琚子輝，白海濤，何順安，劉 鵬，高 亮，馬 云

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西 西安 710065；3.長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西 西安 710200）

近年來(lái)，氣井井管的腐蝕引起了廣泛關(guān)注。氣井采出液會(huì)通過(guò)井筒到達(dá)地面，這些介質(zhì)含有有機(jī)物、H2S、CO2、細(xì)菌、泥沙等[1-3]，當(dāng)?shù)叵聹囟群蛪毫_(dá)到一定條件時(shí)，會(huì)對(duì)井管產(chǎn)生全面或局部腐蝕，導(dǎo)致井管防腐失效[4-5]，進(jìn)而影響氣田的開(kāi)發(fā)經(jīng)營(yíng)效益。高產(chǎn)液井井筒的腐蝕與油井腐蝕不同，影響因素也有很大差異，要將天然氣水合物、流型、流體組成、井底積液段和非積液段的腐蝕因素一并加以考慮[6-8]。目前，高產(chǎn)液井井筒腐蝕模擬裝置的研究仍處于起步階段，迫切需要對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理、總結(jié)和總結(jié)，從而為同一領(lǐng)域的研究人員提供參考。

1 氣液兩相井筒的腐蝕、結(jié)垢研究

1.1 井筒腐蝕類(lèi)型

1.1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕會(huì)逐漸降低金屬材料的厚度，其表面各部位的腐蝕速率基本相同。水解和腐蝕會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生薄層剝落，最終導(dǎo)致材料的機(jī)械性能退化和結(jié)構(gòu)功能損傷。在石油天然氣生產(chǎn)中，均勻腐蝕傾向于減小套筒壁和管道壁的整體厚度，與局部腐蝕相比，均勻腐蝕造成的危害較小[9]。

1.1.2 局部腐蝕

局部腐蝕會(huì)使金屬材料表面的局部區(qū)域受到強(qiáng)烈侵蝕，其他區(qū)域受到的腐蝕強(qiáng)度則較低。雖然局部腐蝕的材料質(zhì)量損失率不高，但更容易造成材料的功能性損壞，破壞程度是均勻腐蝕的10~100倍[10-12]。

圖1 金屬材料的腐蝕類(lèi)型

1.2 氣井井筒腐蝕、結(jié)垢機(jī)理的影響因素

1.2.1 CO2、H2S、細(xì)菌、O2對(duì)氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕

酸性氣體CO2、H2S在碳?xì)浠衔铮ㄈ缭停┲械娜芙舛容^高。干的H2S本身沒(méi)有腐蝕性，但溶解在水中的氫離子會(huì)使溶液呈酸性，是一種強(qiáng)去極化劑，會(huì)在陰極捕獲電子，促進(jìn)陽(yáng)極反應(yīng)，使得金屬材料表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，生成硫化鐵腐蝕產(chǎn)品，使得石油管道和其他鋼部件發(fā)生腐蝕損壞[13-15]。在氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中，細(xì)菌會(huì)參與金屬的腐蝕過(guò)程，鐵細(xì)菌、黏液形成菌、硫酸鹽還原菌等是最具代表性的細(xì)菌[16]。在氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)過(guò)程不連續(xù)，井管設(shè)備的密封不嚴(yán)格，氧侵入后會(huì)造成嚴(yán)重的金屬腐蝕[17]。

1.2.2 井底積液

井筒積液是導(dǎo)致氣井開(kāi)發(fā)減產(chǎn)停產(chǎn)的主要原因之一。井底積液主要來(lái)源于氣態(tài)烴的凝析，以及地層儲(chǔ)存層的地層水或?qū)娱g水的滲流。在正常的生產(chǎn)過(guò)程中，氣井中的液體通常以液滴的形式分布在氣相中，并由氣體攜帶到地面。當(dāng)井內(nèi)液體因氣相提供的能量不足而無(wú)法上升到井口時(shí)，井內(nèi)液滴會(huì)在井底不斷積累而形成積液，從而增加氣層的回壓[18-19]。在高壓井中，液體以段塞流的形式存在，會(huì)損失更多的地層能量，限制氣井的生產(chǎn)能力，甚至?xí)诘蛪壕畠?nèi)造成井水淹關(guān)井。泡沫排水采氣工藝是為開(kāi)發(fā)產(chǎn)水氣田而研究的助采技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于出水氣井中[20-21]。

