孟瑄，和鵬飛，于忠濤，袁則名，孫永樂

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津300452）

渤海地區(qū)天然氣井存在較為普遍的油套管腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)造成油套同壓，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量受損，甚至可能造成生產(chǎn)事故。因此需要研究油氣生產(chǎn)環(huán)境中造成腐蝕的因素，展開腐蝕敏感性分析，計(jì)算腐蝕速率，對(duì)生產(chǎn)套管剩余強(qiáng)度做出預(yù)測(cè)，并推薦檢測(cè)時(shí)間。研究結(jié)果可以為制訂氣井修井和測(cè)井方案提供理論依據(jù)，有助于采取保護(hù)氣井安全生產(chǎn)的相關(guān)策略。

1 油套同壓井基本情況

以渤海F油田5口油套同壓氣井為例，J3井2004年投產(chǎn)，2016年1月14日，生產(chǎn)套壓突然由6.4 MPa上升至12.8 MPa，和井口油壓持平；技術(shù)套壓由0.2 MPa上升至3.2 MPa。J1S井2017年投產(chǎn)即油套同壓，基本未生產(chǎn)，油壓22.2 MPa，套壓22.3 MPa。J5井2008年投產(chǎn)初期有套壓，一直維持在1～5 MPa，2014年油套同壓22 MPa左右。K6井2009年投產(chǎn)，2013年10月19日發(fā)現(xiàn)油套環(huán)空壓力由原來的2.4 MPa上升至18.9 MPa。10月20日15:00對(duì)油套環(huán)空壓力確認(rèn)泄壓前15.2 MPa，至15：20套壓歸零；15：25泄壓閥關(guān)閉壓力逐漸回升，21日15:30壓力回升到7.6 MPa。L2井2017年投產(chǎn)，2018年發(fā)現(xiàn)油套同壓。5口井均為自噴氣井，油管與環(huán)空為隔開狀態(tài)，沒有過電纜封隔器，有井下安全閥。

為分析油套管腐蝕情況，采集的數(shù)據(jù)主要包括：與腐蝕相關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以及具體的防腐措施和防腐效果。

1.1 油套管設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表1為5口井的油套管設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，列出了油套管材質(zhì)、尺寸和焊接情況。

1.2 工藝數(shù)據(jù)

與腐蝕相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)主要是流體的物性參數(shù)，如：流體組分及含量、流速、pH值、操作溫度、操作壓力等。這些數(shù)據(jù)可以幫助判斷物流對(duì)油套管是否具有腐蝕性，可能引起哪些類型的腐蝕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，5口井的采出流體主要是含少量凝析油的天然氣，還含有一定量的二氧化碳、水和固體雜質(zhì)。測(cè)量的各井井口的操作溫度、操作壓力，以及產(chǎn)出物流中油、氣、水的產(chǎn)量等與腐蝕相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，J1S近幾年一直處于關(guān)閉狀態(tài)，現(xiàn)有資料查不到其操作溫度，參考其他氣井，設(shè)其生產(chǎn)時(shí)的操作溫度為50℃；5口氣井均已油套同壓，套管接觸到了氣井中的帶壓流體，故設(shè)定套管接觸的流體與油管相同。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，將5口氣井中天然氣中CO2和CH4含量見表3。對(duì)J3、J5井的采出水進(jìn)行了氯離子和pH值化驗(yàn)分析，具體數(shù)據(jù)見表4。

表3 天然氣組分

表4 Cl-1濃度及p H值測(cè)量數(shù)據(jù)

1.3 歷史腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解到J3井在2007年進(jìn)行了一次修井，在2018年進(jìn)行了一次測(cè)井。調(diào)研收集的資料顯示，在2007年11月進(jìn)行的修井作業(yè)過程中，發(fā)現(xiàn)J3井口至井下50～60 m左右，發(fā)生腐蝕、斷裂。其中26.6 m處最為嚴(yán)重（該處為斷裂處），油管已出現(xiàn)多處腐蝕穿孔，內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，呈蜂窩狀。

1.4 防腐措施及效果

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解到的有關(guān)油套管防腐措施及其防腐效果的信息如下。

