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寧夏鹽池油田井下J55、N80 套管腐蝕因素分析

2020-12-04 04:39吳志懷董淼
礦產(chǎn)勘查 2020年10期
關(guān)鍵詞:油井套管產(chǎn)物

吳志懷,董淼

(1.中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司,河南南陽 473132;2.中石化華北油氣分公司,河南鄭州 450000)

0 引言

隨著陸上油田開發(fā)陸續(xù)進(jìn)入中后期,油井套管損壞已經(jīng)成為制約油田降本增效的主要影響因素,而由于腐蝕造成套管損壞的井占到了套損總井?dāng)?shù)的1/3 以上(徐剛等,2017),因此油氣開采過程中生產(chǎn)管柱的腐蝕防護(hù)一直是油田開發(fā)過程中所重點(diǎn)關(guān)注的問題。在井下復(fù)雜的流體介質(zhì)及溫壓條件下,隨著油氣井開采時(shí)間的延長,套管及油管等碳鋼材質(zhì)的生產(chǎn)管柱都會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致油井套管被擠毀、變形、穿孔,產(chǎn)能下降(張紹輝等,2016)。需要反復(fù)的堵漏、檢修甚至更換套管等,無形中增加了生產(chǎn)成本。

CO2腐蝕是石油天然氣工業(yè)中常見的腐蝕類型(林海等,2016),截止2020 年初,寧夏鹽池油田已發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔引起的套損井多達(dá)33 口,占全廠井?dāng)?shù)的23%,油田套損井總數(shù)的97%,平均套管壽命僅為5.9 a。導(dǎo)致油井含水上升,油井產(chǎn)量下降,修復(fù)后,排水長,產(chǎn)量恢復(fù)率低,嚴(yán)重阻礙了油田正常生產(chǎn)和開發(fā)。對(duì)于CO2套管腐蝕問題已經(jīng)成為油田腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域中重要的研究課題(耿春雷等,2011)。這方面的研究目前主要是室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)條件及井下多相流體的環(huán)境,在一定的溫壓條件下開展腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)(李珣等,2006;高斐等,2014a),而通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)直接進(jìn)行研究相對(duì)較少。為了充分了解和掌握井下套管CO2腐蝕特征及規(guī)律(謝濤等,2017),通過提出采用失重法對(duì)套管的腐蝕速率進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)借助掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)及X 射線衍射(XRD)等測(cè)試手段,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的腐蝕掛片腐蝕產(chǎn)物的形貌及成分進(jìn)行微觀測(cè)試和分析(高斐等,2014b),從而揭示寧夏鹽池油田井下套管CO2腐蝕規(guī)律,旨在為該油田防腐實(shí)踐提供具有針對(duì)性和指導(dǎo)意義的理論依據(jù)。

1 油田腐蝕環(huán)境分析

油井套管生產(chǎn)過程中處于井下復(fù)雜的流體介質(zhì)環(huán)境(李雪等,2017),并且在高礦化度以及溫壓條件下,現(xiàn)場(chǎng)套管在不同的井深呈現(xiàn)出不同的腐蝕特征(孫海礁和葉帆,2010;謝文江等,2010)。因此,井下腐蝕環(huán)境是影響套管腐蝕行為的主要因素。寧夏鹽池油田主力油層位延長組,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得油井日產(chǎn)液量5.0~10.0t/d,含水率為70%~90%,油層伴生氣中CO2體積含量為4.7%~9.2%,CO2分壓范圍為0.1~0.4MPa,套損位置溫度范圍為60~70℃,套管為N80 鋼。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5329-1994,1994;SY/T 5523-2000,2000;周計(jì)明,2002;李大朋等,2012),對(duì)油井采出水進(jìn)行了水質(zhì)分析(表1)。

由表1 可知該油田延長組油層采出水為CaCl2型,pH 值普遍都在6.5~7.0 的范圍內(nèi),偏弱酸性,礦化度普遍在5×104~6×104mg/L,為高礦化度地層水。水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42+、HCO3-結(jié)垢離子含量較高,為成垢提供了基本條件。地層水中腐蝕性離子HCO3-、Cl-含量分別為2.0×102~6.5×102mg/L 和3×104~4×104mg/L,促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕。因此該油田井下套管經(jīng)受的是高礦化度地層水條件下的CO2腐蝕,并且存在垢下腐蝕促進(jìn)了套管的局部腐蝕穿孔。

2 腐蝕試驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

為了井下套管鋼的腐蝕規(guī)律,本次實(shí)驗(yàn)采用腐蝕質(zhì)量損失法(李大朋等,2012)來評(píng)價(jià)鋼材的腐蝕速率。將實(shí)驗(yàn)后的掛片試樣除去表面的腐蝕產(chǎn)物,經(jīng)過無水乙醇、丙酮清洗干燥處理后采用萬分之一電子天平稱重,從而計(jì)算單位時(shí)間單位面積上的質(zhì)量損失量。即:

