劉學(xué)全

(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地紅河油田油氣藏儲量豐富，主要聚集層位為延長組長8儲層，平均孔隙度10.8%，平均滲透率0.4×10-3μm2。自2010年采用水平井開發(fā)以來隨著油田的不斷開采，油田出現(xiàn)地層能量不足、產(chǎn)量遞減快的嚴(yán)峻問題。由于儲層具有低孔、低滲和非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，常規(guī)注水技術(shù)難以驅(qū)動有效儲量[1]，而空氣來源廣、成本廉價(jià)，所以注空氣技術(shù)受到越來越多的重視。研究指出，注空氣開采輕質(zhì)油油藏是一項(xiàng)富有創(chuàng)造性的提高采收率新技術(shù)[2]，盡管注空氣驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)油田應(yīng)用，且驅(qū)油效果顯著，但是注空氣過程中油套管及井下工具長期處于高壓富氧、高溫潮濕或有水的腐蝕環(huán)境中，易遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞，也制約著注空氣驅(qū)油技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，有必要進(jìn)行管材的氧腐蝕試驗(yàn)研究，開展注空氣過程的防腐工作[3]。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材質(zhì)

現(xiàn)場調(diào)研表明，主要的注入井筒材料為J55和N80，因此主要分析研究這兩種材料在不同工況下的腐蝕特征和規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)溫度

鄂爾多斯盆地紅河油田長8儲層的溫度為60～70 ℃，測試井口處、油管鞋處、A靶點(diǎn)處和地層處四種溫度下鋼材腐蝕速率與溫度關(guān)系，明確溫度對鋼材的腐蝕影響。

1.3 試驗(yàn)壓力

以初始注入壓力和穩(wěn)定注入壓力作為試驗(yàn)工況，測試四種壓力下鋼材腐蝕速率，明確注入壓力對鋼材的腐蝕影響。

1.4 氧氣含量

對于注入井來說，氧氣含量是影響注入井筒腐蝕的主要因素，測量不同氧含量下鋼材的腐蝕速率，分析氧含量對材料的腐蝕速率的影響。

1.5 試驗(yàn)介質(zhì)

根據(jù)油田地層水水樣分析結(jié)果，選用分析純 NaCl,KCl,NaHCO3,CaCl2和MgCl2·6H2O 配制模擬地層水。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用EPF微型磁力攪拌高壓反應(yīng)釜，如圖1所示。該裝置最高試驗(yàn)溫度為200 ℃，最大耐壓6 MPa，最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min。試驗(yàn)用的其他儀器包括數(shù)顯干燥箱(0～300 ℃)，電子分析天平(0～200 g，精度 0.1 mg)，游標(biāo)卡尺(精度 0.01 mm)，抽真空封口機(jī)和超聲波清洗機(jī)等。

圖1 微型磁力攪拌高壓釜

2.2 試驗(yàn)氣體及其他藥品

試驗(yàn)所用氣體為高純氮?dú)?體積分?jǐn)?shù)超過99.999%)和高純氧氣(體積分?jǐn)?shù)超過99.995%)，高純氧氣為試驗(yàn)用腐蝕性氣體，高純氮?dú)庥脕砣コ囼?yàn)管路、反應(yīng)儀器以及腐蝕介質(zhì)中的氧氣。

試驗(yàn)所用藥劑主要包括：氯化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.5%)、無水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.7%)、有機(jī)酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%～38%)和六次甲基四胺(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.0%)等。

2.3 試驗(yàn)方法及步驟

2.3.1 腐蝕試驗(yàn)的步驟

(1)將掛片試件依次緩慢放入釜內(nèi)，記錄編號，期間應(yīng)避免有氣泡附著在掛片表面，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。

(2)向反應(yīng)釜內(nèi)倒入剛除氣完畢的定量溶液，液面最高不得超過反應(yīng)釜容積的四分之三，將釜體安裝至夾具上，安裝好釜蓋。

(3)將氣瓶用管線接入釜蓋上的兩個進(jìn)氣接頭，并確保閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。對試驗(yàn)管線、反應(yīng)釜進(jìn)行除氧。將高純氮?dú)鈿馄咳霘忾y門和放氣閥門同時(shí)打開，緩慢通入高純氮?dú)?30 min除去試驗(yàn)管線及反應(yīng)釜內(nèi)空氣(主要是氧氣)，然后關(guān)閉該閥門，此時(shí)可大致認(rèn)為反應(yīng)釜內(nèi)氧分壓為0。然后打開高純氧氣氣瓶的入氣閥門，緩慢通氣半分鐘除去反應(yīng)釜中的氮?dú)?，之后關(guān)閉所有閥門。