1）5口氣井均裝有化學(xué)藥劑加注管線，曾經(jīng)使用過，但目前基本沒有使用，即沒有添加起緩蝕作用的藥劑。

2）N80材質(zhì)的油套管內(nèi)外壁均有防腐涂層，13CrL80材質(zhì)的油套管因其本身具有耐蝕性，因此無防腐涂層。

3）5口氣井均未采用陰極保護(hù)防腐措施。

2 Fame+軟件概況

本次腐蝕分析所采用的軟件是Fame+，它是專用于海上設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)分析軟件。Fame+的開發(fā)基于API 581方法和數(shù)據(jù)庫(kù)，由于軟件內(nèi)部擁有大多數(shù)的腐蝕機(jī)理數(shù)據(jù)庫(kù)及腐蝕動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式，因此它基本的功能之一就是預(yù)測(cè)海上設(shè)施可能發(fā)生的腐蝕損傷機(jī)理及損傷速度，即對(duì)可能發(fā)生的腐蝕損傷進(jìn)行描述。腐蝕損傷的描述指腐蝕損傷機(jī)理和損傷速度的描述，是對(duì)材料發(fā)生損壞的具體描述，包括損傷類別、主導(dǎo)腐蝕機(jī)理、腐蝕速率或敏感性：①損傷類型是指設(shè)備材料發(fā)生損壞的類型，如減薄、開裂等；②主導(dǎo)損傷機(jī)理是指導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞的主要原因，如H2S腐蝕、CO2腐蝕等；③腐蝕速率和敏感性是對(duì)腐蝕的動(dòng)力學(xué)描述。對(duì)于可以定量描述的損傷，如減薄等，采用腐蝕速率描述；而對(duì)于其他不能采用定量描述的，如裂紋等，則用敏感性高低來描述。

3 損傷分析結(jié)果

將5口氣井的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)錄入Fame+，分別對(duì)各個(gè)氣井的油管、套管進(jìn)行腐蝕損傷分析。錄入上述兩類數(shù)據(jù)后，軟件給出可能發(fā)生的損傷類型及對(duì)應(yīng)的腐蝕機(jī)理；為計(jì)算腐蝕機(jī)理的腐蝕速率，輸入影響其腐蝕發(fā)展速度的因素，這些因素包括影響腐蝕發(fā)展的一些物質(zhì)的含量、歷史腐蝕檢測(cè)結(jié)果、已采用的防腐措施及防腐效果。

經(jīng)Fame+分析計(jì)算，J3、J1S、J5、K6、L2井的油管和套管可能已經(jīng)發(fā)生內(nèi)部腐蝕，腐蝕機(jī)理主要是CO2腐蝕、沖蝕和細(xì)菌腐蝕3種，對(duì)應(yīng)的腐蝕速率或敏感性因各井的數(shù)據(jù)差異而有所不同。根據(jù)各口井的實(shí)際參數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 腐蝕計(jì)算結(jié)果

3.1 CO2腐蝕

CO2和H2O共存條件下，易對(duì)鋼鐵材料發(fā)生腐蝕。CO2對(duì)碳鋼的腐蝕一般表現(xiàn)為局部減薄和點(diǎn)蝕，通常發(fā)生在湍流和沖擊區(qū)[1]。

影響CO2腐蝕的因素包括CO2的分壓、pH值和溫度。CO2分壓的增加會(huì)導(dǎo)致較低的pH凝結(jié)物和較高的腐蝕速度,而升高的溫度會(huì)增加腐蝕速度直到CO2汽化的點(diǎn)[2]。

5口氣井除J3、J1S、L2井的油管材質(zhì)為L(zhǎng)80外，其余油套管材質(zhì)均為碳鋼或低合金鋼，這些油套管的防腐涂層一旦出現(xiàn)破損，裸露金屬與高CO2分壓且混有油、水的天然氣接觸，極易發(fā)生CO2腐蝕。L80為含13%Cr元素的馬氏體不銹鋼，具有較強(qiáng)的耐CO2腐蝕性能。經(jīng)軟件分析，材質(zhì)為L(zhǎng)80的油管在其當(dāng)前的操作狀況下，基本不會(huì)發(fā)生CO2腐蝕。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，5口氣井均裝有化學(xué)藥劑加注管線，投產(chǎn)后曾經(jīng)使用過，但目前基本沒有使用，即沒有添加起緩蝕作用的藥劑，如專門抑制CO2腐蝕的緩蝕劑等，因此軟件給出的腐蝕速率較高，其中CO2含量最高的J3井套管，CO2腐蝕速率達(dá)1.67 mm∕a；J5井的操作溫度、操作壓力均較其他井低，加之CO2含量?jī)H為J3井的三分之一，所以軟件計(jì)算出的CO2腐蝕速率為0.248 mm∕a。

3.2 沖蝕

一般說來，流體的速度愈高，流體中懸浮的固體顆粒愈多、愈硬，沖刷腐蝕速度愈快[3]。腐蝕介質(zhì)流動(dòng)速度又取決于流動(dòng)方式：層流時(shí)，由于流體的黏度，在沿管道截面有一種穩(wěn)態(tài)的速度分布；湍流時(shí)，破壞了這種穩(wěn)態(tài)速度分布，這不僅加速了腐蝕劑的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物的遷移，而且在流體與金屬之間產(chǎn)生切應(yīng)力，能剝離腐蝕產(chǎn)物，從而加大了沖蝕速度[4]。

5口氣井的流壓在20 MPa左右波動(dòng)，有時(shí)高達(dá)30 MPa，油套管管徑均在100 mm內(nèi)，介質(zhì)流速較高是氣井的特點(diǎn)之一，加之天然氣中夾帶固體雜質(zhì)，所以氣井油管發(fā)生沖蝕的可能性很大。目前已知這5口氣井油套同壓，油管存在泄漏點(diǎn)，因此套管內(nèi)壁受油管泄漏出的高壓氣體的沖擊，也可能發(fā)生沖蝕。通過現(xiàn)場(chǎng)收集的可用資料不能確定各井的含砂量范圍，因此利用軟件分析沖蝕速率時(shí)，考慮較惡劣的狀況，設(shè)定含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1×10-6；又因氣井采出流中只含有很少的液態(tài)介質(zhì)，氣液的體積比很大，因此軟件給出的沖蝕速率均為0。

