楊新克, 李杰, 榮垂剛, 朱萬(wàn)雨, 曹夢(mèng)雨, 趙田

(1.中石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院, 克拉瑪依 834018; 2.中石油新疆油田公司工程技術(shù)處, 克拉瑪依 834018; 3.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 大慶 163318)

油氣資源是工業(yè)的血液[1],中國(guó)大部分油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期,剩余油開(kāi)采[2]已成為油田生產(chǎn)的重中之重。經(jīng)歷多年的水驅(qū)開(kāi)發(fā)后,多數(shù)老油田的剩余油集中于高含水或特高含水層段[3],這一現(xiàn)象大大提升了剩余油動(dòng)用的難度[4-5]。針對(duì)此難題,大量學(xué)者開(kāi)展了不同層次的研究,也基于不同出發(fā)點(diǎn)闡明了各自的結(jié)論。如耿師江等[6]分析了特高含水階段東部老油田剩余油的賦存特點(diǎn),探討了不同驅(qū)油方式對(duì)此類(lèi)油藏的適應(yīng)性,其發(fā)現(xiàn)“高注低采”模式更有利于注入水運(yùn)移的均衡性。曹飛等[7]建立了表征不同縫洞結(jié)構(gòu)特征的二維可視化物理模型,基于實(shí)驗(yàn)手段探究了泡沫驅(qū)在縫洞型油藏中的應(yīng)用效果,并揭示了縫洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)用機(jī)理,驗(yàn)證了泡沫驅(qū)方法在縫洞結(jié)構(gòu)剩余油采收率提升方面的效果。劉維霞[8]針對(duì)勝利油田窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅(qū)精細(xì)二次開(kāi)發(fā)的“三高協(xié)同效應(yīng)”問(wèn)題開(kāi)展研究,提出了用于窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅(qū)開(kāi)發(fā)主控因素敏感性的定量分析方法和判定原則,并給出了窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅(qū)篩選標(biāo)準(zhǔn)。其研究結(jié)果表明,窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅(qū)開(kāi)發(fā)的極敏感因素主要為地質(zhì)因素和流體因素。羅憲波等[9]分析了強(qiáng)邊水雙高階段剩余油的分布規(guī)律及挖潛措施,發(fā)現(xiàn)井網(wǎng)加密調(diào)整可有效提升剩余油開(kāi)采效率。王敬等[10]研究了縫洞型油藏水驅(qū)剩余油的形成機(jī)制、分布規(guī)律以及換向注水期間的剩余油動(dòng)用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)換向注水可有效提升剩余油的動(dòng)用能力。從前述學(xué)者研究結(jié)論可知,注水仍是剩余油驅(qū)替的重要措施之一。尤其是層間矛盾較大的非均質(zhì)油藏,有時(shí)還需對(duì)其進(jìn)行分層控制注入,以確保其低滲層剩余油驅(qū)替的高效性[11-13]。然而,油藏的層間矛盾關(guān)系也會(huì)隨著注采工作的深入而發(fā)生變化,各層段的配注壓力及配注量也應(yīng)隨著層間矛盾變化而靈活調(diào)整[14-17]。配注器的配注量由其堵塞器水嘴開(kāi)度決定,而傳統(tǒng)配注器水嘴開(kāi)度調(diào)整需在停注狀態(tài)下完成,這極大影響了油田的生產(chǎn)效率。基于上述背景,新疆油田定制了纜控式井下智能配注器及配注系統(tǒng)。該系統(tǒng)調(diào)參時(shí)無(wú)需關(guān)井停注,故作業(yè)效率得到了有效提升。而此類(lèi)低滲油藏的注水井井筒環(huán)境復(fù)雜,所用配注管柱及配套工具的工作環(huán)境也多為強(qiáng)腐蝕性環(huán)境。