周 歡 杜福云 劉正偉 王圣虹 龐明越

中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部, 天津 300459

0 前言

渤海油田是目前我國最大的海上油田,隨著開發(fā)的進(jìn)行,越來越多的海上平臺采用注水開發(fā),以提高油藏的開采速度和采收率,水源井的生產(chǎn)層位一般為館陶組。館陶組層系在渤海海域內(nèi)發(fā)育普遍,具有較厚地層和儲量較大的淺層水,可以提供足夠的水源[1-3]。但腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象普遍存在于油井井筒、輸油管線、注水泵、注水管線,直到注水井底等[4-6]。結(jié)垢物主要為鋇、鍶、鎂、鈣的硫酸鹽或碳酸鹽,常常造成生產(chǎn)管線或設(shè)備堵塞,增加了修井作業(yè)次數(shù),縮短了修井周期。結(jié)垢還易造成水源井堵塞,會降低產(chǎn)液量,擾亂生產(chǎn)方案;嚴(yán)重時(shí)還會致使篩管破損,地層出砂,水源井關(guān)井,甚至報(bào)廢,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[7-10]。

目前渤海油田的水源井排量在500～2 500 m3/d,大多數(shù)均采用套管射孔完井,優(yōu)質(zhì)篩管進(jìn)行簡易防砂[11-12]。近幾年來,渤海水源井中出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕、結(jié)垢和沖蝕等破壞現(xiàn)象,導(dǎo)致停泵檢修作業(yè)頻繁,水源供應(yīng)不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響到正常的注水開發(fā)[13-17]。本文旨在通過分析渤海水源井的腐蝕結(jié)垢及破壞原因,提出有效措施,防止水源井管柱的進(jìn)一步破壞,保證渤海油田水源穩(wěn)定以及正常有序的注水開發(fā)。

1 水源井腐蝕結(jié)垢及破壞原因分析

圖1為渤海油田水源井篩管腐蝕結(jié)垢及破壞形狀，從圖來看,渤海油田水源井腐蝕結(jié)垢及破壞的主要特征有:篩管外壁存在明顯的結(jié)垢現(xiàn)象;篩管內(nèi)壁及外壁具有大量的鐵銹,部分篩管壁厚已經(jīng)變薄或產(chǎn)生大量的銹蝕洞;銹蝕洞大多分布在星孔篩管的篩孔或與本體的連接部位;篩扣和篩管基體鋼材不同,在兩者的接觸區(qū)具有明顯的腐蝕;篩孔具有堵塞現(xiàn)象,可能是地層水中的雜質(zhì)在通過篩孔后的過濾物[18-19]。

a) 篩管外壁結(jié)垢a) Scaling on the outer wall of the screen

b) 篩管內(nèi)壁銹蝕b) Corrosion of the inner wall of the screen

c) 篩扣與管體連接處銹蝕c) Corrosion of the connection betweent the screen button and the pipe body

d) 篩孔堵塞d) Screen mesh blocked

為分析渤海油田水源井腐蝕原因,選取渤海油田7個(gè)作業(yè)區(qū)8個(gè)典型水源井水樣進(jìn)行地層水成分分析和腐蝕實(shí)驗(yàn),各水源井地層水成分見表1。實(shí)驗(yàn)采用的掛片為同一規(guī)格,其材質(zhì)為篩管碳鋼基體常用材質(zhì)P 110,表面積為20.92 cm2,重量均為14.1 g。實(shí)驗(yàn)通過單一變量的方法,依次進(jìn)行了不同溫度、不同壓力、礦化度及同規(guī)格的P 110與S 314材質(zhì)掛片捆綁的腐蝕試驗(yàn),觀察幾種不同材料的掛片在目標(biāo)水源井水樣下的腐蝕情況,持續(xù)10～16 d后,將腐蝕后掛片從目標(biāo)水源井水樣中取出進(jìn)行稱重,進(jìn)而計(jì)算出各掛片的腐蝕速率,并應(yīng)用軟件對結(jié)垢趨勢進(jìn)行預(yù)測。

表1 水源井水樣組成測試分析結(jié)果表

1.1 溫度對掛片腐蝕行為的影響

水源井水樣的腐蝕速率受酸性氣體和氧的溶解量的影響,而溫度的高低直接影響酸性氣體和氧氣溶解量。溫度升高可增大腐蝕速率,當(dāng)溫度大于一定數(shù)值時(shí),溫度繼續(xù)升高，水樣中的酸性氣體和氧氣的溶解量變低,反而會使腐蝕速率變低。因此進(jìn)行了溫度對水源井水樣腐蝕速率的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)采用P 110掛片,實(shí)驗(yàn)水樣均為JZ 25-1S水樣,僅對溫度進(jìn)行改變,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 水源井水樣腐蝕速率和溫度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between corrosion rate and temperature of water source wells

