陳 旭

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

東勝氣田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟東勝市巴彥敖包鄉(xiāng)附近，面積9 805 km2，資源量11 345億m3，為中石化華北油氣分公司天然氣產(chǎn)量主力接替區(qū)，開發(fā)前景良好[1]。東勝氣田氣井普遍產(chǎn)水，液氣比為2.45 m3/104m3；產(chǎn)出氣中含有一定量CO2，其分壓約為0.001～0.14 MPa。根據(jù)Cor和Marsh的研究成果(見表1)，氣井具備發(fā)生CO2腐蝕的條件。

表1 CO2分壓與腐蝕可能性關(guān)系表

作為嚴(yán)重影響氣井生產(chǎn)的問題，氣井腐蝕一直備受研究者關(guān)注。總體來講，氣井腐蝕研究主要有理論計(jì)算法、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法三類，其中理論計(jì)算法僅停留在定性判斷層面，而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法成本高、周期長(zhǎng)，無法滿足氣田腐蝕研究需要[2](見表2)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，軟件模擬法應(yīng)運(yùn)而生。它以理論計(jì)算法為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正計(jì)算模型，可以進(jìn)行定性與定量計(jì)算，避免了理論計(jì)算、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法的缺點(diǎn)，在油氣井腐蝕分析方面得到越來越廣泛的應(yīng)用[3-7]。本文采用腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer 對(duì)東勝氣田氣井腐蝕特征進(jìn)行模擬計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，研究東勝氣田腐蝕規(guī)律。

表2 氣井腐蝕研究方法匯總

1 OLI腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer簡(jiǎn)介

1.1 軟件功能

Corrosion Analyzer 腐蝕分析系統(tǒng)是由美國OLI公司開發(fā)的預(yù)測(cè)、分析工業(yè)腐蝕問題的工具，可以對(duì)氣井腐蝕可能性、腐蝕機(jī)理、影響腐蝕因素及不同條件下腐蝕速率進(jìn)行模擬分析，從定性及定量?jī)蓚€(gè)層面對(duì)氣井腐蝕問題進(jìn)行描述，可有效指導(dǎo)氣田腐蝕防護(hù)工作。

1.2 操作方法

進(jìn)行腐蝕模擬前要輸入三方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即流體性質(zhì)參數(shù)、氣井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣井動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。流體性質(zhì)參數(shù)包括氣井產(chǎn)出氣體各組分含量、氣井產(chǎn)出水相各種離子濃度、水相pH值等信息；氣井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)包括氣井油管管徑、油套管材質(zhì)等信息；氣井動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括氣井日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)液量、流體速度、氣井溫度、流壓等數(shù)據(jù)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可對(duì)腐蝕體系熱力學(xué)穩(wěn)定性(即腐蝕可能性)、腐蝕反應(yīng)機(jī)理、腐蝕影響因素及腐蝕速率進(jìn)行模擬。

2 東勝氣田產(chǎn)出流體性質(zhì)分析

2.1 東勝氣田產(chǎn)出氣性質(zhì)

在東勝氣田投產(chǎn)井及試采井中選取5口氣井作為分析樣本，分別進(jìn)行產(chǎn)出氣、水性質(zhì)分析，產(chǎn)出氣組分見表3。

表3 東勝氣田產(chǎn)出氣組分

由表3數(shù)據(jù)可知，東勝氣田天然氣組分中甲烷含量較高(平均值92.66%)，為干氣類型。乙烷以上組分含量較低，有少量氮?dú)夂投趸迹缓蚧瘹?。與腐蝕相關(guān)的二氧化碳?xì)怏w在不同氣井中含量不一，介于0.031%～1.02%之間，平均值為0.553%。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，結(jié)合東勝氣田氣井壓力可知，東勝氣田部分氣井有可能發(fā)生二氧化碳電化學(xué)腐蝕(見表4)。