井下管柱在此類(lèi)環(huán)境下的耐蝕性能在極大程度上決定了其工作過(guò)程的安全性。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)注水井管柱的腐蝕特性進(jìn)行了研究,得到了相應(yīng)的成果與結(jié)論。如丁亮[18]針對(duì)哈薩克斯坦K油田注水井井下管柱腐蝕結(jié)垢問(wèn)題開(kāi)展研究,其通過(guò)腐蝕結(jié)垢樣品的組分及成因分析,確定了注入水礦化度和Cl-濃度過(guò)高等問(wèn)題為該管柱腐蝕結(jié)垢的主要原因。陳曦[19]分析了渤海A油田注水井管材腐蝕機(jī)理,結(jié)合其臨界沖蝕流速優(yōu)選了注水井管材。馬國(guó)銳等[20]結(jié)合Song[21]、Tromans[22]、Eggum等[23]建立的理論模型,分析了塔河油田注水井井筒完整性失效問(wèn)題,確定了注水參數(shù)對(duì)管柱腐蝕的影響規(guī)律。朱麗娟等[24]分析了鎳磷鍍油管在某油田注水井中的腐蝕失效機(jī)理,確定了該油管損傷的主要原因是其前處理工藝不達(dá)標(biāo)致使鎳磷鍍層過(guò)早失效。胡廣強(qiáng)等[25]分析了高含CO2及少量H2S條件下油管材料腐蝕速率隨環(huán)境的溫度變化,確定了該環(huán)境下溫度對(duì)油管材料P110鋼腐蝕過(guò)程的影響規(guī)律。綜上可知,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多通過(guò)理論建模及室內(nèi)試驗(yàn)方法分析注水管柱的腐蝕問(wèn)題,其研究對(duì)象也多為注水管柱本身材料的腐蝕特性,而針對(duì)井下工具的腐蝕問(wèn)題卻少有涉及。然而,因配注器等工具發(fā)生腐蝕缺陷而造成的經(jīng)濟(jì)損失卻不容忽視,僅2017年大慶油田采油廠因更換腐蝕失效配水器消耗的資金便近千萬(wàn)元[26]。在新疆油田等腐蝕性更強(qiáng)的井筒環(huán)境內(nèi),因工具腐蝕造成的損失只會(huì)更加嚴(yán)重,中國(guó)老油田此類(lèi)資金消耗更是難以估量。因此,配注器等井下工具及其材質(zhì)的耐腐蝕性分析或壽命評(píng)價(jià)工作對(duì)油田降本增效的意義極大。然而,傳統(tǒng)配注器在強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下的壽命評(píng)價(jià)工作[27-28]尚且處于起步階段,且近年來(lái)方興未艾的精密工具——纜控式智能配注器,其設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用仍需進(jìn)一步推進(jìn)和細(xì)化,其在新疆油田等強(qiáng)腐蝕性環(huán)境[29]內(nèi)的適應(yīng)性尚不清楚。這一現(xiàn)狀嚴(yán)重限制了智能配注工藝及工具在新疆油田等強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的應(yīng)用,大大制約了中國(guó)數(shù)字化油田的發(fā)展進(jìn)程。因此,現(xiàn)基于新疆油田注水井工作特點(diǎn),對(duì)其所用纜控式智能配注器的兩種常用材料在不同井筒環(huán)境下的腐蝕特性進(jìn)行評(píng)價(jià),明晰上述材料在不同溫度、不同Cl-濃度環(huán)境下的適應(yīng)性。以期為油田智能化工藝及其配套工具在腐蝕性環(huán)境的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 纜控式智能配注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所分析纜控式智能配注系統(tǒng)如圖1所示,其核心工具為纜控式智能配注器,結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。該纜控式配注器主體結(jié)構(gòu)有2種材質(zhì),兩種材質(zhì)所制纜控式配注器分別如圖2(b)及圖2(c)所示。

