羅 衡 元少平 楊 超 雷 正 楊 浩 李 航 胡尚明 敬 俊 張 智 孫漢文

1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司, 天津 300456; 2. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 四川 成都 610500

0 前言

在油氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中,井筒管柱腐蝕損害是危害油氣田生產(chǎn)安全的重大因素[1-2]。CO2和H2S等腐蝕介質(zhì)會使油氣水井管柱強(qiáng)度降低[3-4],導(dǎo)致管柱在井筒壓力變化以及外力作用下產(chǎn)生變形、破裂、錯斷等損壞[5-8],造成油田開發(fā)后期注采井網(wǎng)不完善,對油田的開發(fā)效果造成巨大影響[9-10],同時還大大增加了安全事故發(fā)生的可能性[11]。因此,有計劃地對管柱腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測非常必要[12-14]?，F(xiàn)有的氣井井下管柱腐蝕監(jiān)測技術(shù)中,腐蝕條件多為實驗?zāi)M,與實際工況存在偏差主要存在以下問題:超次聲導(dǎo)波監(jiān)測技術(shù)成本較高且多用于管線等地面設(shè)備[15-17];蘭州石化聯(lián)合北京化工大學(xué)開發(fā)了煉化裝置腐蝕監(jiān)測系統(tǒng),克服了CR-100和FEM等系統(tǒng)管理離散化的缺點,但仍無法應(yīng)用于地下管線[18-19];采用多臂測井等技術(shù)對套管腐蝕的檢測作業(yè)則無法達(dá)到實時監(jiān)測的目的[20]。為更真實更直觀地評價井下腐蝕狀態(tài),縮減腐蝕監(jiān)測成本,需要設(shè)計一種安裝方便、適應(yīng)性強(qiáng),并對井下流體流動狀態(tài)影響較小的腐蝕監(jiān)測工具,同時應(yīng)具有對采集信息進(jìn)行集中處理的能力,從而形成一整套井下腐蝕監(jiān)測分析系統(tǒng)。為此,本文設(shè)計了井下腐蝕掛片監(jiān)測工具及工藝技術(shù),并配套實驗室模擬分析驗證以及在役井油套管數(shù)據(jù)庫等,實現(xiàn)了監(jiān)測和預(yù)測相互驗證的閉環(huán)管理模式。

1 井下腐蝕監(jiān)測工具

監(jiān)測工具隨完井作業(yè)或大修管柱作業(yè)下放到井下來監(jiān)測腐蝕情況,具有腐蝕監(jiān)測深度調(diào)節(jié)方便,試片數(shù)量、組合方式及類型可調(diào)節(jié)等特點。工藝實施上,下入掛片腐蝕監(jiān)測的優(yōu)點包括:不影響油氣井正常生產(chǎn);不改變井下流體原有的流動狀態(tài);適用于各種不同類型井工況;監(jiān)測點可分布于管柱的各個位置。

工具結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮模塊化預(yù)安裝設(shè)計,不占用井口作業(yè)時間。帶電纜管柱作業(yè)時可替代部分電纜保護(hù)器功能,實現(xiàn)快速安裝拆卸,結(jié)構(gòu)可靠度高。

1.1 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

實現(xiàn)對井身不同位置環(huán)空腐蝕環(huán)境的掛片的腐蝕監(jiān)測,主要有三個要求:過電纜;適用于不同尺寸油管;適用EUE和FOX等不同扣型。根據(jù)以往經(jīng)驗以及有關(guān)技術(shù)規(guī)范,參考電纜保護(hù)器的結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計了具有電纜保護(hù)功能的腐蝕監(jiān)測掛片裝置。整個掛片器固定在油管接箍位置,在起下鉆過程中不會上下竄動,整個裝置的流線型外殼可進(jìn)一步避免井下卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。該設(shè)計的主要優(yōu)點是試樣與井下流體介質(zhì)充分接觸,施工方便,成本低,工具結(jié)構(gòu)簡單可靠,提高了生產(chǎn)管柱的本質(zhì)安全性。腐蝕監(jiān)測掛片裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 腐蝕監(jiān)測掛片裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the corrosionmonitoring coupon

常規(guī)掛片工具設(shè)計滿足安裝油管尺寸(88.9 mm管、73.0 mm油管、58.75 mm工作筒等),安裝于電泵上部的掛片需滿足電纜穿越要求(圓電纜尺寸AWG 2#、AWG 4#),電纜穿越槽能隨時安裝拆卸。螺栓位置做下沉處理,內(nèi)部加絕緣墊片,設(shè)備邊緣需做倒角或圓角處理。掛片工具中掛片試片要求與目標(biāo)井套管材質(zhì)保持一致,盡量采用原井同批次套管加工試片。