由圖2可以看出,在較低溫度和較高溫度時(shí),掛片在水樣中的腐蝕速率均較小,當(dāng)溫度為50 ℃左右時(shí),掛片試樣的腐蝕速率最大,說明存在使腐蝕速率達(dá)到最大的溫度。

1.2 壓力對掛片腐蝕行為的影響

使用P 110掛片分別在高溫常壓下進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn),通過高溫常壓腐蝕實(shí)驗(yàn)測得,P 110掛片在大部分水樣中的腐蝕速率較低,為0.017 1～0.029 6 mm/a。其中,在JZ 25-1S-B 19 W井水樣內(nèi)的掛片腐蝕較為嚴(yán)重,為0.177～0.193 mm/a。再次選取P 110掛片在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行高溫高壓腐蝕實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,P 110掛片的腐蝕速率差別不大,在大部分水樣中腐蝕速率仍然較低,為0.013 5～0.048 2 mm/a,可見壓力對腐蝕速率的影響不大,腐蝕速率測定結(jié)果見圖3～4。

圖3 高溫常壓P 110掛片腐蝕結(jié)果圖(55 ℃,常壓)Fig.3 P 110 coupon corrosion results at high temperature and normal pressure(55 ℃, normal pressure)

圖4 高溫高壓掛片腐蝕結(jié)果圖(55 ℃,9 MPa)Fig.4 Coupon corrosion results at high temperature and pressure(55 ℃,9 MPa)

1.3 礦化度對掛片腐蝕行為的影響

根據(jù)高溫常壓腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,JZ 25-1S-B 19 W水源井水樣的掛片腐蝕速率相對較高,為測試掛片在水源井水樣中不同離子對其的腐蝕速率,選擇了JZ 25-1S-B 19 W水源井的實(shí)際水樣,并配置了一份與實(shí)際水樣相同礦化度的水樣,將實(shí)驗(yàn)掛片在高溫常壓條件下分別置于兩份水樣中,將腐蝕后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。最終測得地層水樣中掛片腐蝕速率為0.212 2～0.239 9 mm/a,而NaCl溶液中掛片腐蝕速率僅為0.013 09～0.015 99 mm/a。結(jié)果表明,在相同礦化度條件下,地層水的腐蝕速率遠(yuǎn)大于NaCl溶液的腐蝕速率,礦化度不是影響原水樣腐蝕性高的因素,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 地層水與NaCl溶液對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(85 ℃,常壓)Fig.5 Experimental results comparison of formation water and NaCl solution(85 ℃, normal pressure)

1.4 不同材質(zhì)捆綁對掛片腐蝕行為的影響

為驗(yàn)證不同材質(zhì)的篩扣與篩管對腐蝕速率的影響,在溫度為55 ℃、常壓的實(shí)驗(yàn)條件下,選取JZ 25-1S-B 19 W、SZ 36-1-D以及與JZ 25-1S-B 19 W水源井水樣相同礦化度的水樣溶液對P 110掛片進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。在JZ 25-1S-B 19 W水源井水樣中的掛片為 P 110 單掛片,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得腐蝕速率的大小為0.239 mm/a,而已捆綁的相同規(guī)格的不銹鋼篩扣常用材質(zhì)S 314掛片腐蝕速率大小為0.291～0.327 mm/a。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng) S 314 掛片與P 110掛片捆綁時(shí),掛片腐蝕速率明顯加快,甚至達(dá)到1倍以上。

圖6 掛片捆綁腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison of corrosion test results of binding coupon

1.5 結(jié)垢趨勢分析

為分析渤海水源井結(jié)垢原因,對典型水源井JX 1-1 A 1 W井的兩個(gè)垢樣進(jìn)行了成分檢測分析,應(yīng)用OFISTP 3.0結(jié)垢預(yù)測軟件,分別對JZ 25-1S-B 19 W、QK 17-2-W 2等7口典型水源井進(jìn)行了篩管結(jié)垢腐蝕趨勢的分析預(yù)測。

1.5.1 垢樣成分分析

根據(jù)垢樣成分檢測結(jié)果,兩個(gè)垢樣的主要成分均為CaCO3和MgCO3,此外,垢樣2含有少量的菱鐵礦和四方硫鐵礦等腐蝕產(chǎn)物以及少量石英顆粒,具體見表2。

