顏幫川，董長銀，黃 亮，魏安超，閆切海，方達科，鐘奕昕，王力智

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580；3.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

近年來，高溫高壓氣藏逐漸成為海上油氣田開采的主戰(zhàn)場之一。南海某氣藏的典型井儲層埋深達5 000 m，儲層壓力系數(shù)為1.82，儲層溫度為152 ℃，單井日產(chǎn)氣高達120×104m3/d，屬于典型的高溫高壓高產(chǎn)氣藏。該氣藏井底環(huán)境下CO2分壓為2.0～12.0 MPa，地層水為NaHCO3型，Cl-含量為6 402 mg/L。該氣藏在未來開采過程中存在出砂風(fēng)險，后期擬采用機械篩管防砂完井工藝，但機械防砂篩管在CO2分壓較大和地層水中Cl-含量較高的環(huán)境易發(fā)生腐蝕損害[1-2]，因此，需要開展機械防砂篩管的腐蝕評價。目前，對油氣井井下管柱的腐蝕損壞評價實驗通常是利用金屬掛片法進行靜態(tài)CO2腐蝕評價[3-22]，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合回歸得到腐蝕速率半經(jīng)驗預(yù)測模型[23-26]，或者針對特定油氣藏條件進行油套管和輸運管道腐蝕機理與預(yù)防分析[27-34]。上述腐蝕評價主要以靜態(tài)金屬掛片實驗為主，難以考慮機械防砂篩管各部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及井底動態(tài)生產(chǎn)條件，實驗評價方法單一。針對高溫高壓氣藏機械防砂篩管不同類型擋砂介質(zhì)的腐蝕研究也比較少。因此，基于南海某高溫高壓氣藏環(huán)境，利用動態(tài)腐蝕模擬實驗方法，對機械防砂篩管不同組件以及不同類型擋砂介質(zhì)的抗腐蝕性能及影響因素進行了分析，以期為南海高溫高壓易出砂氣藏的機械防砂篩管選型提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 篩管組件動態(tài)腐蝕模擬實驗

1.1 實驗材料與實驗條件

典型的機械防砂篩管一般由基管、擋砂介質(zhì)和外保護罩組成。此次實驗直接使用海上油氣田常用的精密復(fù)合防砂篩管，篩管基管材質(zhì)為N80鋼，外保護罩材質(zhì)為304鋼，擋砂介質(zhì)為多層濾網(wǎng)(316L鋼)。為了便于優(yōu)選擋砂介質(zhì)，同時還使用燒結(jié)纖維(316L鋼)、繞絲篩板(304鋼)、泡沫金屬鎳3種擋砂介質(zhì)進行腐蝕評價實驗。實驗前，將篩管短節(jié)加工成高度為50 mm的半環(huán)柱狀樣品；不同類型的擋砂介質(zhì)則統(tǒng)一制成直徑約為55 mm的圓形樣品，將樣品內(nèi)外表面依次用砂紙逐級打磨光滑平整，其余部分用預(yù)磨機粗磨除銹、除劃痕及腐蝕坑，使用丙酮清洗30 min，而后用無水酒精清洗、吹干、稱量，置于干燥器中待用。實驗樣品如圖1所示。

篩管組件動態(tài)腐蝕模擬實驗直接模擬南海某高溫高壓氣藏的井底CO2條件：模擬地層水成分如表1所示；實驗溫度設(shè)置為100、120、140、160、190 ℃，壓力設(shè)置為25.0 MPa；CO2分壓通過其在氣體中的比例控制，分別設(shè)置為1.5、2.5、4.5、7.0、9.5、12.5、14.5 MPa；水氣比分別設(shè)置為0.6×10-4、0.8×10-4、1.0×10-4、1.2×10-4m3/m3，實驗時間為15 d。