式(1)中:Vt,腐蝕速率,g·m-2·h-1;m0,試樣原始重量,g;mt,試樣去除腐蝕產(chǎn)物后的重量,g;A,試樣表面積,m2;t,腐蝕時(shí)間,h;Va,腐蝕速率,mm/a;ρ,金屬的密度,g·m-3。

2.2 試驗(yàn)儀器和樣品

為了對(duì)油田的J55、N80 油管鋼的腐蝕行為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和研究,現(xiàn)場(chǎng)選取一口井進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)試樣采用現(xiàn)場(chǎng)常用的J55、N80 套管鋼,其化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(周計(jì)明,2002)(表2)。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為Y6 井的油層采出水,對(duì)取自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)井的油層采出水進(jìn)行檢測(cè)(SY/T 5523-2000,2000;6SY/T 5329-1994,1994),水型為CaCl2,總礦化度為29255.9 g/L,pH 值為6.0(表3)。

試驗(yàn)試樣為96 mm×19 mm×3 mm 的長方體掛片,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掛片及掛片器如圖1 和圖2 所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及流程

實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)典失重法,將安裝有實(shí)驗(yàn)掛片的掛片器安裝到油管上,下入井底,經(jīng)過一段時(shí)間后從井底取出掛片器和掛片,經(jīng)室內(nèi)處理之后,采用質(zhì)量損失法計(jì)算腐蝕速率(林現(xiàn)喜等,2016)。流程如下。

表1 寧夏鹽池油田部分油井延長組采出水水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 J55、N80 碳鋼元素含量 ωB/%

表3 Y6 井的油層采出水水質(zhì)分析結(jié)果

圖1 現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)安裝示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)安裝示意圖

(1) 實(shí)驗(yàn)前將尺寸為76 mm×19 mm×3 mm 的掛片分別用280 號(hào)、600 號(hào)砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨至鏡面,經(jīng)清水沖洗、用石油醚(60~90℃)清洗除油、浸入無水乙醇中脫水,取出后放入干燥器干燥后測(cè)量試樣的尺寸并稱重。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)帶好干燥的塑料手套,并且防止用手直接接觸掛片。迅速的將掛片安裝到掛片器上,安裝的過程中要記錄號(hào)掛片上的鋼號(hào)。最后將掛片器安裝到油管設(shè)計(jì)位置上,下入井底。操作的過程應(yīng)盡量將掛片快速下入井中,盡量減少掛片處在暴氧的環(huán)境中。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后,將腐蝕掛片輕輕的從系統(tǒng)中拆出后,進(jìn)行拍照保留原始狀態(tài)的信息,并快速用塑料薄膜包裹,以防其腐蝕產(chǎn)物在空氣中氧化(如果現(xiàn)場(chǎng)有條件,用濾紙輕輕擦去油污,然后用無水乙醇清洗,并快速用塑料薄膜包裹,以防其腐蝕產(chǎn)物在空氣中氧化)。

(4) 將掛片表面污油用石油醚沖洗干凈。

(5) 清洗干凈的掛片用清水沖洗,然后用硬毛刷去除腐蝕掛片表面疏松產(chǎn)物。

(6) 經(jīng)沖刷過的腐蝕掛片用濾紙吸干后,將其放入含有緩蝕劑(六次甲基四胺)的稀鹽酸(10%~15%)溶液中浸泡進(jìn)一步清除腐蝕產(chǎn)物。

(7) 經(jīng)酸洗過的掛片取出后立即用自來水清洗,濾紙吸干后放入氫氧化鈉溶液中和浸泡,浸泡時(shí)間不宜大于1min,中和后的掛片用自來水沖洗。

(8) 1 次未清洗干凈的掛片可以重復(fù)上述過程。

(9) 清洗合格的掛片用濾紙吸干水分后放入無水乙醇中浸泡5 min。

(10) 經(jīng)浸泡脫水的掛片用濾紙吸干后放入干燥器中,24~48 h 后用精度為0.1 mg 的電子天平稱重并按照前面提到了質(zhì)量損失法計(jì)算腐蝕速率。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)掛片腐蝕結(jié)果

Y6 井為油田開發(fā)井,井深2015.0 m,生產(chǎn)過程中動(dòng)液面位置為1621.0 m,地溫梯度為2.96℃/100 m,抽油泵懸掛深度為1795.0 m,掛片器位置1741.0 m?,F(xiàn)場(chǎng)取出掛片如圖3 和圖4 所示,試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。掛片器置于井下共歷時(shí)77 d。按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行處理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)掛片安裝位置(a)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)后取出掛片器及掛片(b)