1.2.3 不同類(lèi)型的流體

垂直氣井中的流體，主要有氣液混合物的兩相流和純氣相的單相流。氣藏條件和注水開(kāi)發(fā)模式使得大多數(shù)氣井在生產(chǎn)過(guò)程中或多或少都會(huì)產(chǎn)生一些液體。在生產(chǎn)后期，氣田的產(chǎn)水量也會(huì)隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加。因此，與單相流相比，氣井內(nèi)的流體處于氣液兩相流動(dòng)的狀態(tài)更為普遍，也呈現(xiàn)出獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[22]。目前還沒(méi)有描述水平井兩相流動(dòng)的統(tǒng)一流型圖，只能分別用水平管、傾斜管和垂直管3個(gè)流型圖進(jìn)行分段處理。如圖2所示，每個(gè)流型圖的實(shí)驗(yàn)條件差異很大[23-24]。在氣液兩相流動(dòng)中存在4種流態(tài)：泡狀流、段塞流、攪拌流、環(huán)霧流，其中段塞流和泡狀流被認(rèn)為是對(duì)井筒內(nèi)部壓力梯度影響較大的2種流態(tài)。[25-26]。

圖2 垂直井筒流型分類(lèi)

1.2.4 氣井中的天然氣水合物

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下，天然氣中的飽和水和天然氣中的某些成分如甲烷、乙烷和二氧化碳等，形成的類(lèi)似冰的白色籠狀結(jié)晶化合物[27-28]。在天然氣的開(kāi)采和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，天然氣水合物常會(huì)造成井筒、管道、閥門(mén)等發(fā)生堵塞，損壞設(shè)備，導(dǎo)致氣井減產(chǎn)[29]。防止形成天然氣水合物的方法主要有脫水、壓力、加熱、機(jī)械方法、化學(xué)方法等。目前最有效的方法是添加化學(xué)抑制劑，從而在天然氣水合物形成時(shí)將其溶解[30-31]。

1.3 氣井井筒腐蝕的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究者普遍認(rèn)為，導(dǎo)致管柱腐蝕的主要因素是O2、CO2、H2S、SRB、鐵細(xì)菌等[32]。1943年，Texas油氣田井下管柱的失效被確認(rèn)為二氧化碳腐蝕，此后對(duì)油管腐蝕破壞程度的研究發(fā)展得相對(duì)緩慢。1970年左右，歐盟國(guó)家開(kāi)始重視二氧化碳腐蝕的研究，并進(jìn)行了深入討論。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)腐蝕有著相對(duì)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)：流體速度和產(chǎn)品薄膜是影響井筒破壞程度和形態(tài)的關(guān)鍵原因；井筒內(nèi)壁的腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物膜的密度，主要受到井筒溫度的影響[33-35]。

1990 年左右，多相流腐蝕與酸性氣體耦合作用下的腐蝕機(jī)制成為學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)。多相流腐蝕的研究主要集中在流速和流型的影響上。在討論腐蝕機(jī)理和影響因素的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究管道防腐，主要是開(kāi)發(fā)緩蝕劑和耐腐蝕材料。緩蝕劑的開(kāi)發(fā)在均勻腐蝕方面取得了顯著成果，但局部腐蝕緩蝕劑的研究和開(kāi)發(fā)仍然很少[36]。13Cr馬氏體不銹鋼是國(guó)內(nèi)外高溫高壓氣井應(yīng)用最廣泛的管柱材料之一，近年來(lái)也出現(xiàn)了17Cr不銹鋼，但對(duì)其耐腐蝕性的研究不夠深入，特別是缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井的性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)[37]。

在氣井生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，井管腐蝕失效的主要表現(xiàn)，有材料腐蝕穿孔、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、管柱接頭間隙腐蝕密封失效等。腐蝕監(jiān)測(cè)、腐蝕速率預(yù)測(cè)及有效預(yù)測(cè)管道壽命，是管道腐蝕研究的重點(diǎn)，但目前的研究存在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)評(píng)價(jià)不足、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用長(zhǎng)期服務(wù)數(shù)據(jù)不足等問(wèn)題[38-39]。