1.2 實驗裝置與方法

使用高溫高壓油氣藏防砂篩管動態(tài)腐蝕評價實驗裝置進行機械防砂篩管各部位的動態(tài)腐蝕評價實驗。實驗裝置由高壓泵輸送系統(tǒng)(氣體增壓供給系統(tǒng))、2套主體反應(yīng)釜、溫度壓力傳感器、控制采集系統(tǒng)四大部分組成。該裝置的大容量反應(yīng)釜可以直接容納機械防砂篩管10 cm×10 cm的切片樣品，以及整體篩管短節(jié)樣品，其特殊的夾持機構(gòu)可以同時放置6～8個樣品進行并行腐蝕對比實驗。并且該裝置可以模擬動態(tài)腐蝕條件，一是通過旋轉(zhuǎn)夾持機構(gòu)，實現(xiàn)樣品在腐蝕流體介質(zhì)中的動態(tài)旋轉(zhuǎn)。二是可以不停機實現(xiàn)同組分氣體和液體更換，以模擬實際井下流體的持續(xù)產(chǎn)出條件，使得腐蝕模擬結(jié)果更加接近實際情況。反應(yīng)釜最高溫度為350 ℃，最高壓力為30.0 MPa。2個反應(yīng)釜可提供不同的溫度、壓力、流體組分條件，同時進行腐蝕評價對比實驗。

圖1 機械篩管不同組件的實驗樣品

表1 模擬地層水中的離子含量

實驗時，將樣品固定在夾持機構(gòu)上，放入反應(yīng)釜。釜蓋密封后，通入氮氣1 h，排出釜內(nèi)氧氣，然后關(guān)閉出氣閥升溫至預(yù)定溫度，向反應(yīng)釜內(nèi)通入CO2等不同組分氣體至相應(yīng)分壓值，最后再通入N2至壓力到設(shè)計值，待壓力穩(wěn)定后啟動旋轉(zhuǎn)夾持機構(gòu)并開始計時。同時，每隔2～3 d對釜內(nèi)腐蝕介質(zhì)進行排出與補給的動態(tài)調(diào)整，直至實驗設(shè)定時間，即為腐蝕反應(yīng)完畢。實驗完畢后，打開反應(yīng)釜，取出實驗樣品，烘干后利用電子顯微鏡和掃描電鏡觀察腐蝕微觀形貌特征，然后用水沖洗樣件表面沉積物，并用醫(yī)用紗布擦干，放入無水乙醇中浸泡約5 min，取出用冷風(fēng)吹干，干燥30 min后稱重，進行定量腐蝕評價。

2 篩管動態(tài)腐蝕速率分析

2.1 篩管不同組件腐蝕形貌和腐蝕速率分析

根據(jù)南海某高溫高壓氣藏條件，設(shè)定實驗溫度為160 ℃，壓力為25.0 MPa，CO2分壓為2.5 MPa，水氣比為0.6×10-4m3/m3，對機械防砂篩管不同組件進行動態(tài)腐蝕實驗。實驗后篩管的基管、外保護罩和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)微觀腐蝕形貌如圖2所示。

由圖2可知：CO2分壓為2.5 MPa時，經(jīng)過動態(tài)腐蝕實驗后，基管表面存在大片腐蝕區(qū)塊，產(chǎn)生顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕表面比較均勻，但產(chǎn)物膜并不完整，出現(xiàn)局部脫落，總體腐蝕較嚴(yán)重(圖2a)；外保護罩具有上下交錯割縫結(jié)構(gòu)，在割縫的端部凹陷尖角處有大量團狀晶體腐蝕產(chǎn)物聚集，在非割縫區(qū)域的表面腐蝕產(chǎn)物相對較少(圖2b)，外保護罩的腐蝕為中等；多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)為圓絲狀編織網(wǎng)，僅在金屬絲的局部區(qū)域發(fā)生零星腐蝕，金屬絲上零星散布腐蝕產(chǎn)物顆粒(圖2c)。通過不同組件微觀腐蝕形貌對比可知，在相同條件下，基管腐蝕現(xiàn)象最為明顯，其次是外保護罩，擋砂介質(zhì)腐蝕相對輕微。