圖1 纜控式配注器測(cè)調(diào)工藝總體方案

圖2 纜控式智能配注器結(jié)構(gòu)

2 配注器材料耐蝕性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器選擇

實(shí)驗(yàn)需在不同材質(zhì)智能配注器關(guān)鍵部位取樣,并測(cè)試其在不同條件下的電化學(xué)阻抗特性、動(dòng)電位極化特性等特性或參數(shù),從而綜合評(píng)定不同工具在新疆油田井筒環(huán)境內(nèi)的適用性。耐蝕性能測(cè)試所用設(shè)備如表1所示。

表1 性能測(cè)試所用儀器

2.2 試樣切割

采用線(xiàn)切割方法,在2種材質(zhì)配注器上取樣。取樣位置、所用設(shè)備及形成的試樣分別如圖3所示。

圖3 線(xiàn)切割過(guò)程及所制備試樣

2.3 試樣清洗及制備

取樣完成后,對(duì)所制備試樣表面粉塵及污垢進(jìn)行超聲波清洗。清洗試樣所用設(shè)備為KQ-400KDE型超聲波清洗器,如圖4所示。

圖4 KQ-400KDE型超聲波清洗器

完成試樣清洗后,利用PVC管、銅線(xiàn)、環(huán)氧樹(shù)脂等制備電化學(xué)阻抗特性測(cè)試試樣,所制備試樣如圖5所示。制備好試樣后,對(duì)試樣進(jìn)行表面預(yù)處理,流程如圖6所示。

圖6 電極表面預(yù)處理方法

2.4 腐蝕環(huán)境模擬

以硫化鈉、硫酸鎳、硫酸鎂、氯化鈣等藥品配制對(duì)應(yīng)不同井況不同礦化度的電解質(zhì)溶液,保持礦化度、氯離子含量、硫化氫含量、二氧化碳含量及pH等條件一致,利用恒溫水浴鍋控制電化學(xué)反應(yīng)溫度,具體測(cè)試條件如表2所示,測(cè)試裝置如圖7所示。

3 腐蝕速率隨溫度變化規(guī)律分析

3.1 A材料不同溫度下腐蝕特性分析

基于表2所述實(shí)驗(yàn)方案,利用電化學(xué)工作站開(kāi)展A材料不同溫度下腐蝕特性分析。其中,測(cè)試采樣頻率為2 Hz,電位間隔0.5 mV,電位掃描范圍為-0.3～+ 0.3 V,掃描速率為3 mV/s。完成測(cè)試后,獲得兩種井況下A材料所制試樣極化曲線(xiàn)如圖8所示?？梢钥闯?隨著溫度的提高,兩井環(huán)境下A材料的腐蝕電位(Ecorr)均下降,同時(shí)腐蝕電流(icorr)值均增大;其中井1環(huán)境中由3.2×10-5A/cm2增大至3.5×10-5A/cm2,井2環(huán)境中由9.4×10-5A/cm2增至1.2×10-4A/cm2,腐蝕速率均增大。綜上所述,對(duì)于A材料而言,無(wú)論在井1還是井2環(huán)境中,在保持礦化度、氯離子含量、硫化氫含量、二氧化碳含量及pH等條件一致的前提下,隨著溫度的升高,腐蝕狀況均加劇。

3.2 B材料不同溫度下腐蝕特性分析

基于表2所述實(shí)驗(yàn)方案,利用電化學(xué)工作站開(kāi)展B材料不同溫度下腐蝕特性分析,測(cè)試條件與A材料相同。完成測(cè)試后,獲得兩種井況下的B材料試樣極化曲線(xiàn)如圖9所示?？梢钥闯?隨著溫度的提高,兩井環(huán)境下B材料Ecorr值正向偏移,icorr值則驟降,而溫度升至90 ℃時(shí),腐蝕極其輕微,上述結(jié)果表明,溫度升高后溶液溶解氧量驟減,腐蝕速率也隨溶解氧含量下降而下降。此外,90 ℃時(shí)B材料的Ecorr較高且為正值,證明此環(huán)境下,B材料的金屬腐蝕傾向極低。模擬井2環(huán)境中,B材料在45 ℃時(shí)測(cè)得的極化曲線(xiàn)無(wú)法成形,說(shuō)明此時(shí)其表面仍處于鈍化狀態(tài),而當(dāng)溫度升至65 ℃時(shí)Cl-點(diǎn)蝕速度加快,氧化層更易被穿透,繼而點(diǎn)蝕坑擴(kuò)大并發(fā)展成為更嚴(yán)重的腐蝕。綜上可知,對(duì)于B材料而言,在其他條件(礦化度、氯離子含量、硫化氫含量、二氧化碳含量及pH等)一致的前提下,隨著溫度的升高,其腐蝕速率呈先增后減趨勢(shì),具體表現(xiàn)為:當(dāng)溫度較低時(shí),溫度為影響腐蝕的主要因素;當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),溶解氧含量則成為影響腐蝕的主要因素。

