蔡鎖德,趙國仙,繆 建,劉思佳

(1. 中國石化西南油氣分公司，成都 610081； 2. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司,西安 710065)

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人工運(yùn)移井套管防腐蝕研究及壽命預(yù)測

蔡鎖德1,趙國仙2,繆 建1,劉思佳1

(1. 中國石化西南油氣分公司，成都 610081； 2. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司,西安 710065)

通過模擬人工運(yùn)移井封堵完好和封堵泄漏兩種腐蝕工況，評(píng)價(jià)不同添加量下兩種緩蝕劑HYF-01和HSJ-JL-01對(duì)N80套管鋼的緩蝕效果，并計(jì)算了N80套管耐腐蝕壽命，篩選出滿足套管15 a封堵年限要求的緩蝕劑及最佳添加量。結(jié)果表明：封堵完好情況下，HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑的添加量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，緩蝕效果相對(duì)較好；封堵泄漏情況下，HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑的添加量為1.0%時(shí)，緩蝕效果相對(duì)較好。經(jīng)過計(jì)算可知：添加0.5%和1.0%的HYF-01均能滿足套管15 a封堵年限要求。

緩蝕劑；套管鋼； 均勻腐蝕；壽命預(yù)測

為提高產(chǎn)氣量，某氣田采取自流注氣的增產(chǎn)措施，即：利用氣藏層之間的壓差，將能量較高的天然氣通過人工運(yùn)移井直接注入到能量較低的氣藏層(開采層)中，達(dá)到補(bǔ)充地層能量的目的,見圖1。

自天然氣生產(chǎn)井生產(chǎn)時(shí)，人工運(yùn)移井將暫時(shí)封堵，封堵年限要求為15 a。不同儲(chǔ)層連通后，為了保證地下流體不往上竄，棄井作業(yè)非常關(guān)鍵，在油氣藏枯竭后，需要重新找回原來的井眼，進(jìn)行永久性棄井作業(yè)。因此，人工運(yùn)移井暫時(shí)封堵時(shí)，需確保封堵井筒的完整性。國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，加注緩蝕劑是經(jīng)濟(jì)可靠又十分靈活的腐蝕控制方法，在油氣井中應(yīng)用廣泛[1-4]。因此，為確保封堵期間井筒的完整性需對(duì)井筒加注緩蝕劑。本工作采用高溫、高壓腐蝕模擬試驗(yàn)[5-6]，評(píng)價(jià)不同種類緩蝕劑的緩蝕效果，并結(jié)合腐蝕速率與套管受力，預(yù)測套管的腐蝕壽命，旨在為套管防腐蝕及現(xiàn)場緩蝕劑的篩選和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及緩蝕劑

試驗(yàn)材料為N80套管鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：C 0.33，Mn 1.41，Mo 0.002，Cr 0.010，Ni 0.008，Cu 0.007，Si 0.26，P 0.014，S 0.006，滿足API SPEC 5CT-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，組織為回火索氏體，將試驗(yàn)鋼加工成尺寸為50 mm×10 mm×3 mm的試樣。

選用的腐蝕介質(zhì)為某油田現(xiàn)場取回的海水。選用的緩蝕劑為HYF-01和HSJ-JL-01，添加量(體積分?jǐn)?shù)，下同)分別為0.1%，0.5%，1.0%。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

高溫、高壓腐蝕試驗(yàn)選用C276磁力驅(qū)動(dòng)高溫高壓反應(yīng)釜，用BS124S電子天平(精度0.1 mg)稱取試樣腐蝕前后的質(zhì)量，JSM-6390A掃描電鏡觀察試樣微觀形貌。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，分別用320號(hào)至1 200號(hào)砂紙逐級(jí)打磨試樣表面以消除機(jī)加工的刀痕，然后試樣依次經(jīng)清洗、除油、冷風(fēng)吹干后測量尺寸并稱量，再將試樣相互絕緣,安裝在特制的試樣架上，放入高壓釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)中。高壓釜先通入高純氮?dú)? h除氧，然后，升溫到要求值，通入試驗(yàn)要求的氣體到設(shè)定值。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),無水乙醇脫水后，冷風(fēng)吹干，用濾紙包起，放入干燥皿中待用。