2 井筒腐蝕、結(jié)垢的評(píng)價(jià)方法

2.1 常規(guī)的評(píng)價(jià)方法

目前的研究主要采用軟件預(yù)測(cè)、掛片失重法、電化學(xué)評(píng)價(jià)法等傳統(tǒng)的腐蝕速率測(cè)定方法。一些全尺寸腐蝕模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，主要是基于中間量的間接評(píng)價(jià)方法，不能反映真正的氣井腐蝕規(guī)律。例如，現(xiàn)有的高溫高壓腐蝕試驗(yàn)裝置是在封閉的高溫高壓反應(yīng)器中，通過(guò)攪拌槳的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)懸掛片和腐蝕介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而模擬實(shí)際管道中流體的流動(dòng)[40]，但在某些腐蝕介質(zhì)與管道的接觸不完全、存在積液的氣井中，整個(gè)井筒的不同部位與輸出流體的接觸方式存在不同，而常規(guī)的高溫高壓腐蝕試驗(yàn)裝置則未能考慮這種情況[41-42]。目前常規(guī)的腐蝕評(píng)價(jià)方法有2種[43]，即失重法和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)法。

1）失重法以樣品在腐蝕前后的質(zhì)量損失側(cè)面表示腐蝕率，是最有效、最基本的定量評(píng)價(jià)方法。該方法的關(guān)鍵操作之一，是要在不損壞基質(zhì)金屬的情況下，徹底清除表面的腐蝕產(chǎn)物。

2）電化學(xué)實(shí)驗(yàn)法的原理，是金屬材料與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，界面上會(huì)有自由電子參與廣義的氧化還原反應(yīng)，使得接觸面上的金屬溶解為簡(jiǎn)單的離子和絡(luò)離子，或生成氫氧化物、氧化物等穩(wěn)定化合物。這是一個(gè)以金屬為陽(yáng)極腐蝕原電池的過(guò)程。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法可通過(guò)電流密度計(jì)算金屬的腐蝕率[44]。

2.2 氣井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置的研究進(jìn)展

近年來(lái)，學(xué)界對(duì)氣井井筒腐蝕和結(jié)垢模擬裝置開(kāi)展了部分研究。劉慧等人[45]發(fā)明了一種測(cè)試裝置和方法，用以模擬氣液兩相流態(tài)，測(cè)試井筒的腐蝕速率，裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。測(cè)試裝置包括垂直設(shè)置的發(fā)泡管、內(nèi)腔（容納待測(cè)液體和刮片試件）、氣體供應(yīng)管（向發(fā)泡管提供氣體）、回流管（將從發(fā)泡管排出的流體排出回發(fā)泡管）等。本測(cè)試裝置可以模擬在氣液兩相流態(tài)條件下，以及井內(nèi)積水的濕氣和氣液兩相泡沫流態(tài)條件下管道積水的腐蝕過(guò)程，測(cè)試磨蝕速率，也可用于緩蝕劑的篩選和評(píng)價(jià)。

圖3 模擬氣液兩相流態(tài)以測(cè)試井筒腐蝕速率的裝置結(jié)構(gòu)圖

劉慧等人[46]還發(fā)明了一種涉及井筒結(jié)垢、模擬裝置和模擬方法的氣井結(jié)垢模擬裝置，包括氣體儲(chǔ)存裝置、液體儲(chǔ)存裝置、將模擬氣體與模擬液體混合得到實(shí)驗(yàn)流體的氣液混合器和結(jié)垢模擬管，并將不少于2根結(jié)垢模擬管串聯(lián)起來(lái)以模擬井筒[47]，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 氣井井筒結(jié)垢、模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

郭剛等人[48]開(kāi)發(fā)的油氣井管腐蝕模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)見(jiàn)圖5，包括油套管評(píng)價(jià)模塊、腐蝕懸掛模塊、結(jié)垢評(píng)價(jià)模塊、電化學(xué)腐蝕探針模塊和雙層循環(huán)管道等。雙層循環(huán)管與各模塊相連；油套管評(píng)價(jià)模塊可用來(lái)模擬油套管和油套管內(nèi)涂層的流體沖刷；腐蝕懸掛模塊可以模擬流體動(dòng)態(tài)沖刷腐蝕；結(jié)垢評(píng)價(jià)模塊可用于油套管結(jié)垢模擬；電化學(xué)腐蝕探針模塊可模擬油套管的電化學(xué)腐蝕。該裝置考慮了流體流速、壓力、溫度等腐蝕結(jié)垢因素，可用于油氣井腐蝕速率試驗(yàn)、防腐措施效果評(píng)價(jià)、緩蝕劑和阻垢劑優(yōu)化、不配伍流體結(jié)垢研究等，從而為油氣井的防腐結(jié)垢工作提供有效的評(píng)價(jià)手段[49]。