3.3 細(xì)菌腐蝕

細(xì)菌腐蝕通常發(fā)生在水環(huán)境或有水存在（有時(shí)或永久）的環(huán)境中，尤其是在允許或促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)的停滯或流速低的條件。采出水可能含有硫酸鹽還原菌和腐生菌，這都是導(dǎo)致金屬腐蝕的主要原因[5]；腐蝕產(chǎn)物FeS又可以堵塞管道、井口等[1]。在一定條件下，腐生菌從有機(jī)物中得到能量，產(chǎn)生黏性物質(zhì)，附著在管線和設(shè)備上，并與某些代謝產(chǎn)物累積沉淀，造成生物垢堵塞井口或過濾器等。其中最重要的腐生菌—鐵細(xì)菌主要是將亞鐵氧化成高價(jià)鐵，利用鐵氧化釋放的能量滿足其生存的需要，它的危害非常大[5]。

5口氣井采出流體中均含水，操作溫度不高，適宜細(xì)菌存活，因此軟件分析各井油套管內(nèi)部均可能發(fā)生局部的細(xì)菌腐蝕。采用Fame+軟件對(duì)細(xì)菌腐蝕進(jìn)行模擬，材質(zhì)耐蝕性如何、是否采用了有效的抗菌處理，是降低和預(yù)防細(xì)菌腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵。軟件對(duì)L80材質(zhì)的管線，在不同假設(shè)條件對(duì)其細(xì)菌腐蝕敏感性進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如下：①在沒有實(shí)施有效的抗菌措施時(shí)，細(xì)菌腐蝕敏感性為中低；②如進(jìn)行有效的抗菌措施，腐蝕敏感性為低。軟件對(duì)N80材質(zhì)的管線，在不同假設(shè)條件對(duì)其細(xì)菌腐蝕敏感性進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如下：①在沒有實(shí)施有效的抗菌處理時(shí)，細(xì)菌腐蝕敏感性較高；②如進(jìn)行有效的抗菌處理，腐蝕敏感性為低。

4 環(huán)空壓力控制

根據(jù)APIRP 90[6]標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算最大允許環(huán)空帶壓值。允許的最大環(huán)空壓力值是根據(jù)管柱強(qiáng)度的最小值和套管鞋所在的地層應(yīng)力計(jì)算出來的。井口允許最大帶壓值是針對(duì)某一特定環(huán)空的最大允許工作壓力值，反映環(huán)空能夠承受的壓力級(jí)別。其計(jì)算方法為：對(duì)于油套環(huán)空（A環(huán)空），取生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%、技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和油管抗外擠強(qiáng)度的75%三者之間的最小值，即：

式中：MAWOP為井口允許最大帶壓值，MPa；Pbcur為待評(píng)價(jià)環(huán)空套管考慮腐蝕、磨損后的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Pcout為上一層（外面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Pcin為下一層（里面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗擠強(qiáng)度，MPa。

假設(shè)不考慮溫度效應(yīng)和井下作業(yè)所施加的環(huán)空套壓等因素的影響，此時(shí)環(huán)空帶壓僅受到地層流體竄流的影響，其環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖

根據(jù)APIRP 90標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合套管腐蝕速率，計(jì)算了各口井最大允許環(huán)空帶壓值，并給出了剩余強(qiáng)度年限，見表6。僅J3井開展過測(cè)井作業(yè)，因此套管壁厚都以J3井檢測(cè)值作為基準(zhǔn)計(jì)算（當(dāng)幾口井建造階段都是同壁厚，由于J3井腐蝕速率較高，因此其他井選取10.363 mm壁厚偏安全）；計(jì)算了套管控制壁厚，由此計(jì)算出不同腐蝕速率下的檢測(cè)年份。

表6 環(huán)空壓力控制及推薦檢測(cè)時(shí)間

5 結(jié)論

1）Fame+對(duì)5口油套同壓井的管材腐蝕模擬中，得到的腐蝕結(jié)果基本與管體腐蝕檢測(cè)結(jié)論一致。

2）根據(jù)渤海地區(qū)F油田相關(guān)測(cè)井和修井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合Fame+分析，5口油套同壓井的油套管CO2腐蝕速率在0.248～1.67 mm∕a；采用13CrL80材質(zhì)的油套管，其細(xì)菌腐蝕程度普遍較普通N80材質(zhì)管材低。

3）結(jié)合腐蝕分析結(jié)果，根據(jù)環(huán)空壓力控制理論分析5口井理論壁厚，并推薦了檢測(cè)時(shí)間，分別為：J3井2021年9月；J5、J1S、K6井2024年9月；L2井2020年9月。