用清洗液將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物去除。其中，空白試樣的清洗液由鹽酸(密度1.19 g/cm3)1 L、三氧化二銻20 g、氯化亞錫50 g[7]組成。添加緩蝕劑后試樣的清洗液為鹽酸(分析純)100 mL、六亞甲基四胺(分析純)5～10 g,加水稀釋到1 000 mL[8]。

酸洗后的試樣立即在自來水中沖洗，并在飽和碳酸氫鈉溶液中浸泡2～3 min進(jìn)行中和處理，之后用自來水沖洗并用濾紙吸干,再置于無水乙醇或丙酮中浸泡3～5 min脫水。試樣脫水后，冷風(fēng)吹干，用BS124S電子天平(精度0.1 mg)稱量并用式(1)計(jì)算其腐蝕速率。

(1)

式中：vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；Δm為試樣的質(zhì)量損失，g；ρ為材料密度，g/cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，d；S為試樣表面積，mm2。

緩蝕率計(jì)算公式為:

(2)

式中：η為緩蝕率；v空白為未添加緩蝕劑時(shí)材料的均勻腐蝕速率，mm/a；v加樣為添加緩蝕劑后材料的均勻腐蝕速率，mm/a。

1.4試驗(yàn)條件

封堵完好時(shí)，井筒和環(huán)空內(nèi)無腐蝕性氣體；封堵泄漏時(shí)，井筒內(nèi)會(huì)涌入腐蝕性氣體CO2。具體試驗(yàn)條件如表1所示。

表1　兩種試驗(yàn)條件下的參數(shù)

2　結(jié)果與討論

由表2可見，封堵完好情況下，與空白試驗(yàn)相比，添加緩蝕劑N80套管鋼的均勻腐蝕速率均明顯減小，且隨著緩蝕劑添加量的增大，均勻腐蝕速率并沒有減小，說明當(dāng)緩蝕劑體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)已達(dá)到飽和狀態(tài)。根據(jù)NACE Standard SP0775-2013[9]標(biāo)準(zhǔn)可以判斷：在空白試驗(yàn)條件下，N80套管鋼屬于嚴(yán)重腐蝕，當(dāng)添加0.1%的HYF-01和HSJ-JL-01后，均勻腐蝕程度均降低為輕度腐蝕。封堵完好時(shí)，兩種緩蝕劑的添加量為0.1%時(shí)，N80套管鋼的均勻腐蝕速率最低。

表2　不同試驗(yàn)條件下N80套管鋼的均勻腐蝕速率和緩蝕率

由表2還可見,封堵泄漏情況下，相比空白試驗(yàn)，添加緩蝕劑后，N80套管鋼的均勻腐蝕速率均明顯減小，且隨著添加量的增大，均勻腐蝕速率繼續(xù)減小。根據(jù)NACE Standard SP0775-2013[9]標(biāo)準(zhǔn)可以判斷：在空白試驗(yàn)條件下，N80套管鋼的均勻腐蝕程度屬于極嚴(yán)重腐蝕，添加1.0% HYF-01后，均勻腐蝕程度降低為中度腐蝕。封堵泄漏時(shí)，兩種緩蝕劑的添加量為1.0%時(shí)，N80套管鋼的均勻腐蝕速率最低。

由圖2可見，封堵完好情況下，相比空白試驗(yàn)，添加緩蝕劑后，試樣表面均勻腐蝕程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但是仍存在點(diǎn)蝕。由圖3可見，封堵泄漏情況下，相比空白試驗(yàn)，添加1.0% HYF-01后，試樣表面均勻腐蝕明顯程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但有輕微點(diǎn)蝕，而添加1.0% HSJ-JL-01后，試樣表面均勻腐蝕程度有所減輕，但仍存在嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。