E/V vs.SCE為材料腐蝕電位,無(wú)量綱;lgi為腐蝕電流密度對(duì)數(shù)

綜上可知,兩種井況條件下,隨著溫度的升高,材料A和材料B的腐蝕發(fā)展規(guī)律不同。在所研究井況條件下,隨著溫度升高,B材料的耐蝕性能逐漸優(yōu)于A材料。

4 腐蝕速率隨Cl-濃度變化分析

4.1 A材料不同Cl-濃度下腐蝕特性分析

配制對(duì)應(yīng)不同井況的電解質(zhì)溶液,保持溫度、礦化度、硫化氫含量、二氧化碳含量及pH等條件一致,改變Cl-濃度,具體測(cè)試條件如表3所示?；诒?所述條件,分別測(cè)試A材料在相應(yīng)環(huán)境下的動(dòng)電位計(jì)劃曲線(xiàn),結(jié)果如圖10所示。由測(cè)試結(jié)果可知,隨著Cl-濃度的提高,兩種模擬井況環(huán)境中的不銹鋼的腐蝕電位Ecorr變化幅度很小,而腐蝕電流icorr值均增大,其中井況1環(huán)境中由2.3×10-5A/cm2增大至3.8×10-5A/cm2,井況2環(huán)境中由7.9×10-5A/cm2增至9.6×10-5A/cm2,腐蝕速率均增大。據(jù)此得出:對(duì)于A材料而言,無(wú)論在井況1還是井況2環(huán)境中,在其他條件(溫度、礦化度、硫化氫含量、二氧化碳含量及pH等)一致的情況下,其腐蝕傾向性均呈現(xiàn)隨著Cl-濃度的提高而嚴(yán)重的趨勢(shì)。

表3 腐蝕特性測(cè)試環(huán)境

E/V vs.SCE為材料腐蝕電位,無(wú)量綱;lgi為腐蝕電流密度對(duì)數(shù)

4.2 B材料不同Cl-濃度下腐蝕特性分析

基于表3所述條件,分別測(cè)試B材料在相應(yīng)環(huán)境下的動(dòng)電位計(jì)劃曲線(xiàn),結(jié)果如圖11所示。由測(cè)試結(jié)果可知,隨著Cl-濃度從10 000 mg/L提高到12 000 mg/L,模擬井況1環(huán)境中B材料Ecorr負(fù)向偏移,icorr值則由1.18×10-5A/cm2增大至1.31×10-5A/cm2,同時(shí)腐蝕速率由0.126 mm/a增大至0.159 mm/a,說(shuō)明在溫度、溶解氧含量等條件一致的情況下,Cl-濃度升高加劇腐蝕。模擬井況2環(huán)境中B材料測(cè)得的極化曲線(xiàn)無(wú)法成形,且腐蝕電流微乎其微,說(shuō)明在45 ℃時(shí)Cl-濃度升高并不能破壞該金屬表面的鈍化(氧化)層,金屬得到保護(hù)。

E/V vs.SCE為材料腐蝕電位,無(wú)量綱;lgi為腐蝕電流密度對(duì)數(shù)

5 結(jié)論

在不同溫度、不同Cl-濃度條件下,針對(duì)纜控式智能配注器兩種典型材料的耐蝕性能開(kāi)展了研究,得到以下結(jié)論。

(1)兩種井況條件下,隨著溫度的升高,材料A和材料B的腐蝕發(fā)展規(guī)律不同。其中A材料隨溫度升高其腐蝕程度明顯加劇,而B(niǎo)材料腐蝕速率則隨溫度升高呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì);在所研究井況條件下,隨著溫度升高,B材料的耐蝕性能逐漸優(yōu)于A材料。

(2)兩種井況條件下,隨著Cl-濃度的升高,材料A和材料B的腐蝕發(fā)展規(guī)律不同。其中在所研究溫度范圍內(nèi),A材料腐蝕傾向均隨著Cl-濃度的提高而明顯提升,而在溫度較低條件下,B材料則耐蝕性能明顯較好。在所研究井況條件及Cl-濃度范圍內(nèi),B材料的耐蝕性能明顯優(yōu)于A材料。