羅 鳴，高德利，李 軍，李文拓，劉金璐，楊宏偉

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057)

0 引 言

多元熱流體中的二氧化碳和氧氣等物質(zhì)會(huì)對(duì)井筒中管柱造成腐蝕，因此有必要對(duì)井筒注入過程中的腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。目前，雖然有多種井筒腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)先后在各大油田獲得推廣應(yīng)用[1-8]，但針對(duì)多元熱流體井筒的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究少之又少[9-11]。本文考慮新疆油田X井多元熱流體生產(chǎn)工藝和管柱服役工況環(huán)境特點(diǎn)，采用井下掛環(huán)法進(jìn)行井筒腐蝕監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)地介紹了井下掛環(huán)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用情況。該應(yīng)用案例對(duì)其它多元熱流體注入井具有一定的參考價(jià)值。

1 井筒腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

井筒腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)是指對(duì)井筒中重要的設(shè)備或管柱的腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)所采用的技術(shù)。該技術(shù)可以用于獲取多方面信息，一方面可以直接獲取井筒的腐蝕情況，另一方面可以用來評(píng)價(jià)防腐措施。

由于井筒管柱是一個(gè)整體，如果從單根油管上進(jìn)行取樣不僅復(fù)雜，且成本較高，所以監(jiān)測(cè)技術(shù)一般都是建立在不破壞設(shè)備或儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?；谶@一特點(diǎn)，現(xiàn)階段傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)有無電阻電壓表法、電場(chǎng)指紋法、電壓監(jiān)測(cè)法、超聲波法、井口座掛式法、井口堵頭式法、井下投撈式法以及井下掛環(huán)式法等[12-17]。

隨著腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在油田應(yīng)用中的發(fā)展，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸向瞬時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)方向轉(zhuǎn)變[18-23]，相比于井筒的平均腐蝕速率，瞬時(shí)腐蝕速率更具有參考價(jià)值，而這些實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式大多與電力學(xué)有關(guān)[24-27]。除此之外，在部分油田，監(jiān)測(cè)技術(shù)不再是依靠某一種方法，而是多種方法同時(shí)進(jìn)行，這樣得到的結(jié)果更具有參考價(jià)值。

對(duì)于油氣井井筒的腐蝕監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的方法是利用電子技術(shù)進(jìn)行組合式監(jiān)測(cè)[28-29]，加以化學(xué)分析輔助的方式進(jìn)行井筒監(jiān)測(cè)。但該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，由于電子產(chǎn)品傳輸?shù)碾娮有畔⑹嵌谓獯a后的腐蝕數(shù)據(jù)，因此監(jiān)測(cè)的結(jié)果反映的是腐蝕趨勢(shì)，而非腐蝕現(xiàn)狀。對(duì)于油氣井井筒監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)仍偏向采用傳統(tǒng)的掛環(huán)與化學(xué)分析相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式。

2 井下掛環(huán)工藝技術(shù)

2.1 井下掛環(huán)工藝流程

掛環(huán)下入：掛環(huán)有兩種類型，安裝在油管內(nèi)表面的叫內(nèi)掛環(huán)，安裝在外表面的叫外掛環(huán)。內(nèi)外掛環(huán)分別用于監(jiān)測(cè)油管內(nèi)表面和外表面腐蝕的情況，采用內(nèi)外掛環(huán)法最終實(shí)現(xiàn)井下管柱的全方位監(jiān)測(cè)。按掛環(huán)方案分布下入內(nèi)外掛環(huán)，圖1為井下掛環(huán)分布示意圖。

圖1 井下掛環(huán)分布示意圖

掛環(huán)回收及數(shù)據(jù)記錄：對(duì)已下入掛環(huán)器的井密切關(guān)注，及時(shí)取回掛環(huán)器，并按井下掛環(huán)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集表格進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)記錄。取回掛環(huán)器的周期一般與修井作業(yè)周期同步。圖2為回收后掛環(huán)實(shí)物圖。

圖2 回收后掛環(huán)實(shí)物圖

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)方法1—平均腐蝕速率

按照公式(1)計(jì)算掛環(huán)平均腐蝕速率：

(1)

式(1)中：F為腐蝕速率，mm/a；mg、mh分別為腐蝕前和腐蝕后的質(zhì)量，g；s為掛環(huán)裸漏面積，cm2；tf為掛環(huán)下入井筒時(shí)間，d；ρ為密度，g/cm3。

掛環(huán)表面積的計(jì)算：用游標(biāo)卡尺測(cè)量井下腐蝕監(jiān)測(cè)掛環(huán)的內(nèi)外徑和厚度等數(shù)值，計(jì)算出內(nèi)、外環(huán)的表面積(單位為cm2)。理論上，由于內(nèi)環(huán)的外表面和外環(huán)的內(nèi)表面被固定鋼環(huán)的尼龍環(huán)所包裹，該面積不應(yīng)在計(jì)算之列，但是從取回的掛環(huán)表面分析，所有鋼環(huán)的內(nèi)外表面均有嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，說明尼龍環(huán)的包裹并不緊密，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)統(tǒng)計(jì)全面積。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)方法2—局部腐蝕速率

對(duì)于去除腐蝕產(chǎn)物膜的掛環(huán)，利用ZEISS Smartzoom 5超景深光學(xué)顯微鏡測(cè)量腐蝕坑的深度(詳細(xì)的測(cè)試方法及步驟見GB/T 18590—2001)，按公式(2)計(jì)算掛環(huán)的最大點(diǎn)蝕速率。

(2)