點(diǎn)蝕的誘發(fā)位置往往與表面結(jié)構(gòu)的不均勻性有關(guān)[10]。由于金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜不是均勻和完整的，在較薄弱的地方，金屬離子表現(xiàn)出較強(qiáng)的空余成鍵能力，吸附較多的Cl-，取代表面腐蝕產(chǎn)物膜中的陰離子，使腐蝕產(chǎn)物膜破裂甚至局部溶解而顯露出金屬基體[11]。

由于緩蝕劑的緩蝕機(jī)理在于成膜，故迅速在金屬表面上形成一層密而實(shí)的膜，乃是獲得良好緩蝕效果的關(guān)鍵。緩蝕劑含量較低時(shí)，隨其添加量的增大，緩蝕劑在金屬上的吸附率逐漸增大，腐蝕速率減小[12]。在封堵泄漏情況下，隨著HYF-01和HSJ-JL-01兩種緩蝕劑含量的增大[13-16]，N80套管鋼的均勻腐蝕速率減小。

但隨緩蝕劑在金屬表面覆蓋度(θ)的增大，吸附層粒子間的作用力有可能從引力變?yōu)槌饬?，即存在θ轉(zhuǎn)(由引力變?yōu)槌饬r(shí)的覆蓋度)。當(dāng)θ<θ轉(zhuǎn)時(shí)，影響緩蝕劑吸附的主要因素是金屬表面的不均勻性；當(dāng)θ>θ轉(zhuǎn)時(shí)，影響緩蝕劑吸附的主要因素為吸附分子間的相互作用力。在封堵完好情況下，隨著兩種緩蝕劑含量的增大，均勻腐蝕速率反而增大。這是因?yàn)榫徫g劑含量已達(dá)到飽和(覆蓋率為1)，此時(shí)緩蝕劑分子之間的作用力會(huì)影響緩蝕劑分子與電極之間的吸附，因此會(huì)出現(xiàn)腐蝕速率增大的現(xiàn)象。

3　腐蝕壽命預(yù)測

套管在服役期間會(huì)接觸各種流體，這些流體會(huì)對(duì)套管材料造成腐蝕，其結(jié)果是使管體有效厚度減薄，套管承載力降低，最后失效[17]。套管服役環(huán)境惡劣，腐蝕的影響因素很多，各種因素的共同及交互作用，更容易導(dǎo)致或加劇套管的腐蝕[18-19]。因此在計(jì)算套管壽命時(shí)不能單純考慮腐蝕的作用，而應(yīng)同時(shí)考慮受力和腐蝕因素。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取腐蝕嚴(yán)重的情況(封堵泄漏)進(jìn)行腐蝕壽命預(yù)測。套管水泥固井后，不考慮軸向拉伸作用，因此，在進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí)，僅考慮內(nèi)壓和外擠作用。本工作中，在封堵井的套管內(nèi)外壁均使用同樣的緩蝕劑，因此，假設(shè)套管內(nèi)、外壁同時(shí)發(fā)生均勻腐蝕，則腐蝕壽命預(yù)測時(shí)，套管壁厚減薄量按試驗(yàn)結(jié)果的兩倍計(jì)算。

腐蝕壽命預(yù)測方法[20-23]如下：(1) 計(jì)算剩余壁厚(原始壁厚減去2倍的腐蝕速率與套管服役時(shí)間的乘積)。(2) 根據(jù)剩余壁厚進(jìn)行套管強(qiáng)度校核，計(jì)算得到抗內(nèi)壓安全系數(shù)和抗外擠安全系數(shù)。若兩者均大于標(biāo)準(zhǔn)要求值，則強(qiáng)度滿足要求，若其中一個(gè)安全系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)要求值，則套管強(qiáng)度不滿足要求。(3) 進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，當(dāng)抗內(nèi)壓安全系數(shù)或抗外擠安全系數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)要求值時(shí)，此時(shí)的套管的使用時(shí)間即為套管的腐蝕壽命。

