琚子輝，白海濤，何順安，劉 鵬，高 亮，馬 云

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西 西安 710065；3.長慶油田分公司第二采氣廠，陜西 西安 710200）

近年來，氣井井管的腐蝕引起了廣泛關(guān)注。氣井采出液會通過井筒到達(dá)地面，這些介質(zhì)含有有機(jī)物、H2S、CO2、細(xì)菌、泥沙等[1-3]，當(dāng)?shù)叵聹囟群蛪毫_(dá)到一定條件時，會對井管產(chǎn)生全面或局部腐蝕，導(dǎo)致井管防腐失效[4-5]，進(jìn)而影響氣田的開發(fā)經(jīng)營效益。高產(chǎn)液井井筒的腐蝕與油井腐蝕不同，影響因素也有很大差異，要將天然氣水合物、流型、流體組成、井底積液段和非積液段的腐蝕因素一并加以考慮[6-8]。目前，高產(chǎn)液井井筒腐蝕模擬裝置的研究仍處于起步階段，迫切需要對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理、總結(jié)和總結(jié)，從而為同一領(lǐng)域的研究人員提供參考。

1 氣液兩相井筒的腐蝕、結(jié)垢研究

1.1 井筒腐蝕類型

1.1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕會逐漸降低金屬材料的厚度，其表面各部位的腐蝕速率基本相同。水解和腐蝕會導(dǎo)致材料發(fā)生薄層剝落，最終導(dǎo)致材料的機(jī)械性能退化和結(jié)構(gòu)功能損傷。在石油天然氣生產(chǎn)中，均勻腐蝕傾向于減小套筒壁和管道壁的整體厚度，與局部腐蝕相比，均勻腐蝕造成的危害較小[9]。

1.1.2 局部腐蝕

局部腐蝕會使金屬材料表面的局部區(qū)域受到強(qiáng)烈侵蝕，其他區(qū)域受到的腐蝕強(qiáng)度則較低。雖然局部腐蝕的材料質(zhì)量損失率不高，但更容易造成材料的功能性損壞，破壞程度是均勻腐蝕的10~100倍[10-12]。

圖1 金屬材料的腐蝕類型

1.2 氣井井筒腐蝕、結(jié)垢機(jī)理的影響因素

1.2.1 CO2、H2S、細(xì)菌、O2對氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕

酸性氣體CO2、H2S在碳?xì)浠衔铮ㄈ缭停┲械娜芙舛容^高。干的H2S本身沒有腐蝕性，但溶解在水中的氫離子會使溶液呈酸性，是一種強(qiáng)去極化劑，會在陰極捕獲電子，促進(jìn)陽極反應(yīng)，使得金屬材料表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，生成硫化鐵腐蝕產(chǎn)品，使得石油管道和其他鋼部件發(fā)生腐蝕損壞[13-15]。在氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中，細(xì)菌會參與金屬的腐蝕過程，鐵細(xì)菌、黏液形成菌、硫酸鹽還原菌等是最具代表性的細(xì)菌[16]。在氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)過程不連續(xù)，井管設(shè)備的密封不嚴(yán)格，氧侵入后會造成嚴(yán)重的金屬腐蝕[17]。

1.2.2 井底積液

井筒積液是導(dǎo)致氣井開發(fā)減產(chǎn)停產(chǎn)的主要原因之一。井底積液主要來源于氣態(tài)烴的凝析，以及地層儲存層的地層水或?qū)娱g水的滲流。在正常的生產(chǎn)過程中，氣井中的液體通常以液滴的形式分布在氣相中，并由氣體攜帶到地面。當(dāng)井內(nèi)液體因氣相提供的能量不足而無法上升到井口時，井內(nèi)液滴會在井底不斷積累而形成積液，從而增加氣層的回壓[18-19]。在高壓井中，液體以段塞流的形式存在，會損失更多的地層能量，限制氣井的生產(chǎn)能力，甚至?xí)诘蛪壕畠?nèi)造成井水淹關(guān)井。泡沫排水采氣工藝是為開發(fā)產(chǎn)水氣田而研究的助采技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于出水氣井中[20-21]。