式(2)中：Rpit為點(diǎn)蝕速率，mm/a；dm為腐蝕坑的深度，mm；t為腐蝕時(shí)間，d。

3 井下掛環(huán)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 井筒腐蝕現(xiàn)狀

某井區(qū)決定用多元熱流體技術(shù)打破稠油熱采技術(shù)所固有的瓶頸[30]。但在使用多元熱流體技術(shù)增產(chǎn)的過程中，多元熱流體由于含有燃燒產(chǎn)物CO2及未完全燃燒的余氧，在前期15口先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)井實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)管柱存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象，隨后對(duì)設(shè)備空燃比及余氧系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，腐蝕得到了有效控制。下入油管出現(xiàn)了腐蝕的小洞及斷脫現(xiàn)象，經(jīng)過10次打撈作業(yè)管柱全部撈出，油管內(nèi)出現(xiàn)紅色稀泥狀物質(zhì)。圖3為A井管柱腐蝕后實(shí)物圖。

圖3 A井管柱腐蝕后實(shí)物圖

未來，油田計(jì)劃大規(guī)模開展注多元熱流體，對(duì)于如此大規(guī)模的注多元熱流體井，如果管柱一旦發(fā)生腐蝕穿孔，將嚴(yán)重影響油田的安全生產(chǎn)，因此亟需建立井筒腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 井下掛環(huán)方案

根據(jù)A井管柱材質(zhì)、井身結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)井下掛環(huán)方案。掛環(huán)材質(zhì)、數(shù)量、位置等信息如圖4所示。

圖4 A井井下掛環(huán)示意圖

3.3 平均腐蝕結(jié)果分析

基于掛環(huán)的原始重量、去膜后的重量和有效注入時(shí)間，計(jì)算出的平均腐蝕速率見表1。由表1可得:1)內(nèi)環(huán)的腐蝕速率很大，最大達(dá)到1.854 4 mm/a(0009 N80(內(nèi)))，根據(jù)NACE RP-0775—2005對(duì)油田系統(tǒng)用碳鋼腐蝕程度的規(guī)定，所有內(nèi)環(huán)均屬于極嚴(yán)重腐蝕程度； 2)外環(huán)的腐蝕速率相對(duì)較小，最大腐蝕速率為0011 N80(外)環(huán)的腐蝕速率，即0.470 0 mm/a，屬極嚴(yán)重腐蝕程度，0012 N80(外)環(huán)的腐蝕速率與其相當(dāng)，也屬于極嚴(yán)重程度腐蝕，其余外部掛環(huán)的腐蝕速率則屬于中度腐蝕。

表1 A井掛環(huán)腐蝕速率表 mm/a

結(jié)合掛環(huán)的安裝位置(如圖4所示)，計(jì)算結(jié)果具有以下規(guī)律:1)內(nèi)環(huán)0009 N80(內(nèi))、0010 N80(內(nèi))和0012 N80(內(nèi))的腐蝕速率較大，均位于管柱的中部和下部； 2)外環(huán)0011 N80(外)和0012 N80(外)的腐蝕速率較大，均位于管柱的下部。

3.4 局部腐蝕結(jié)果分析

圖5是部分掛環(huán)表面的三維形貌圖，展示了不同掛環(huán)腐蝕坑深度沿測(cè)量線方向的變化情況。由圖可知:1)0008 N80(內(nèi))環(huán)內(nèi)表面坑蝕較嚴(yán)重區(qū)域的三維形貌，可見最大蝕坑深度為93 μm，計(jì)算出該處最大點(diǎn)蝕速率為5.16 mm/a； 2)0009 N80(內(nèi))環(huán)內(nèi)表面坑蝕較嚴(yán)重區(qū)域的三維形貌，由此可見最大蝕坑深度為102 μm，計(jì)算出該處最大點(diǎn)蝕速率為5.67 mm/a； 3)0012 N80(內(nèi))環(huán)內(nèi)表面的三維形貌，由此可見最大蝕坑深度為153 μm，計(jì)算出該處最大點(diǎn)蝕速率為8.48 mm/a。

圖5 部分掛環(huán)表面的三維形貌圖

根據(jù)GB/T 18590—2001的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，0008 N80(內(nèi))、0009 N80(內(nèi))和0012 N80(內(nèi))三個(gè)內(nèi)環(huán)的局部腐蝕均為極嚴(yán)重程度，內(nèi)環(huán)最大點(diǎn)蝕速率達(dá)到8.483 mm/a。尤其是隨著井深增大，腐蝕程度隨之增大。其它掛環(huán)分析方法與此類似。

4 結(jié)論與建議

1)對(duì)于油氣井井筒監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)仍偏向采用傳統(tǒng)的掛環(huán)與化學(xué)分析相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式。

2)采用平均腐蝕速率方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)NACE RP-0775—2005的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)環(huán)腐蝕嚴(yán)重部位位于管柱的中部和下部，平均腐蝕速率最大達(dá)到1.85 mm/a；外掛環(huán)腐蝕嚴(yán)重部位位于管柱的下部，根據(jù)研究結(jié)果可對(duì)腐蝕嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)防治。

3)采用局部腐蝕速率方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)GB/T 18590—2001的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)環(huán)的局部腐蝕均為極嚴(yán)重程度，最大點(diǎn)蝕速率達(dá)到8.483 mm/a。尤其是隨著井深增大，腐蝕程度隨之增大。

4)注多元熱流體井筒腐蝕問題嚴(yán)重，后期應(yīng)基于掛環(huán)評(píng)價(jià)結(jié)果開展腐蝕機(jī)理及腐蝕規(guī)律等方面的研究。