(4)調(diào)節(jié)控溫裝置至試驗(yàn)溫度，待溫度穩(wěn)定后打開高純氧氣氣瓶的入氣閥門，待反應(yīng)釜內(nèi)氧氣壓力達(dá)到試驗(yàn)氧分壓后關(guān)閉所有閥門。開啟轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)開關(guān)，從最小轉(zhuǎn)速緩慢調(diào)至試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)正式開始，記錄試驗(yàn)開始時(shí)間。

2.3.2 腐蝕速率的計(jì)算方法

掛片質(zhì)量損失法是研究材料平均腐蝕速率應(yīng)用最廣泛的方法[4]，也是研究平均腐蝕速率最有效的方法之一。該方法的基本原理是將所研究的金屬制作成規(guī)則的試樣，測定其幾何尺寸、質(zhì)量，將其置于相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)中，試驗(yàn)結(jié)束后，測定試驗(yàn)后試樣質(zhì)量，按式(1)計(jì)算平均腐蝕速率。

(1)

式中：Rcorr為腐蝕速率，mm/a；m0為試樣原始質(zhì)量，g；mt為試樣試驗(yàn)后質(zhì)量，g；A為試樣總表面積，cm2；ρ為試樣材質(zhì)密度，g/cm3;t為測試時(shí)間，h。

3 結(jié)果和討論

3.1 氧含量對腐蝕的影響

表1和表2是J55和N80兩種鋼材在不同氧含量下，總壓30 MPa、溫度65 ℃且干燥條件下的試樣質(zhì)量損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 不同氧含量下N80鋼腐蝕速率測量結(jié)果

表2 不同氧含量下J55鋼腐蝕速率測量結(jié)果

由表1和表2可以看出，兩種材料腐蝕速率隨氧含量升高而逐漸增加，其中N80油管平均腐蝕速率最大，但是也僅為0.025 82 mm/a。

3.2 溫度和壓力對腐蝕的影響評價(jià)

表3至表6是N80和J55兩種鋼材在不同溫度、不同壓力且干燥條件下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 不同溫度下N80鋼腐蝕速率測量結(jié)果(干燥，30 MPa)

表4 不同溫度下J55鋼腐蝕速率測量結(jié)果(干燥，30 MPa)

表5 不同壓力下N80鋼腐蝕速率測量結(jié)果(干燥，65 ℃)

表6 不同壓力下J55鋼腐蝕速率測量結(jié)果(干燥，65 ℃)

由表3至表6可以看出，兩種材料均勻腐蝕速率隨溫度和壓力的升高而逐漸增加，基本呈線性關(guān)系，溫度對J55腐蝕速率的影響要大于N80。

3.3 空氣濕度對腐蝕的影響評價(jià)

表7是N80和J55兩種鋼材在含氧5%(體積分?jǐn)?shù))，總壓30 MPa、溫度為65 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表7 平均腐蝕速率 mm/a

由表7可以看出，兩種材料平均腐蝕速率隨空氣濕度的升高而逐漸增加，在試驗(yàn)條件(O2體積分?jǐn)?shù)為5%,65 ℃，30 MPa)下，空氣濕度無論是50%或100%，平均腐蝕速率均遠(yuǎn)小于0.2 mm/a。

4 結(jié) 論

(1)J55和N80兩種鋼材平均腐蝕速率隨氧含量升高而逐漸增加，其中N80油管平均腐蝕速率較大。

(2)兩種材料平均腐蝕速率隨溫度和壓力的升高而逐漸增加，基本呈線性關(guān)系，溫度對J55腐蝕速率的影響要大于N80。

(3)兩種材料平均腐蝕速率隨空氣濕度的升高而逐漸增加，在試驗(yàn)條件(O2體積分?jǐn)?shù)為5%,65 ℃，30 MPa)下，空氣濕度無論是50%或100%，平均腐蝕速率均遠(yuǎn)小于0.2 mm/a。