表4 樣本井CO2分壓情況

1.2 東勝氣田產(chǎn)出水性質(zhì)

5口樣本井產(chǎn)出水性質(zhì)見表5。

表5 東勝氣田產(chǎn)出水組分

由表5數(shù)據(jù)可知，東勝氣田石盒子組礦化度較低，介于35 000～54 000 mg/L，含太原組合采氣井礦化度較高，可達(dá)95 180 mg/L。理論上礦化度越高，越有助于腐蝕的發(fā)生。

3 腐蝕模擬預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 腐蝕體系熱力學(xué)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

pH-電位圖分析是腐蝕電化學(xué)中判定腐蝕體系熱力學(xué)穩(wěn)定性的有效方法。通過熱力學(xué)及電化學(xué)相關(guān)計(jì)算，將圖劃分成不同的區(qū)域，分別為腐蝕區(qū)、鈍化區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)腐蝕狀態(tài)點(diǎn)的區(qū)域，從熱力學(xué)穩(wěn)定性方面定性判斷氣井腐蝕情況。圖1為J11P4H井井底附近環(huán)境條件下pH-電位圖，圖中白色區(qū)域表示腐蝕區(qū)，綠色區(qū)域表示鈍化區(qū)，灰色區(qū)域表示穩(wěn)定區(qū)。J11P4H井腐蝕狀態(tài)點(diǎn)(紅色圓圈)位于腐蝕區(qū)，則理論上熱力學(xué)不穩(wěn)定，有較強(qiáng)的腐蝕傾向[8]。圖2為錦86井井底附近環(huán)境條件下pH-電位圖，腐蝕狀態(tài)點(diǎn)位于綠色區(qū)域，則理論上熱力學(xué)較穩(wěn)定，有一定的腐蝕傾向。

用同樣方法共分析5口井的熱力學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果見表6。2口井(錦58、錦86)處于鈍化區(qū)，2口井(ES4、J11P4H)處于腐蝕區(qū)，1口井(錦26)處于腐蝕區(qū)與鈍化區(qū)交界處?？傮w來講，上述氣井都有發(fā)生腐蝕的可能性。

表6 東勝氣田氣井腐蝕熱力學(xué)穩(wěn)定性軟件模擬結(jié)果

3.2 腐蝕反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè)

可以通過Corrosion Analyzer計(jì)算得到極化曲線，極化曲線中在腐蝕狀態(tài)點(diǎn)相交的兩個(gè)半反應(yīng)即為腐蝕反應(yīng)機(jī)理[9]。

圖3和圖4分別為J11P4H井和錦58井的極化曲線。由圖3可知，距離腐蝕狀態(tài)點(diǎn)最近的兩條半反應(yīng)曲線分別為鋼材失電子轉(zhuǎn)化為金屬離子，以及水生成氫氣和氫氧根的反應(yīng)，因此這兩個(gè)反應(yīng)主導(dǎo)氣井腐蝕過程，J11P4H井腐蝕機(jī)理為高溫下鋼材析氫腐蝕。由圖4可知，距離腐蝕狀態(tài)點(diǎn)最近的兩條半反應(yīng)曲線分別為鋼材失電子轉(zhuǎn)化為金屬離子，以及碳酸電離的反應(yīng)，因此這兩個(gè)反應(yīng)主導(dǎo)氣井腐蝕過程。錦58井腐蝕機(jī)理為高溫下二氧化碳電化學(xué)腐蝕。

用同樣的方法，共分析5口氣井腐蝕機(jī)理，結(jié)果見表7。2口氣井(J11P4H、錦26)為高溫下鋼材析氫腐蝕，3口氣井為高溫下二氧化碳電化學(xué)腐蝕(ES4、錦58、錦86)。就目前結(jié)果來看，東勝氣田腐蝕機(jī)理為鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學(xué)腐蝕，模擬結(jié)果與理論判定結(jié)果一致。