表2 JX 1-1 A 1 W水源井結(jié)垢垢樣成分及含量分析表

1.5.2 結(jié)垢趨勢預(yù)測

通過OFISTP 3.0結(jié)垢預(yù)測軟件得到不同水源井的結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果,見圖7。根據(jù)預(yù)測結(jié)果,水源井井中篩管上的結(jié)垢物含量中主要是CaCO3,其中井底的結(jié)垢量為0.076～31.61 mg/L,井筒的結(jié)垢量為0～31.65 mg/L。雖然預(yù)測的井下結(jié)垢趨勢或程度中等偏低,但考慮到目標(biāo)區(qū)塊水源井產(chǎn)水量較高,生產(chǎn)過程中結(jié)垢量不斷積累,可能會導(dǎo)致堵塞。若產(chǎn)生的垢吸附性較高,則會在某一部位堆積,可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象導(dǎo)致破壞加深。

圖7 不同水源井結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果圖Fig.7 Prediction of scaling trend in different water source wells

2 腐蝕結(jié)垢及破壞原因分析

2.1 結(jié)垢原因綜合分析

2.2 腐蝕原因綜合分析

腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不管是在高溫高壓還是高溫常壓的腐蝕條件下,礦化度對于不同鋼材類型的篩管的腐蝕程度均較低,大多低于國家標(biāo)準(zhǔn),屬于正常的地層鹽水腐蝕。而腐蝕的主要原因,是由于地層水含有一定量的陰陽離子。實(shí)驗(yàn)中僅JZ 25-1 S-B 19 W水源井井水樣的掛片腐蝕較嚴(yán)重,主要原因?yàn)樵诮Y(jié)垢過程中產(chǎn)生一些CO2等酸性氣體,導(dǎo)致該水樣pH值呈酸性,進(jìn)而加劇了腐蝕現(xiàn)象。此外,通過不同材質(zhì)掛片的捆綁腐蝕實(shí)驗(yàn)可以看出,不銹鋼與普通碳鋼在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了捆綁接觸,由于材料的不配伍,導(dǎo)致了電化學(xué)腐蝕,從而加速了碳鋼的腐蝕,說明現(xiàn)防砂管采用的不銹鋼篩扣(S 314或S 316)和篩管碳鋼基體(P 110或N 80)接觸位置處可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的腐蝕,在沖蝕的復(fù)合作用下,容易導(dǎo)致篩扣的脫落。

2.3 破壞原因綜合分析

通過對篩管腐蝕結(jié)垢及破壞狀態(tài)、腐蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果、結(jié)垢原因以及現(xiàn)場出砂狀況的分析,得出導(dǎo)致渤海油田水源井篩管的破壞主要原因包括結(jié)垢、腐蝕及兩者導(dǎo)致的沖蝕破壞。首先,渤海水源井地層出砂,產(chǎn)水量高,水流速度大,工況條件比一般水源井工況更惡劣。其次,結(jié)垢等使部分篩孔堵塞,剩余篩孔的流量增大,或局部流速和壓力變化劇烈,加劇沖蝕作用;結(jié)垢下的篩管基體腐蝕主要為地層水中的O2及腐蝕結(jié)垢后產(chǎn)生的CO2等酸性氣體繼續(xù)對篩管進(jìn)行腐蝕,使篩管基體變薄、強(qiáng)度降低,特別是點(diǎn)蝕,更容易導(dǎo)致防砂管的沖蝕損壞。最后,篩扣與基體材料不配伍,易在鑲嵌處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕?，F(xiàn)場統(tǒng)計(jì)表明,采用礫石充填防砂或者特殊結(jié)構(gòu)和材料的篩管完井,其防砂時(shí)效明顯優(yōu)于單一的優(yōu)質(zhì)篩管完井防砂時(shí)效。

3 水源井防腐防垢措施

3.1 常規(guī)酸洗除垢作業(yè)

對于目前結(jié)垢嚴(yán)重的老水源井,進(jìn)行酸洗作業(yè)是一種常規(guī)而成熟的除垢措施[20]。酸洗作業(yè)周期需要根據(jù)井下結(jié)垢危害形式和程度,及其結(jié)垢部位和結(jié)垢量來確定。建議一般結(jié)垢水源井酸洗周期為1～2 a,對于結(jié)垢非常嚴(yán)重的需縮短酸洗周期,周期需根據(jù)實(shí)際情況而定。酸洗作業(yè)流程主要包括:起出電泵并做好檢泵工作,下入酸洗管柱至篩管底部,準(zhǔn)備酸洗液,泵入酸洗液(沒過篩管最頂端),關(guān)井待結(jié)垢溶解后,進(jìn)行大排量洗井,后起出洗井管柱,下入電泵進(jìn)行生產(chǎn)。為防止腐蝕井下管柱和篩管,需要在酸洗液中加緩蝕劑,酸洗完成后在環(huán)空內(nèi)注入緩蝕劑。鈣鎂垢酸洗液配方組成通常為:鹽酸(14%～20%)+緩蝕劑(0.6%～1%)+防垢劑(0.4%～1%)+滲透分散劑(0.6%～1%)+NaOH(0.5%～5%)。