圖2 機械防砂篩管不同組件腐蝕微觀形貌(100倍)

稱取實驗樣品腐蝕前后的質(zhì)量，計算其腐蝕失重率：

(1)

質(zhì)量腐蝕速率是指樣品在單位時間、單位面積上腐蝕失去的質(zhì)量，深度腐蝕速率為樣品單位時間內(nèi)的腐蝕深度，用下式計算：

(2)

(3)

式中：Xm為腐蝕失重率，%；m0為實驗前樣品質(zhì)量，kg；m1為實驗后樣品質(zhì)量，kg；Δm為腐蝕失去質(zhì)量，kg；Sv為試件比表面或面容比(即表面積與材料體積之比)，m-1；T為腐蝕實驗時間，s；ρ為材料密度，kg/m3；vm為質(zhì)量腐蝕速率，kg/(m2·s)；vh為深度腐蝕速率，m/s。

利用上述腐蝕速度計算方法計算該氣藏條件下外保護罩、基管和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)的腐蝕速率：基管的腐蝕速率最大，其次為外保護罩和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)，深度腐蝕速率分別為0.073 8、0.029 3、0.017 4 mm/a。根據(jù)NACE RP 0775—2005對腐蝕程度的規(guī)定，基管為中度腐蝕，外保護罩為輕度—中度腐蝕，多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)為輕度腐蝕。

2.2 篩管不同組件質(zhì)量腐蝕速率的敏感性分析

使用篩管的不同組件在不同敏感性因素(CO2分壓、溫度、水氣比)下進行腐蝕實驗，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同CO2分壓下篩管組件腐蝕失重率及質(zhì)量腐蝕速率

圖3為篩管不同組件的腐蝕失重率和質(zhì)量腐蝕速率隨CO2分壓變化規(guī)律。由圖3可知：①隨著CO2分壓升高，篩管各組件的質(zhì)量腐蝕速率總體呈上升趨勢。這是因為當(dāng)CO2分壓升高時，電離出的HCO3-越多，HCO3-與鐵發(fā)生反應(yīng)生成鐵銹(FeCO3)，使得化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動，在一定程度上促進了腐蝕的發(fā)生。②實驗條件范圍內(nèi)，基管的質(zhì)量腐蝕速率明顯高于外保護罩，多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)質(zhì)量腐蝕速率最低；三者的質(zhì)量腐蝕速率在CO2分壓超過7.0 MPa后差異更加明顯，基管的質(zhì)量腐蝕速率也更快。③各組件腐蝕失重率隨著CO2分壓升高也整體呈上升趨勢。因此，無論是基管、外保護罩還是擋砂介質(zhì)，CO2分壓對質(zhì)量腐蝕速率的影響都較大。

值得注意的是，多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)的腐蝕失重率遠(yuǎn)高于基管和外保護罩(圖3b)，但其質(zhì)量腐蝕速率卻最低。這是因為基管和外保護罩試件的比表面積相對較小，而多層濾網(wǎng)的擋砂介質(zhì)為直徑較細(xì)的金屬絲濾網(wǎng)，其比表面積較大，雖然腐蝕質(zhì)量損失較大，按照式(2)計算得到的質(zhì)量腐蝕速率反而較低。

圖4為篩管不同組件的腐蝕失重率和質(zhì)量腐蝕速率隨溫度變化規(guī)律。由圖4可知：①溫度為100～190 ℃時，基管質(zhì)量腐蝕速率最快，受溫度影響最明顯；隨溫度上升，基管腐蝕失重率和質(zhì)量腐蝕速率先上升后降低，溫度約為140 ℃時，質(zhì)量腐蝕速率達到最大值(圖4a)。②相對于基管，外保護罩和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)的腐蝕失重率和質(zhì)量腐蝕速率在溫度為100～140 ℃時隨溫度升高緩慢加快；溫度超過140 ℃后，質(zhì)量腐蝕速率稍明顯下降，120～140 ℃為質(zhì)量腐蝕速率峰值發(fā)生范圍(圖4a)；③在實驗溫度范圍內(nèi)，多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)的腐蝕失重率最高，外保護罩次之，基管的腐蝕失重率最低(圖4b)；而質(zhì)量腐蝕速率的排序依然為基管、外保護罩、多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)。根據(jù)上述分析，篩管的不同部位不同材質(zhì)的質(zhì)量腐蝕速率隨溫度變化規(guī)律比較復(fù)雜，表明溫度因素對篩管質(zhì)量腐蝕速率具有特殊影響。