掛片采用長條型,掛片嵌在監(jiān)測裝置上,監(jiān)測裝置與掛片接觸的部位用樹脂隔離開,并用不銹鋼螺栓固定;掛片經(jīng)刨、磨工序,多次打磨使其表面光滑,粗糙度為0.63～1.25 μm;將掛片用紗布擦去油污,用游標(biāo)卡尺測量并計算出其表面積;將干燥好的掛片用天平稱重,記錄好試環(huán)的編號與對應(yīng)的重量。

圖2 腐蝕監(jiān)測掛片裝置實物圖Fig.2 The corrosion monitoring coupon

腐蝕監(jiān)測掛片裝置實物見圖2。工具頂端倒圓角設(shè)計可防止起、下過程中發(fā)生遇卡事故。中部的配合部分規(guī)格多樣,可配合73.00～114.3 mm油管下入,也可根據(jù)絲扣類型進(jìn)行定制設(shè)計。底端采用銷釘式鎖緊,上卸方便快捷。腐蝕監(jiān)測掛片可使用與所夾持管柱相同的材質(zhì),并能處于井下相同的腐蝕環(huán)境中。高溫(最高160°C)耐腐蝕墊片,避免電離腐蝕的影響。整個工具可跟隨現(xiàn)場正常油管作業(yè)共同下入起出,不影響其正常工作,使用方便。

1.2 掛片監(jiān)測位置設(shè)計

井下掛片檢測安裝設(shè)計遵循以下原則:在腐蝕最嚴(yán)重的位置安裝監(jiān)測掛片;在不同材質(zhì)套管連接附近安裝電偶掛片;對井下不同深度腐蝕進(jìn)行監(jiān)測;對壓井液和油氣水腐蝕都進(jìn)行檢測。

腐蝕最可能發(fā)生的區(qū)域為潛油泵吸口附近和井下含水率高的位置。因此,支管掛片或堵塞器(Y-tool)懸掛檢測探頭放在泵吸入口動液面附近較好。其中堵塞器(Y-tool)懸掛檢測探頭分別布置在泵吸入口附近和引鞋外面,但是考慮到泵吸入口空間問題,支管掛片無法在泵吸入口附近安裝,因此布置在泵下方附近,見圖3。

圖3 掛片監(jiān)測裝置位置設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagram of the design of the couponmonitoring device position

以某口井為例,井下腐蝕監(jiān)測掛片設(shè)計共三種,分別是88.9 mm油管掛片、73.0 mm支管掛片和Y-tool檢測掛片?？紤]到不同深度生產(chǎn)套管腐蝕的檢測需要,掛片監(jiān)測位置設(shè)計見表1。

表1 掛片監(jiān)測位置設(shè)計表

油井環(huán)空中留有完井液或修井液,處在其中的生產(chǎn)套管也存在較大的腐蝕風(fēng)險。封隔器以上環(huán)空部分的修井液或完井液溫度變化不大,狀態(tài)為靜止,無腐蝕性氣體,其腐蝕來源主要為液相中的腐蝕性離子。由于存在溶解氧的問題,液面附近的腐蝕是最大的,但由于液面具體位置無法確定,因此,井下掛片布置以置于液相中為準(zhǔn)。

1.3 設(shè)計優(yōu)點

本設(shè)計具有以下優(yōu)點:能夠真實有效地檢測井下腐蝕狀況;實現(xiàn)電纜穿越,能夠起到保護(hù)電纜的作用;可一次性下入多個不同材質(zhì)的檢測掛片;可同時研究電偶腐蝕和接觸腐蝕狀況;特殊材質(zhì)的卡箍可有效避免電腐蝕現(xiàn)象;腐蝕監(jiān)測掛片與井內(nèi)流體介質(zhì)充分接觸,與管柱有效隔離,保證監(jiān)測效果良好;結(jié)構(gòu)簡單,拆裝方便,安裝部位靈活;加工簡便,成本低,實用性強(qiáng)。

1.4 腐蝕速率計算

為了避免試環(huán)油污影響，先用丙酮洗油，后放置于加入1%～2%鹽酸緩蝕劑的5%～10%鹽酸溶液中浸泡1～5 min；清洗后用蒸餾水沖洗,將試環(huán)再用無水乙醇脫水,并用濾紙擦干表面,將其存放于干燥器中,4 h后使用電子天平稱重。腐蝕速率的計算如式(1)所示:

F=(m1-m2)×3 650/(Stρ)

(1)

2 實驗室高壓釜模擬實驗

2.1 高溫高壓釜實驗

參考JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》、GB/T 23258-2009《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》(對應(yīng)NACESP 0106-2006)、GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕點蝕評定方法》(對應(yīng)ISO 11463)開展實驗。利用Cortest的C-276高溫高壓釜模擬開展油氣井管柱在地層介質(zhì)沿井深、溫度、CO2分壓變量情況下的腐蝕實驗,評估不同材質(zhì)在真實環(huán)境下的腐蝕速率變化規(guī)律,從金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜方面進(jìn)行研究,分析其腐蝕機(jī)理,同時與現(xiàn)場工況條件下的腐蝕監(jiān)測結(jié)果相對比,為井筒選材及腐蝕控制提供可靠依據(jù)。反應(yīng)釜為哈式合金鋼材質(zhì),設(shè)計工作壓力35 MPa,設(shè)計工作溫度350°C,并通過高溫高壓化學(xué)腐蝕實驗測試驗證了實驗裝置的有效性。高溫高壓釜實驗原理見圖4。

以某口井實驗為例,采用失重法測試某一材質(zhì)在模擬真實工況條件下的均勻腐蝕速率。實驗壓力為35 MPa,實驗溫度為350°C,研究80 000 mg/L礦化度時不同CO2分壓對腐蝕速率的影響。

實驗與電子腐蝕工程師軟件(ECE)的腐蝕速率結(jié)果對比見圖5。從圖5中可知,實驗和ECE中液相和氣相的腐蝕速率差距均在10%以內(nèi),說明ECE可以用作決策依據(jù)。

圖4 高溫高壓釜實驗原理圖Fig.4 Experimental principle of high temperature autoclave

a)液相a)Liquid phase

b)氣相b)Gas phase圖5 高壓釜中不同CO2分壓對均勻腐蝕速率的影響圖Fig.5 Effect of different CO2 partial pressures on the corrosion rate in an autoclave

2.2 電鏡微觀腐蝕機(jī)理分析

通過對腐蝕監(jiān)測掛片進(jìn)行掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X射線衍射(XRD)等,可以開展腐蝕形貌分析和腐蝕產(chǎn)物檢測。

2.2.1 微觀分析

1)使用光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕處形貌。

2)利用掃描電鏡(SEM)對清洗干凈的腐蝕件進(jìn)行分析。

2.2.2 對試樣表面腐蝕坑進(jìn)行微觀分析

1)利用光學(xué)顯微鏡對腐蝕坑橫截面進(jìn)行形貌觀察。

2)采用掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)對試樣腐蝕坑處進(jìn)行觀察和腐蝕狀況的分析。

3)X射線衍射(XRD)分析腐蝕產(chǎn)物成分。

4)分析腐蝕產(chǎn)物膜微觀結(jié)構(gòu)和局部腐蝕結(jié)構(gòu)特征,分析腐蝕產(chǎn)物膜的形成與作用規(guī)律,以及環(huán)境因素對套管材料腐蝕的影響、破壞機(jī)制。確定腐蝕控制類型以及腐蝕主要控制因素。

3 結(jié)論

本文參考電纜保護(hù)器的結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計了井下腐蝕監(jiān)測掛片工具及其配套油套管腐蝕監(jiān)測與管理關(guān)鍵技術(shù),并通過設(shè)計實驗驗證了其可行性。研究得出的主要結(jié)論如下:以盡可能降低對生產(chǎn)的影響及擴(kuò)大監(jiān)測范圍為基本原則,設(shè)計了多尺寸油管及扣型適用并可通過電纜的掛片式井下油套管腐蝕監(jiān)測工具。該工具利用油氣井作業(yè)下入井內(nèi),定期取出,可以簡易高效地獲取重點區(qū)塊井下腐蝕信息,較工程測井檢測井下腐蝕技術(shù)相比費用低,發(fā)現(xiàn)早,并且可以提前預(yù)防關(guān)鍵井屏障的失效,保障井筒安全。井下腐蝕敏感性因素比較繁雜,利用以井下腐蝕掛片定期監(jiān)測為主、腐蝕分析軟件定量計算為輔的技術(shù)手段建立起一套井下腐蝕監(jiān)測及預(yù)防技術(shù)體系。室內(nèi)高壓釜模擬對比實驗表明,該體系具有井下腐蝕數(shù)據(jù)采樣、統(tǒng)計、分析和預(yù)測的能力,是現(xiàn)階段管理井下腐蝕比較行之有效的技術(shù)手段。