1.2.3 不同類型的流體

垂直氣井中的流體，主要有氣液混合物的兩相流和純氣相的單相流。氣藏條件和注水開發(fā)模式使得大多數(shù)氣井在生產(chǎn)過程中或多或少都會產(chǎn)生一些液體。在生產(chǎn)后期，氣田的產(chǎn)水量也會隨著生產(chǎn)時間的延長而逐漸增加。因此，與單相流相比，氣井內(nèi)的流體處于氣液兩相流動的狀態(tài)更為普遍，也呈現(xiàn)出獨特的運動規(guī)律[22]。目前還沒有描述水平井兩相流動的統(tǒng)一流型圖，只能分別用水平管、傾斜管和垂直管3個流型圖進(jìn)行分段處理。如圖2所示，每個流型圖的實驗條件差異很大[23-24]。在氣液兩相流動中存在4種流態(tài)：泡狀流、段塞流、攪拌流、環(huán)霧流，其中段塞流和泡狀流被認(rèn)為是對井筒內(nèi)部壓力梯度影響較大的2種流態(tài)。[25-26]。

圖2 垂直井筒流型分類

1.2.4 氣井中的天然氣水合物

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下，天然氣中的飽和水和天然氣中的某些成分如甲烷、乙烷和二氧化碳等，形成的類似冰的白色籠狀結(jié)晶化合物[27-28]。在天然氣的開采和儲運過程中，天然氣水合物常會造成井筒、管道、閥門等發(fā)生堵塞，損壞設(shè)備，導(dǎo)致氣井減產(chǎn)[29]。防止形成天然氣水合物的方法主要有脫水、壓力、加熱、機(jī)械方法、化學(xué)方法等。目前最有效的方法是添加化學(xué)抑制劑，從而在天然氣水合物形成時將其溶解[30-31]。

1.3 氣井井筒腐蝕的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究者普遍認(rèn)為，導(dǎo)致管柱腐蝕的主要因素是O2、CO2、H2S、SRB、鐵細(xì)菌等[32]。1943年，Texas油氣田井下管柱的失效被確認(rèn)為二氧化碳腐蝕，此后對油管腐蝕破壞程度的研究發(fā)展得相對緩慢。1970年左右，歐盟國家開始重視二氧化碳腐蝕的研究，并進(jìn)行了深入討論。目前，學(xué)術(shù)界對腐蝕有著相對統(tǒng)一的認(rèn)識：流體速度和產(chǎn)品薄膜是影響井筒破壞程度和形態(tài)的關(guān)鍵原因；井筒內(nèi)壁的腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物膜的密度，主要受到井筒溫度的影響[33-35]。

1990 年左右，多相流腐蝕與酸性氣體耦合作用下的腐蝕機(jī)制成為學(xué)術(shù)研究的重點。多相流腐蝕的研究主要集中在流速和流型的影響上。在討論腐蝕機(jī)理和影響因素的同時，國內(nèi)外學(xué)者開始研究管道防腐，主要是開發(fā)緩蝕劑和耐腐蝕材料。緩蝕劑的開發(fā)在均勻腐蝕方面取得了顯著成果，但局部腐蝕緩蝕劑的研究和開發(fā)仍然很少[36]。13Cr馬氏體不銹鋼是國內(nèi)外高溫高壓氣井應(yīng)用最廣泛的管柱材料之一，近年來也出現(xiàn)了17Cr不銹鋼，但對其耐腐蝕性的研究不夠深入，特別是缺乏現(xiàn)場試驗井的性能評價數(shù)據(jù)[37]。

在氣井生產(chǎn)開發(fā)的過程中，井管腐蝕失效的主要表現(xiàn)，有材料腐蝕穿孔、應(yīng)力腐蝕開裂、管柱接頭間隙腐蝕密封失效等。腐蝕監(jiān)測、腐蝕速率預(yù)測及有效預(yù)測管道壽命，是管道腐蝕研究的重點，但目前的研究存在實驗室系統(tǒng)評價不足、現(xiàn)場應(yīng)用長期服務(wù)數(shù)據(jù)不足等問題[38-39]。