圖4 不同溫度下篩管各組件腐蝕失重率及質(zhì)量腐蝕速率

對于CO2腐蝕，水的存在使CO2溶解生成二元酸，對金屬產(chǎn)生腐蝕作用。對于氣井，水氣比是影響CO2腐蝕的重要因素。圖5為篩管不同組件的腐蝕失重率和質(zhì)量腐蝕速率隨水氣比變化規(guī)律。

圖5 不同水氣比下篩管各組件腐蝕失重率及質(zhì)量腐蝕速率

由圖5可知：在水氣比為0.6×10-4～1.2×10-4m3/m3時，無論腐蝕失重率還是質(zhì)量腐蝕速率，都隨水氣比增加而加快，但變化幅度相對平緩；相對而言，基管質(zhì)量腐蝕速率受水氣比的影響較明顯，而外保護罩和擋砂介質(zhì)質(zhì)量腐蝕速率在較高水氣比下增速減緩。實驗還發(fā)現(xiàn)，同一反應(yīng)釜中的相同腐蝕環(huán)境下，浸沒在液體中的試件腐蝕程度明顯比氣體中的試件嚴(yán)重(圖6)。

圖6 氣相和液相中的不同組件腐蝕程度對比

3 不同類型擋砂介質(zhì)深度腐蝕速率對比

為了評價不同類型擋砂介質(zhì)的抗腐蝕性能，設(shè)定溫度為160 ℃，壓力為25.0 MPa，CO2分壓為2.5 MPa，水氣比為0.6×10-4m3/m3，對多層濾網(wǎng)、燒結(jié)纖維、繞絲篩板、泡沫金屬鎳4種不同類型擋砂介質(zhì)進行動態(tài)腐蝕實驗。腐蝕后不同擋砂介質(zhì)在掃描電鏡下的微觀形貌如圖7所示。

由圖7可知：繞絲篩板表面明顯聚集腐蝕產(chǎn)物，尤其在縫隙處腐蝕產(chǎn)物聚集較多，對于繞絲篩板類防砂篩管而言，繞絲之間的縫隙主要起導(dǎo)流作用，縫隙處發(fā)生腐蝕產(chǎn)物聚集將會影響擋砂介質(zhì)的流通性能(圖7a)；燒結(jié)纖維擋砂介質(zhì)在金屬絲上以及金屬絲交錯處出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物(圖7b)，尤其在多根金屬絲交錯處的腐蝕最為明顯，對擋砂介質(zhì)的流通性能和擋砂性能都有一定的影響[35]，但由于其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙度較大，總體來說腐蝕影響較??；多層濾網(wǎng)的腐蝕產(chǎn)物附著在單根或多根金屬濾網(wǎng)上(圖7c)，在整個濾網(wǎng)介質(zhì)表面未形成完整的產(chǎn)物膜；泡沫金屬鎳的腐蝕現(xiàn)象明顯，腐蝕主要發(fā)生在金屬肋條的斷面處，腐蝕產(chǎn)物也主要聚結(jié)在這些位置(圖7d)。