表3 Y6 井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:動(dòng)液面以下的1~4號(hào)掛片(J55)和5~6 號(hào)掛片(N80)表面各個(gè)部位都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕,1~4 號(hào)J55 鋼片局部腐蝕(王世杰,2015)嚴(yán)重,并且點(diǎn)蝕和坑蝕成片出現(xiàn);5~6 號(hào)鋼片(N80)腐蝕程度較J55 鋼片輕,但也呈現(xiàn)的是局部腐蝕特征。從電鏡掃描結(jié)果(SEM)(圖5,6)來看,J55 掛片表面被層厚厚的腐蝕產(chǎn)物膜所覆蓋,局部呈現(xiàn)出腐蝕坑,進(jìn)一步放大可以看出疏松的腐蝕膜上有許多的小孔,為腐蝕介質(zhì)接觸基底形成點(diǎn)腐蝕創(chuàng)造的條件;N80 掛片表面腐蝕產(chǎn)物膜分布不均,局部基底暴露在腐蝕介質(zhì)中,呈現(xiàn)出點(diǎn)腐蝕的形貌,腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基底有一定的保護(hù)作用,但是進(jìn)一步放大腐蝕產(chǎn)物膜有裂紋,為腐蝕介質(zhì)接觸基底提供了通道,促進(jìn)了點(diǎn)腐蝕的形成。腐蝕產(chǎn)物絕大部分都溶解于酸中,說明腐蝕產(chǎn)物主要是碳酸亞鐵。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可以推斷:油井套管動(dòng)液面以下存在嚴(yán)重的內(nèi)腐蝕,并且以局部的點(diǎn)腐蝕—坑腐蝕為主,是導(dǎo)致套管動(dòng)液面以下穿孔的主要原因。

3.2 試驗(yàn)掛片EDS 及XRD 分析

分別采用X 射線能量色散譜分析儀(EDS)和X Pert PRO X 型X 射線衍射儀(XRD)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掛片腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行電子能譜及物相組分分析(圖7~8)。

從EDS 分析結(jié)果可以看出,掛片腐蝕產(chǎn)物膜包含的化學(xué)元素成分主要為Fe、O、C、Mn、S、Ni 和Na組成,其中非金屬元素主要為O、C 和S,并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。N80 的金屬主要成分為Fe,其中Mn 和Ni是鋼材中本身含有的微量元素,Na 是來源于溶液中析出的元素。因此腐蝕產(chǎn)物的主要成分為FeCO3(徐海升等,2009)和少量的FeS(包括FeS0.9)。其中S2-主要來源于硫酸鹽還原菌將還原而來(朱絨霞等,2000;朱衛(wèi)東等,2020)。因此說明寧夏鹽池油田的腐蝕主要為CO2腐蝕。

圖4 Y6 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片照片

3.3 防護(hù)建議

鹽池油田生產(chǎn)套管的腐蝕主要是由于CO2引起的,根據(jù)以上的研究成果,建議通過定期加注緩蝕劑、套管內(nèi)表面涂覆有機(jī)材料防腐層、改用耐腐蝕性1Cr13 材質(zhì)套管完井等措施來預(yù)防或者延緩生產(chǎn)套管的腐蝕,降低油田開發(fā)成本。

4 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場(chǎng)掛片器的腐蝕實(shí)驗(yàn)方法,能夠真實(shí)的反映井下腐蝕環(huán)境,測(cè)試結(jié)果表明,該油田井下套管J55 和N80 鋼材的平均腐蝕速率分別為0.0588 mm/a 和0.0571 mm/a,屬于中等腐蝕程度。說明J55 和N80 鋼材不適合該油田生產(chǎn)使用。

(2) 根據(jù)腐蝕形貌宏觀和微觀分析,在現(xiàn)場(chǎng)井下環(huán)境下,J55 和N80 掛片都是以局部腐蝕為主,表現(xiàn)的腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕和坑蝕。

圖5 實(shí)驗(yàn)掛片J55 鋼片實(shí)驗(yàn)后電鏡掃描(SEM)

圖6 實(shí)驗(yàn)掛片N80 鋼片實(shí)驗(yàn)后電鏡掃描(SEM)

圖7 掛片N80 腐蝕產(chǎn)物EDS 分析結(jié)果

圖8 掛片N80 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果

(3) 現(xiàn)場(chǎng)掛片腐蝕產(chǎn)物的元素組合和組分分析結(jié)果表明,該油田引起套管腐蝕穿孔的原因是碳鋼的CO2腐蝕,腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3。為指導(dǎo)油田開展防腐措施的制定奠定了基礎(chǔ)。

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