N80套管鋼規(guī)格為339.725 mm×12.7 mm，下深至1 500 m。強(qiáng)度校核要求：抗內(nèi)壓安全系數(shù)≥1.125，抗外擠安全系數(shù)≥1.10[24]。

根據(jù)式(3)～式(16)計(jì)算抗外擠安全系數(shù)。

屈服擠毀強(qiáng)度：

當(dāng)(Dc/δ)≤(Dc/δ)yp時(shí),

(3)

(4)

A=2.876 2+1.548 85×10-4Yp+

(5)

(6)

(7)

式中：Dc為套管外徑；δ為套管壁厚；(Dc/δ)yp為屈服擠毀與塑性擠毀交點(diǎn)的徑厚比；p∞為抗擠強(qiáng)度；Yp為屈服強(qiáng)度。

塑性擠毀強(qiáng)度：

當(dāng)(Dc/δ)yp≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)pt時(shí),

(8)

(9)

(11)

式中：(Dc/δ)pt為塑性擠毀與過渡擠毀交點(diǎn)的徑厚比。

過渡擠毀強(qiáng)度：

當(dāng)(Dc/δ)pt≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)te時(shí),

(12)

(13)

式中：(Dc/δ)te為過渡擠毀與彈性擠毀交點(diǎn)的徑厚比。

彈性擠毀強(qiáng)度：

當(dāng)(Dc/δ)≥(Dc/δ)te時(shí)，

(14)

套管內(nèi)和環(huán)空中加入的是海水和緩蝕劑，因此對(duì)套管有效外壓力為:

(15)

(16)

式中：pce為有效外壓力；ρ為海水密度；h為計(jì)算點(diǎn)的深度；Sc為抗外擠安全系數(shù)。

根據(jù)式(17)～式(19)計(jì)算抗內(nèi)壓安全系數(shù)。

抗內(nèi)壓強(qiáng)度：

(17)

(18)

(19)

式中：pbo為抗內(nèi)壓強(qiáng)度；pbe為有效內(nèi)壓力，即封堵井內(nèi)液體的內(nèi)壓；Si為抗內(nèi)壓安全系數(shù)。

圖4為計(jì)算得到的不同條件下N80套管鋼的耐腐蝕壽命。由圖4可見，添加0.5%和1.0%的HYF-01能夠滿足套管15 a的耐腐蝕壽命要求。

4　結(jié)論

(1) 封堵完好情況下，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均較低，增大添加量，均勻腐蝕速率反而增大。說明在該腐蝕環(huán)境中， 添加0.1%緩蝕劑時(shí)已達(dá)到飽和狀態(tài)。

(2) 封堵泄漏情況下，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均有所減小，且增大添加量，均勻腐蝕速率繼續(xù)減小。

(3) 結(jié)合均勻腐蝕速率和強(qiáng)度，計(jì)算得到添加0.5%和1.0%的HYF-01能夠滿足套管15 a的耐腐蝕壽命要求。

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Anti-corrosion and Life Prediction of Artificial Migration Well Casing

CAI Suo-de1, ZHAO Guo-xian2, MIU Jian1, LIU Si-jia1

(1. Sinopec Southwest Branch Company, Chengdu 610081， China；2. Xi′an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co., Ltd., Xi′an 710065， China)

By stimulating plugging soundness and plugging leakage, the corrosion inhibition of two kinds of inhibitor, HYF-01 and HSJ-JL-01, in different contents was evaluated, and the anti-corrosion life of N80 casing steel was calculated to choose the inhibitor and its best content to meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years. The results show that the best content was 0.1% (mass fraction ) for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging soundness, and was 1.0% for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging leakage. Adding 0.5% and 1.0% HYF-01 could meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years.

inhibitor； casing steel； uniform corrosion； life prediction

10.11973/fsyfh-201604015

2015-10-29

蔡鎖德(1964-)，高級(jí)工程師，本科，從事油氣田開發(fā)，18583378968，caisd1964@163.com

TG174

A

1005-748X(2016)04-0340-05