表7 東勝氣田氣井腐蝕機(jī)理軟件模擬結(jié)果

3.3 主要影響因素分析

氣井腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，溫度、壓力、pH值、礦化度、氣體流速等都會(huì)影響氣井腐蝕程度[10]。但在正常穩(wěn)定生產(chǎn)過程中，產(chǎn)出液特征及氣體流速變化不大，而沿井筒溫度及壓力變化較大，因此溫度、壓力為氣井腐蝕主要影響因素。

圖5及圖6分別為錦58井溫度、壓力對(duì)腐蝕速率影響關(guān)系圖。由圖中曲線可知，在東勝氣田井筒溫度、壓力變化范圍內(nèi)，隨著溫度、壓力的增加，氣井腐蝕速率也呈增加趨勢(shì)，但溫度影響遠(yuǎn)大于壓力影響。這是因?yàn)闇囟仍黾?，腐蝕化學(xué)反應(yīng)速率增加；壓力增加，二氧化碳分壓增加，二氧化碳電化學(xué)腐蝕加劇。

用同樣的方法共分析5口樣本氣井溫度、壓力對(duì)腐蝕速率的影響，得到同樣的結(jié)論。因此，在東勝氣田溫度、壓力范圍內(nèi)，隨深度增加，氣井腐蝕速率變大。

3.4 腐蝕速率預(yù)測(cè)

以東勝氣田5口井氣、液測(cè)試數(shù)據(jù)為樣本，結(jié)合氣井管柱結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用軟件模擬計(jì)算了氣井井底腐蝕速率，結(jié)果見表8。

表8 東勝氣田腐蝕速率模擬結(jié)果

由結(jié)果可知，東勝氣田氣井腐蝕速率較低，井底附近井筒腐蝕速率介于0.001 48～0.003 69 mm/a之間，屬于輕度腐蝕。

4 現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)結(jié)果及分析

氣井井下掛片[11]是測(cè)定井筒腐蝕速率最直接、最準(zhǔn)確的方法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，選取J11P4H井及錦11井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)，為期三個(gè)月，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表9，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

由試驗(yàn)前后掛片外觀可知(見圖7、圖8)，試驗(yàn)前掛片顏色光亮，有金屬光澤。

表9 現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

表10 現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后掛片表面灰暗，均表現(xiàn)為均勻腐蝕，無點(diǎn)蝕情況存在。由表10中錦58井掛片試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著氣井深度增加，即溫度、壓力增加，腐蝕速率不斷增大，與軟件模擬結(jié)果一致。J11P4H井、錦58井現(xiàn)場(chǎng)掛片腐蝕速率分別為0.017 911 mm/a、0.001 519 5 mm/a，軟件模擬結(jié)果分別為0.001 63 mm/a、0.003 56 mm/a，對(duì)比可知OLI軟件模擬結(jié)果與實(shí)際存在一定偏差，但由于東勝氣田腐蝕速率較小，腐蝕速率模擬結(jié)果仍可作為參考。

5 結(jié)論與建議

1)軟件模擬結(jié)果表明，東勝氣田氣井存在腐蝕可能，腐蝕機(jī)理為高溫下鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學(xué)腐蝕，與理論分析結(jié)果一致；

2)隨著氣井深度增加，軟件模擬得到的氣井腐蝕速率增大，與現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)結(jié)果一致；

3)軟件模擬得到的氣井腐蝕速率與現(xiàn)場(chǎng)掛片存在一定偏差，但結(jié)果仍可作為參考；

4)建議對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掛片腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，明確腐蝕機(jī)理，進(jìn)一步驗(yàn)證模擬軟件的準(zhǔn)確性，并根據(jù)氣井不同腐蝕機(jī)理，優(yōu)選不同類型的緩蝕劑進(jìn)行氣井腐蝕防護(hù)；

5)建議利用現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模擬得到的腐蝕速率進(jìn)行修正，提高軟件定量模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。