng)抓”的原則，攻克針對老井網(wǎng)的防腐蝕技術(shù)難題。

(2) 通過研發(fā)仿真模擬裝置，完善了模擬CO2驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)多相流態(tài)的腐蝕評價手段，對高溫高鹽高含水條件下CO2腐蝕規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為中原油田衛(wèi)42油藏CO2驅(qū)防腐蝕技術(shù)研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

(3) 通過研究礦化度、溫度、CO2分壓和流速等多種腐蝕因素對CO2驅(qū)生產(chǎn)井P110套管的腐蝕影響規(guī)律，建立了高CO2分壓局部腐蝕預(yù)測模型，并繪制CO2驅(qū)采出井管材局部腐蝕預(yù)測圖板。

(4) CO2驅(qū)的規(guī)模應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)我國石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)場實(shí)踐表明，該技術(shù)成果對國內(nèi)同類油藏具有重要借鑒意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。