圖7 不同擋砂介質(zhì)腐蝕后微觀形貌對比

將實驗后的不同類型介質(zhì)樣品通過相同方法進行處理和稱量后，計算得到各介質(zhì)腐蝕前后質(zhì)量變化、腐蝕失重率和深度腐蝕速率(表2)。由表2可知：①多層濾網(wǎng)、繞絲篩板、燒結(jié)纖維和泡沫金屬鎳4種典型擋砂介質(zhì)在實驗條件下的深度腐蝕速率分別為0.017 4、0.036 1、0.010 5、0.005 8 mm/a，燒結(jié)纖維和泡沫金屬鎳的深度腐蝕速率最慢，繞絲篩板最快。②多層濾網(wǎng)和燒結(jié)纖維雖然材料均為316L鋼，但由于微觀結(jié)構(gòu)和加工工藝不同，表現(xiàn)出不同的抗腐蝕性能。介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工工藝是影響腐蝕性能的因素之一。③雖然不同介質(zhì)的深度腐蝕速率具有明顯差異，但由于各類介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其實際的抗腐蝕能力和腐蝕速度并不一致。不同類型擋砂介質(zhì)在氣井井底實際條件下的抗腐蝕能力、腐蝕壽命與深度腐蝕速率和介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)都有直接關(guān)系。

表2 不同類型介質(zhì)腐蝕失重率與深度腐蝕速率對比

4 高溫高壓氣藏提高篩管腐蝕壽命措施

降低腐蝕速率，延長腐蝕壽命是提高防砂篩管服務(wù)期限的主要途徑之一。由于氣藏地質(zhì)和生產(chǎn)條件難以人為調(diào)控，因此，延長機械防砂篩管的腐蝕壽命需要著眼于篩管本身的類型優(yōu)選及結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化。針對南海某高溫高壓氣藏條件，以及動態(tài)腐蝕評價實驗結(jié)果，提出如下提高篩管腐蝕壽命的措施建議：①選擇合理的篩管類型。根據(jù)實驗結(jié)果，推薦選擇擋砂介質(zhì)為金屬纖維和多層濾網(wǎng)的機械防砂篩管，兩者的腐蝕速率相對較低。②優(yōu)化篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)，在現(xiàn)有規(guī)格基礎(chǔ)上適當(dāng)提高金屬纖維和復(fù)合濾網(wǎng)的金屬絲直徑。雖然兩者的抗腐蝕性能較好，但其腐蝕壽命和金屬絲直徑有關(guān)，金屬絲越粗，腐蝕壽命越長。③改變外保護罩和基管的材料類型。目前常用的機械篩管，基管一般為N80鋼，外保護罩一般為304鋼，兩者的抗腐蝕性能均較低。對于作業(yè)成本高昂的海上高溫高壓氣藏，建議適當(dāng)將基管和外保護罩更換為高抗腐蝕等級的材料。

5 結(jié) 論

(1) 高溫高壓氣藏條件下，篩管不同組件的腐蝕速率差異明顯；基管(N80鋼)的深度腐蝕速率為0.073 8 mm/a，為中度腐蝕；外保護罩(304鋼)深度腐蝕速率為0.029 3 mm/a，為輕度—中度腐蝕；多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)(316L鋼)深度腐蝕速率為0.017 4 mm/a，為輕度腐蝕。

(2) 精密復(fù)合篩管的基管、外保護罩和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)的質(zhì)量腐蝕速率隨著CO2分壓增大而總體加快，三者的質(zhì)量腐蝕速率在CO2分壓超過7.0 MPa后差異更明顯。在100～190 ℃溫度變化范圍內(nèi)，基管、外保護罩和多層濾網(wǎng)介質(zhì)的質(zhì)量腐蝕速率隨溫度升高先上升后下降，在溫度為120～140 ℃時達到最高質(zhì)量腐蝕速率；腐蝕環(huán)境下的水氣比增加也會加快質(zhì)量腐蝕速率。

(3) 高溫高壓條件下，多層濾網(wǎng)、繞絲篩板、燒結(jié)纖維和泡沫金屬鎳4種典型的擋砂介質(zhì)的深度腐蝕速率分別為0.017 4、0.036 1、0.010 5、0.005 8 mm/a，差異明顯。延長篩管腐蝕壽命的主要途徑有選擇合適的篩管類型和介質(zhì)類型、優(yōu)化篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)、改變外保護罩和基管的材料類型等。