含CO2天然气井筒腐蚀速率评价方法研究及应用*

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430000)

气井生产中的腐蚀问题严重影响了油气田的安全和经济效益，在含CO2和H2S的酸性天然气中，腐蚀造成的损失尤为突出。井筒腐蚀速率以及缓蚀剂的性能评价对气井的腐蚀防护非常关键，常规评价装置虽然考虑了高温、高压条件下地层流体对井筒造成的腐蚀，但无法模拟气体流动对井筒腐蚀的影响。此外，挂片和腐蚀介质的接触方式对腐蚀速率也有影响。为了模拟气井在实际过程中的腐蚀环境，设计了一种能够模拟气体流动过程的高温、高压动态腐蚀评价装置。该装置可以控制反应釜中挂片与试验介质的接触方式，使挂片在试验介质中的位置处于完全浸没、半浸没和未浸没状态，同时在反应釜中可以实现气体循环，以达到模拟气井生产过程中井底存在积液时井筒不同部位的腐蚀情况。针对某区块气井的生产情况，利用该评价装置，通过质量损失法对不同温度和CO2分压下N80和P110钢在地层水中的腐蚀速率进行研究，形成了一种新的气井CO2腐蚀评价方法。应用该方法对现有几种缓蚀剂进行了评价，为含CO2天然气田生产装备的腐蚀与防护提供了试验依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验仪器和材料

设计了SA-Ⅰ型高温高压动态腐蚀仪，其反应釜基体材料采用耐CO2腐蚀的316L不锈钢，最大操作压力35 MPa，最高操作温度100 ℃。反应釜内部结构示意如图1所示。动态腐蚀仪配有精度为0.1 mg的电子天平和精度为0.02 mm的游标卡尺。试验所采用的化学试剂包括沸点60～90 ℃的石油醚、无水乙醇、纯度99.999%的高纯CO2气体、用来配制挂片清洗液的六亚甲基四胺和质量分数为36%～38%的浓盐酸。试样为P110和N80钢挂片，与现场气井油套管材质相同。

图1 反应釜结构示意

1.2 试验条件

试验所用的流体为地层水和天然气，根据井口取样分析结果模拟复配。其中地层水矿化度为67 611.36 mg/L，pH值为7.12，天然气中CO2体积分数为0.28%。试验温度和压力如表1所示。试验周期为48 h,气体循环速度为3 mL/min。

表1 试验温度和压力

1.3 试验步骤和流程

每种钢材做两个平行挂片试样，用聚四氟材料将平行试样隔开，保证试片之间以及试片和反应釜之间不接触。腐蚀试验后，采用质量损失法测算腐蚀速率。试验流程示意如图2所示。

图2 试验流程示意

1.3.1 挂片准备

用游标卡尺测量挂片的尺寸，重复3次取平均值后进行挂片面积计算。先将挂片用滤纸擦净，然后放入盛有沸程为60～90 ℃石油醚的器皿中，用脱脂棉球除去挂片表面油脂，再放入无水乙醇中浸泡5 min，进一步脱脂和脱水。取出挂片放在滤纸上，用冷风吹干后再用滤纸将挂片包好，置于干燥器中，放置1 h后称质量，精确至1 mg。

1.3.2 腐蚀试验

在反应釜中加入350 mL地层水，然后将安装有挂片的转子放入反应釜中，调整反应釜至试验温度，调整转子转速至200 r/min。

1.3.3 气体循环

打开抽真空阀门和真空泵，将反应釜抽真空30 min后,关闭抽真空装置。打开下部进样阀门，在试验压力下，通过恒速恒压泵循环充入按CO2分压配制的气体，以模拟生产气井中气体流动，气体循环速度为3 mL/min。

1.3.4 腐蚀速率与缓蚀率计算

当试验进行48 h(试验周期)时停止转动，关闭加热开关，冷却至室温，取出挂片用清洗液清洗后称质量。按式(1)计算腐蚀速率，按式(2)计算缓蚀率。

(1)

(2)

式中：rc为均匀腐蚀速率，mm/a；m和m1分别是试验前后的试片质量，g；S是挂片的总表面积，cm2；ρ是挂片的密度，g/cm3；t为反应时间，h；η1为缓蚀率，%；Δm0为空白试验中试片的质量损失，g；Δm1为加药试验中试片的质量损失，g。