3.2 井下注入防腐防垢劑

對于投入的新水源井,在完井時(shí)下入微管,在正常開井生產(chǎn)時(shí)向井下注入防腐防垢劑[21-22],見圖8。高壓細(xì)長管注入防腐防垢劑技術(shù)是利用連續(xù)的可耐高壓耐腐蝕的不銹鋼細(xì)長管線,將管線下入所需的層位,在保證防腐防垢劑有效濃度的前提下,通過地面高壓恒流泵將一定濃度的防腐防垢劑連續(xù)注入到所需部位,以完成防腐防垢工作。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用,例如:BP石油公司在英國北海油田成功將細(xì)長管線通過兩個(gè)封隔器下入到射孔位置,用于注入防垢劑,并達(dá)到了非常好的防垢效果。

在渤海油田的實(shí)際生產(chǎn)條件下,對于防腐防垢劑的注入方法,建議采用化學(xué)藥劑注入閥+控制管線的方式注入,既能夠節(jié)省用量,便于調(diào)整,又能夠防止上部管柱的腐蝕,化學(xué)藥劑通過管線流入到井底,使整個(gè)篩管段均能受效,可按需要的劑量定期或連續(xù)注入。細(xì)長管下入時(shí)應(yīng)與防砂管線共同下入,下入部位為防砂篩管的最底部,可以與篩管捆綁在一起,共同下入。特別需要注意的是細(xì)長管需穿過封隔器,應(yīng)提前在封隔器上預(yù)留細(xì)長管穿越孔道，并做好穿越后的密封工作。由于高壓細(xì)長管比較細(xì),強(qiáng)度較低,因此下入時(shí)應(yīng)注意保護(hù),防止在施工過程中斷裂。依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,緩蝕劑有效濃度建議為25～55 mg/L,防垢劑濃度建議為15～35 mg/L。

圖8 細(xì)長管井下化學(xué)劑投放流程示意圖Fig.8 Schematic diagram of chemical agent delivery flowin slender pipe downhole

3.3 防砂篩管優(yōu)選

渤海油田水源井須合理選擇井下篩管材料,水源井產(chǎn)水量較大,沖蝕破壞普遍存在,應(yīng)優(yōu)選過流性能及抗堵塞性能良好的防砂篩管,較好的過流性能可減少地層水對篩管的沖蝕破壞。如金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管,采用篩套式結(jié)構(gòu),過流面積大,防堵性能好。

在選擇篩管上,應(yīng)優(yōu)先考慮具有多種防砂結(jié)構(gòu)的復(fù)合多功能篩管,若一種防砂方式失效,其他防砂結(jié)構(gòu)仍能保證防砂效果。復(fù)合篩管大多采用繞絲篩套和金屬網(wǎng)布篩套配合的結(jié)構(gòu),提供多層防砂保障,而且能保證防砂部分的材料單一性。此外,應(yīng)該優(yōu)化水源井防砂方式,降低篩孔處流速,以防止篩管的沖蝕破壞,如礫石充填防砂等。

3.4 渤海油田水源井綜合防治措施

針對渤海油田不同作業(yè)區(qū)的腐蝕和結(jié)垢特點(diǎn),提出以下具體防護(hù)建議,見表3。

表3 渤海水源井防腐防垢措施表

4 結(jié)論

1)通過模擬井下條件,采用P 110腐蝕掛片,進(jìn)行了10口井水樣的腐蝕模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水樣屬于常規(guī)離子,腐蝕速率較小，腐蝕壓力及礦化度對腐蝕速率的影響不大。

2)兩種鋼材掛片的捆綁接觸實(shí)驗(yàn)表明,材料不配伍會造成化學(xué)腐蝕,低品位材料腐蝕速率是單掛片實(shí)驗(yàn)腐蝕速率的1.5～4倍,因此篩管的不銹鋼篩扣與其碳鋼本體連接處會提前被腐蝕破壞。

3)目標(biāo)水源井水質(zhì)對腐蝕結(jié)垢影響較小，現(xiàn)場出現(xiàn)的防砂管損壞主要是由腐蝕、結(jié)垢、出砂、沖蝕的聯(lián)合作用導(dǎo)致的。

4)優(yōu)化了水源井防砂方式及優(yōu)選防砂篩管,防止腐蝕結(jié)垢加劇篩管的沖蝕破壞。

5)根據(jù)現(xiàn)場腐蝕和結(jié)垢對生產(chǎn)和井下管柱的影響程度,現(xiàn)有的井可考慮采用酸洗除垢,新井可采用控制管線的方式注入,既容易調(diào)整節(jié)省用量,又能夠防止上部管柱的腐蝕,化學(xué)藥劑通過管線流入到井底,使化學(xué)藥劑在整個(gè)井段均勻受效。