2 井筒腐蝕、結(jié)垢的評價方法

2.1 常規(guī)的評價方法

目前的研究主要采用軟件預(yù)測、掛片失重法、電化學(xué)評價法等傳統(tǒng)的腐蝕速率測定方法。一些全尺寸腐蝕模擬評價實驗，主要是基于中間量的間接評價方法，不能反映真正的氣井腐蝕規(guī)律。例如，現(xiàn)有的高溫高壓腐蝕試驗裝置是在封閉的高溫高壓反應(yīng)器中，通過攪拌槳的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)懸掛片和腐蝕介質(zhì)的相對運動，從而模擬實際管道中流體的流動[40]，但在某些腐蝕介質(zhì)與管道的接觸不完全、存在積液的氣井中，整個井筒的不同部位與輸出流體的接觸方式存在不同，而常規(guī)的高溫高壓腐蝕試驗裝置則未能考慮這種情況[41-42]。目前常規(guī)的腐蝕評價方法有2種[43]，即失重法和電化學(xué)實驗法。

1）失重法以樣品在腐蝕前后的質(zhì)量損失側(cè)面表示腐蝕率，是最有效、最基本的定量評價方法。該方法的關(guān)鍵操作之一，是要在不損壞基質(zhì)金屬的情況下，徹底清除表面的腐蝕產(chǎn)物。

2）電化學(xué)實驗法的原理，是金屬材料與電解質(zhì)溶液接觸時，界面上會有自由電子參與廣義的氧化還原反應(yīng)，使得接觸面上的金屬溶解為簡單的離子和絡(luò)離子，或生成氫氧化物、氧化物等穩(wěn)定化合物。這是一個以金屬為陽極腐蝕原電池的過程。電化學(xué)實驗方法可通過電流密度計算金屬的腐蝕率[44]。

2.2 氣井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置的研究進(jìn)展

近年來，學(xué)界對氣井井筒腐蝕和結(jié)垢模擬裝置開展了部分研究。劉慧等人[45]發(fā)明了一種測試裝置和方法，用以模擬氣液兩相流態(tài)，測試井筒的腐蝕速率，裝置結(jié)構(gòu)見圖3。測試裝置包括垂直設(shè)置的發(fā)泡管、內(nèi)腔（容納待測液體和刮片試件）、氣體供應(yīng)管（向發(fā)泡管提供氣體）、回流管（將從發(fā)泡管排出的流體排出回發(fā)泡管）等。本測試裝置可以模擬在氣液兩相流態(tài)條件下，以及井內(nèi)積水的濕氣和氣液兩相泡沫流態(tài)條件下管道積水的腐蝕過程，測試磨蝕速率，也可用于緩蝕劑的篩選和評價。

圖3 模擬氣液兩相流態(tài)以測試井筒腐蝕速率的裝置結(jié)構(gòu)圖

劉慧等人[46]還發(fā)明了一種涉及井筒結(jié)垢、模擬裝置和模擬方法的氣井結(jié)垢模擬裝置，包括氣體儲存裝置、液體儲存裝置、將模擬氣體與模擬液體混合得到實驗流體的氣液混合器和結(jié)垢模擬管，并將不少于2根結(jié)垢模擬管串聯(lián)起來以模擬井筒[47]，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 氣井井筒結(jié)垢、模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

郭剛等人[48]開發(fā)的油氣井管腐蝕模擬評價系統(tǒng)見圖5，包括油套管評價模塊、腐蝕懸掛模塊、結(jié)垢評價模塊、電化學(xué)腐蝕探針模塊和雙層循環(huán)管道等。雙層循環(huán)管與各模塊相連；油套管評價模塊可用來模擬油套管和油套管內(nèi)涂層的流體沖刷；腐蝕懸掛模塊可以模擬流體動態(tài)沖刷腐蝕；結(jié)垢評價模塊可用于油套管結(jié)垢模擬；電化學(xué)腐蝕探針模塊可模擬油套管的電化學(xué)腐蝕。該裝置考慮了流體流速、壓力、溫度等腐蝕結(jié)垢因素，可用于油氣井腐蝕速率試驗、防腐措施效果評價、緩蝕劑和阻垢劑優(yōu)化、不配伍流體結(jié)垢研究等，從而為油氣井的防腐結(jié)垢工作提供有效的評價手段[49]。