圖5 一種油氣井井筒腐蝕模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

胡德高等人[50]公開(kāi)了頁(yè)巖氣井井筒動(dòng)態(tài)腐蝕速率的模擬測(cè)量裝置和方法，包括注液機(jī)構(gòu)、注氣機(jī)構(gòu)、氣液分離機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)等，裝置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6。注液機(jī)構(gòu)和注氣機(jī)構(gòu)分別與測(cè)量機(jī)構(gòu)的進(jìn)口相連，測(cè)量機(jī)構(gòu)的出口與氣液分離機(jī)構(gòu)的進(jìn)口相連，氣液分離機(jī)構(gòu)的出口和排氣口與注液機(jī)構(gòu)和注氣機(jī)構(gòu)相連。這一模擬測(cè)量裝置可以更真實(shí)地模擬頁(yè)巖氣井筒不同部位的腐蝕。

圖6 頁(yè)巖氣井井筒動(dòng)態(tài)腐蝕速率模擬測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法相比，上述全尺寸腐蝕模擬評(píng)價(jià)裝置考慮了流體流量、溫度和壓力的變化對(duì)腐蝕速率的影響，增加了具有多種功能的模塊，可以在宏觀上模擬整個(gè)氣井的內(nèi)部環(huán)境，真實(shí)有效地模擬氣井的腐蝕，為氣井的腐蝕和防垢提供了有效的評(píng)價(jià)方法。但各評(píng)價(jià)裝置整體的自動(dòng)化程度不高，數(shù)據(jù)集成化和實(shí)時(shí)性較低，異常檢測(cè)數(shù)據(jù)未能得到及時(shí)、自動(dòng)處理，設(shè)備不能連續(xù)運(yùn)行，各模塊功能相對(duì)獨(dú)立，因而不能保證實(shí)驗(yàn)條件的真實(shí)性和有效性。

2.3 高產(chǎn)液氣井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)上述不足，研究者設(shè)計(jì)了高產(chǎn)液井井筒腐蝕、結(jié)垢模擬裝置。考慮到井筒在地層內(nèi)的環(huán)境，裝置采集到相關(guān)數(shù)據(jù)后可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由總控制器進(jìn)行記錄和處理。輸出信號(hào)可用于控制空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。此外，總控制器還可以擴(kuò)展外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集成顯示器上的人機(jī)交互，記錄壓力和溫度實(shí)時(shí)變化曲線，監(jiān)控設(shè)備的異常數(shù)據(jù)和報(bào)警維護(hù)?？偪刂破骺梢苑答佅嚓P(guān)數(shù)據(jù)，以確保長(zhǎng)期有效的模擬實(shí)驗(yàn)，還可以通過(guò)WiFi連接藍(lán)牙等智能終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制，有效減少實(shí)驗(yàn)人員的工作量。

3 結(jié)論

1）隨著油氣田開(kāi)采環(huán)境的惡化，氣井腐蝕問(wèn)題引起了極大的關(guān)注。除了CO2、H2S等酸性氣體溶解電離而導(dǎo)致的金屬材料腐蝕，氣井井筒的腐蝕還需要考慮天然氣水合物的形成、井底積液段與不積液段、井流類(lèi)型等影響因素，相關(guān)研究目前還處于起步階段，迫切需要對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理和總結(jié)，從而為該領(lǐng)域的研究人員提供參考。

2）目前常規(guī)的腐蝕評(píng)價(jià)方法，多采用軟件預(yù)測(cè)、掛片失重法、電化學(xué)評(píng)價(jià)法等腐蝕速率測(cè)定法。近年來(lái)，一些基于全尺寸的腐蝕和結(jié)垢模擬裝置相續(xù)出現(xiàn)，但這些全尺寸的腐蝕模擬評(píng)價(jià)裝置主要采用基于中間量的間接評(píng)價(jià)方法。裝置的模塊化設(shè)計(jì)易導(dǎo)致實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程的不連續(xù)性，不能真正反映實(shí)際操作中的氣井腐蝕規(guī)律，與實(shí)際生產(chǎn)的誤差較大。

3）基于全尺寸的腐蝕模擬裝置，由于集成程度低且模塊獨(dú)立化，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)井內(nèi)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能有效保證實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)期有效性，為此新型模擬裝置做了優(yōu)化，未來(lái)全尺寸模擬裝置的集成智能是腐蝕模擬評(píng)價(jià)裝置的重要研究方向。