油套管腐蚀速率影响因素敏感性试验研究

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)①

本文采用室内试验的方法，模拟实际井下压力和流速环境，研究4大因素(含水率、温度、CO2分压、管柱材质)对管柱腐蚀速率影响的规律，并通过灰色关联度的数学方法，探究了各个因素的敏感性。研究结果可以为油套管选择提供依据，降低其发生腐蚀现象的可能性。

1 试验装置和方法

利用CRS高温高压动态腐蚀评价系统进行该试验研究，如图1所示。该系统可以调整环境压力和流速，以模拟实际的井下条件。以BZ-X1井为试验模拟井，井下压力为5 MPa，流速为0.5 m/s；试片的材质为N80钢片、3Cr钢片、13Cr钢片；采用的测量仪器为电子天平和游标卡尺，精度分别为0.000 1 g和0.02 mm。

试验步骤如下：

1) 根据BZ-X1井的水质分析数据，按成分配比配制模拟地层水。

图1 CRS高温高压动态腐蚀评价系统

2) 取BZ-X1井的沙河街油组油样，进行脱水后，按比例与配置的地层水混合，配成含水率为30 %和70 %的油水混合样。

3) 将腐蚀钢片用无水乙醇浸泡约5 min，取出钢片，用滤纸擦干，冷风吹干包好，放入干燥器中干燥30 min，称重(精确至0.000 1g)。

4) 安装腐蚀钢片到反应釜；打开预热釜，加入油水样500 mL，通入CO2除去釜中的氧气，按试验方案设置温度，打开冷却循环水，加热预热釜，并加压将预热釜中油水样打入反应釜中；加热反应釜，向反应釜内注入一定压力的CO2，并用氮气将总压补充至规定压力。控制转速为0.5 m/s(160 r/min)，动态腐蚀钢片24 h。

5) 试验结束后，取出钢片进行拍照。然后用水冲洗钢片表面沉积物，并用医用纱布擦干，放入无水乙醇中浸泡约5 min，取出用冷风吹干，放在干燥器内30 min后称量，计算腐蚀速率。

为了研究含水率、温度、CO2分压、管柱材质等因素对腐蚀速率的影响，流速和压力选为定值，试验分多组进行，试验的具体方案如表1所示。

表1 钢片腐蚀试验方案

2 试验结果分析

2.1 试验结果

各参数对腐蚀速率影响的试验结果如表2。由表2可以看出，随着金属含铬量的增加，腐蚀速率降低；随着含水率的增加，腐蚀速率加快；随着温度的升高，腐蚀速率升高；随着CO2分压的升高，腐蚀速率加快。而各因素的敏感性还需进一步研究。

表2 钢片腐蚀速率试验数据

2.2 灰色关联度分析方法分析流程

灰色关联度分析法是基于灰色关联度的概念，采用符合系统行为特征的方法，寻求系统中各子系统(因素)间的数值关系，对于系统发展态势提供了量化的度量。该方法已在数学、水文、经济、环境、农业、能源等多领域广泛应用，具体分析步骤如下[10-13]：

1) 确定分析序列。确定反映系统行为特征的参考序列 和影响系统行为的比较序列。参考序列是反映系统行为特征的数据序列，又称母序列，比较序列为影响系统行为的因素组成的数据序列，又称子序列。

Y={Y(k)1k=1,2,Λ,n}

(2)

Xi={Xi(k)|k=1,2,Λ,n},i=1,2,Λ,m

(3)

2) 数据无量纲化处理。由于系统中各因素量纲不同，因此在比较时，首先对数据进行无量纲化处理。

3) 计算灰色关联度系数。首先分别求出差序列Δi、两级最小差和最大差；然后求关联度系数ξi(k)。

Δi=|y(k)-xi(k)|

(4)

(5)

(6)

(7)

4) 灰色关联度计算。对n个关联度系数求算术平均值，即得灰色关联度ri。

(8)

5) 关联度排序。计算得到不同系统因素对应的关联度后，按照关联度大小进行排序，并称ri为参考序列Y(k)与比较序列xi(k)的关联度。

2.3 筛管冲蚀影响因素关联度分析

按照以上方法流程，选出参考序列(腐蚀速率)和比较序列(CO2分压、温度、含水率、铬含量)，各个序列的值如表3所示。注意各个序列单位不同，因此需要进行无量纲处理以消除单位对各个数值的影响。

利用均值化的处理方法，对表3中的数据进行无量纲化处理。计算得到两级最小差和最大差分别为0.01和3.20；按式(7)计算各试验因素的关联度系数，如表4所示。

表3 筛管冲蚀影响因素指标分析序列

表4 相关系数计算结果

计算各个因素的关联度和密切关联度系数，结果如表5所示。根据关联度的大小进行排序，得到了各个因素对腐蚀速率的敏感性，敏感度排序为：温度>含水率>CO2分压>铬含量。因此，在深度较深或者地层稳定梯度较高的井，一定要首先考虑管材的腐蚀；在油田前期设计管柱材料时，要对全生命周期内的含水率进行综合考虑，以最大含水率条件为极限腐蚀情况。具体的防腐蚀措施包括：改变管柱材质，如使用高含铬量的管材，但这种措施往往会增大投资；定期向井下加入防腐蚀剂，抑制井下管柱发生化学腐蚀；对于高含水的油层，考虑使用AICD、ICD、连续封隔体等控水措施，控制生产后期的含水率，防止由于含水率的快速增长造成的腐蚀加剧。

表5 成因灰色关联度计算结果和分析

3 结论

1) 利用室内试验，研究了含铬量、含水率、温度和CO2分压4个因素对腐蚀速率的影响：随着金属含铬量的增加，腐蚀速率降低；随着含水率的增加，腐蚀速率加快；随着温度的升高，腐蚀速率升高；随着二氧化碳分压的升高，腐蚀速率加快。

2) 利用灰色关联度的数学方法，研究了各个因素对腐蚀速率影响敏感性，敏感度排序为：温度>含水率>CO2分压>铬含量。

3) 根据敏感性分析结果，在深度较深或者地层稳定梯度较高的井，首先考虑管材的腐蚀；而在油田前期设计管柱材料时，要对全生命周期内的含水率进行综合考虑，以最大含水率条件为极限腐蚀情况。