2 试验结果和讨论

2.1 腐蚀速率评价

根据腐蚀介质和挂片的接触方式，将挂片在反应釜内部的腐蚀环境分为未浸没状态、半浸没状态和全浸没状态。不同腐蚀环境下P110和N80挂片的腐蚀速率曲线如图3和图4所示。

图3 P110挂片的腐蚀速率

图4 N80挂片的腐蚀速率

由图3和图4可以看出，随着CO2分压的增加，不同腐蚀环境下P110和N80钢的腐蚀速率均增加。这是由于CO2的分压影响了溶液的pH值，随着CO2分压的增大，溶液pH值下降，溶液中H+浓度增加，阳极腐蚀加剧。此外，腐蚀介质和挂片的接触方式对腐蚀速率产生了显著影响:进气速度一定时，相同的温度和压力条件下，全浸没的挂片腐蚀速率大于半浸没挂片的腐蚀速率，处于未浸没状态的挂片腐蚀速率最小。通过对比相同环境下P110和N80钢的腐蚀速率可以发现,P110钢的腐蚀速率要大于N80钢，即N80钢的耐蚀性要优于P110钢。

在28.05 MPa和89.54 ℃条件下，不同腐蚀环境下挂片未清洗时的腐蚀形貌如图5所示。由图5可以看出，腐蚀前的挂片呈银白色，有金属光泽；在不同腐蚀环境下，腐蚀后的挂片表现出不同的腐蚀形态:未浸没的挂片产生了明显的点蚀和坑蚀现象，而处于半浸没状态的挂片具有点蚀和均匀腐蚀的双重特征，处于全浸没状态的挂片则表现为均匀腐蚀。未浸没的挂片没有和腐蚀介质接触，属于蒸汽腐蚀[12]。相关研究指出，蒸汽腐蚀环境与溶液中钢表面产生的腐蚀产物相同，但是其含量不同[13]，这就导致了未浸没挂片腐蚀形态的差异。

图5 不同腐蚀环境下挂片腐蚀形貌

2.2 缓蚀剂评价

气井生产中，缓蚀剂一般从油套环空中直接投入井底，因此缓蚀剂工作的温度和压力条件都接近原始地层温度和压力。几种缓蚀剂的缓蚀率如图6和图7所示。由图6和图7可以看出，不同缓蚀剂对处于不同位置的挂片缓蚀效果不同。缓蚀剂对处于未浸没位置的挂片的缓蚀效果要弱于部分浸没和完全浸没的挂片的缓蚀效果，对完全浸没的挂片缓蚀效果最好。这是由于处于未浸没和部分浸没位置的挂片没有和地层水直接接触，导致缓蚀剂无法充分吸附在挂片表面上，少量的缓蚀剂分子只能依靠水蒸气携带到上部和未浸没的挂片表面接触，因此影响了缓蚀效果。

图6 几种缓蚀剂对P110钢的缓蚀率

图7 几种缓蚀剂对N80钢的缓蚀率

3 结 论

(1)针对现有高温、高压腐蚀速率评价装置的不足，根据气井生产环境特点，设计了一套新型的、安全可靠的CO2腐蚀速率评价装置，形成一种新的CO2腐蚀速率评价方法。

(2)随着温度和压力的升高，CO2分压逐渐增大，P110和N80钢在模拟地层水和天然气环境下的腐蚀速率均增大，且相同条件下，P110钢的腐蚀速率要大于N80钢的腐蚀速率。

(3)挂片和模拟地层水的接触程度会影响挂片的腐蚀速率。主要表现为：未被地层水浸没的挂片腐蚀以点蚀为主，处于半浸没位置和全浸没的挂片未产生点蚀，只产生了均匀腐蚀；全浸没的挂片腐蚀速率要大于半浸没挂片的腐蚀速率，未浸没的挂片腐蚀速率最小。这说明,气井井筒积液的高度会影响不同部位的腐蚀程度。

(4)利用高温、高压动态腐蚀速率评价装置开展了9种缓蚀剂评价及优选试验。不同腐蚀环境下，缓蚀剂的缓蚀率有差异，此外，评价的9种缓蚀剂中，缓蚀剂A和E的缓蚀效果最好，缓蚀率均超过了80%。