圖5 一種油氣井井筒腐蝕模擬評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

胡德高等人[50]公開了頁巖氣井井筒動態(tài)腐蝕速率的模擬測量裝置和方法，包括注液機(jī)構(gòu)、注氣機(jī)構(gòu)、氣液分離機(jī)構(gòu)和測量機(jī)構(gòu)等，裝置結(jié)構(gòu)圖見圖6。注液機(jī)構(gòu)和注氣機(jī)構(gòu)分別與測量機(jī)構(gòu)的進(jìn)口相連，測量機(jī)構(gòu)的出口與氣液分離機(jī)構(gòu)的進(jìn)口相連，氣液分離機(jī)構(gòu)的出口和排氣口與注液機(jī)構(gòu)和注氣機(jī)構(gòu)相連。這一模擬測量裝置可以更真實地模擬頁巖氣井筒不同部位的腐蝕。

圖6 頁巖氣井井筒動態(tài)腐蝕速率模擬測量裝置的結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的評價方法相比，上述全尺寸腐蝕模擬評價裝置考慮了流體流量、溫度和壓力的變化對腐蝕速率的影響，增加了具有多種功能的模塊，可以在宏觀上模擬整個氣井的內(nèi)部環(huán)境，真實有效地模擬氣井的腐蝕，為氣井的腐蝕和防垢提供了有效的評價方法。但各評價裝置整體的自動化程度不高，數(shù)據(jù)集成化和實時性較低，異常檢測數(shù)據(jù)未能得到及時、自動處理，設(shè)備不能連續(xù)運行，各模塊功能相對獨立，因而不能保證實驗條件的真實性和有效性。

2.3 高產(chǎn)液氣井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置的發(fā)展趨勢

針對上述不足，研究者設(shè)計了高產(chǎn)液井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置?？紤]到井筒在地層內(nèi)的環(huán)境，裝置采集到相關(guān)數(shù)據(jù)后可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由總控制器進(jìn)行記錄和處理。輸出信號可用于控制空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。此外，總控制器還可以擴(kuò)展外部設(shè)備，實現(xiàn)集成顯示器上的人機(jī)交互，記錄壓力和溫度實時變化曲線，監(jiān)控設(shè)備的異常數(shù)據(jù)和報警維護(hù)。總控制器可以反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，以確保長期有效的模擬實驗，還可以通過WiFi連接藍(lán)牙等智能終端設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制，有效減少實驗人員的工作量。

3 結(jié)論

1）隨著油氣田開采環(huán)境的惡化，氣井腐蝕問題引起了極大的關(guān)注。除了CO2、H2S等酸性氣體溶解電離而導(dǎo)致的金屬材料腐蝕，氣井井筒的腐蝕還需要考慮天然氣水合物的形成、井底積液段與不積液段、井流類型等影響因素，相關(guān)研究目前還處于起步階段，迫切需要對相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理和總結(jié)，從而為該領(lǐng)域的研究人員提供參考。

2）目前常規(guī)的腐蝕評價方法，多采用軟件預(yù)測、掛片失重法、電化學(xué)評價法等腐蝕速率測定法。近年來，一些基于全尺寸的腐蝕和結(jié)垢模擬裝置相續(xù)出現(xiàn)，但這些全尺寸的腐蝕模擬評價裝置主要采用基于中間量的間接評價方法。裝置的模塊化設(shè)計易導(dǎo)致實際實驗過程的不連續(xù)性，不能真正反映實際操作中的氣井腐蝕規(guī)律，與實際生產(chǎn)的誤差較大。

3）基于全尺寸的腐蝕模擬裝置，由于集成程度低且模塊獨立化，導(dǎo)致無法對井內(nèi)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，不能有效保證實驗的長期有效性，為此新型模擬裝置做了優(yōu)化，未來全尺寸模擬裝置的集成智能是腐蝕模擬評價裝置的重要研究方向。