红河油田注空气驱井筒管材腐蚀规律研究*

刘学全

(中国石油化工股份有限公司华北油气分公司石油工程技术研究院，河南 郑州 450006)

鄂尔多斯盆地红河油田油气藏储量丰富，主要聚集层位为延长组长8储层，平均孔隙度10.8%，平均渗透率0.4×10-3μm2。自2010年采用水平井开发以来随着油田的不断开采，油田出现地层能量不足、产量递减快的严峻问题。由于储层具有低孔、低渗和非均质性强的特点，常规注水技术难以驱动有效储量[1]，而空气来源广、成本廉价，所以注空气技术受到越来越多的重视。研究指出，注空气开采轻质油油藏是一项富有创造性的提高采收率新技术[2]，尽管注空气驱油技术已经在国内油田应用，且驱油效果显著，但是注空气过程中油套管及井下工具长期处于高压富氧、高温潮湿或有水的腐蚀环境中，易遭受严重的腐蚀破坏，也制约着注空气驱油技术的大规模应用，有必要进行管材的氧腐蚀试验研究，开展注空气过程的防腐工作[3]。

1 试验条件

1.1 试验材质

现场调研表明，主要的注入井筒材料为J55和N80，因此主要分析研究这两种材料在不同工况下的腐蚀特征和规律。

1.2 试验温度

鄂尔多斯盆地红河油田长8储层的温度为60～70 ℃，测试井口处、油管鞋处、A靶点处和地层处四种温度下钢材腐蚀速率与温度关系，明确温度对钢材的腐蚀影响。

1.3 试验压力

以初始注入压力和稳定注入压力作为试验工况，测试四种压力下钢材腐蚀速率，明确注入压力对钢材的腐蚀影响。

1.4 氧气含量

对于注入井来说，氧气含量是影响注入井筒腐蚀的主要因素，测量不同氧含量下钢材的腐蚀速率，分析氧含量对材料的腐蚀速率的影响。

1.5 试验介质

根据油田地层水水样分析结果，选用分析纯 NaCl,KCl,NaHCO3,CaCl2和MgCl2·6H2O 配制模拟地层水。

2 试验装置及方法

2.1 试验装置

试验装置采用EPF微型磁力搅拌高压反应釜，如图1所示。该装置最高试验温度为200 ℃，最大耐压6 MPa，最大转速1 500 r/min。试验用的其他仪器包括数显干燥箱(0～300 ℃)，电子分析天平(0～200 g，精度 0.1 mg)，游标卡尺(精度 0.01 mm)，抽真空封口机和超声波清洗机等。

图1 微型磁力搅拌高压釜

2.2 试验气体及其他药品

试验所用气体为高纯氮气(体积分数超过99.999%)和高纯氧气(体积分数超过99.995%)，高纯氧气为试验用腐蚀性气体，高纯氮气用来去除试验管路、反应仪器以及腐蚀介质中的氧气。

试验所用药剂主要包括：氯化钠(质量分数超过99.5%)、无水乙醇(质量分数超过99.7%)、有机酸(质量分数36%～38%)和六次甲基四胺(质量分数超过99.0%)等。

2.3 试验方法及步骤

2.3.1 腐蚀试验的步骤

(1)将挂片试件依次缓慢放入釜内，记录编号，期间应避免有气泡附着在挂片表面，以免影响试验结果。

(2)向反应釜内倒入刚除气完毕的定量溶液，液面最高不得超过反应釜容积的四分之三，将釜体安装至夹具上，安装好釜盖。

(3)将气瓶用管线接入釜盖上的两个进气接头，并确保阀门均处于关闭状态。对试验管线、反应釜进行除氧。将高纯氮气气瓶入气阀门和放气阀门同时打开，缓慢通入高纯氮气 30 min除去试验管线及反应釜内空气(主要是氧气)，然后关闭该阀门，此时可大致认为反应釜内氧分压为0。然后打开高纯氧气气瓶的入气阀门，缓慢通气半分钟除去反应釜中的氮气，之后关闭所有阀门。

(4)调节控温装置至试验温度，待温度稳定后打开高纯氧气气瓶的入气阀门，待反应釜内氧气压力达到试验氧分压后关闭所有阀门。开启转速调节开关，从最小转速缓慢调至试验所需转速，试验正式开始，记录试验开始时间。

2.3.2 腐蚀速率的计算方法

挂片质量损失法是研究材料平均腐蚀速率应用最广泛的方法[4]，也是研究平均腐蚀速率最有效的方法之一。该方法的基本原理是将所研究的金属制作成规则的试样，测定其几何尺寸、质量，将其置于相应的腐蚀介质中，试验结束后，测定试验后试样质量，按式(1)计算平均腐蚀速率。

(1)

式中：Rcorr为腐蚀速率，mm/a；m0为试样原始质量，g；mt为试样试验后质量，g；A为试样总表面积，cm2；ρ为试样材质密度，g/cm3;t为测试时间，h。

3 结果和讨论

3.1 氧含量对腐蚀的影响

表1和表2是J55和N80两种钢材在不同氧含量下，总压30 MPa、温度65 ℃且干燥条件下的试样质量损失试验数据。

表1 不同氧含量下N80钢腐蚀速率测量结果

表2 不同氧含量下J55钢腐蚀速率测量结果

由表1和表2可以看出，两种材料腐蚀速率随氧含量升高而逐渐增加，其中N80油管平均腐蚀速率最大，但是也仅为0.025 82 mm/a。

3.2 温度和压力对腐蚀的影响评价

表3至表6是N80和J55两种钢材在不同温度、不同压力且干燥条件下的腐蚀试验数据。

表3 不同温度下N80钢腐蚀速率测量结果(干燥，30 MPa)

表4 不同温度下J55钢腐蚀速率测量结果(干燥，30 MPa)

表5 不同压力下N80钢腐蚀速率测量结果(干燥，65 ℃)

表6 不同压力下J55钢腐蚀速率测量结果(干燥，65 ℃)

由表3至表6可以看出，两种材料均匀腐蚀速率随温度和压力的升高而逐渐增加，基本呈线性关系，温度对J55腐蚀速率的影响要大于N80。

3.3 空气湿度对腐蚀的影响评价

表7是N80和J55两种钢材在含氧5%(体积分数)，总压30 MPa、温度为65 ℃下的腐蚀试验数据。

表7 平均腐蚀速率 mm/a

由表7可以看出，两种材料平均腐蚀速率随空气湿度的升高而逐渐增加，在试验条件(O2体积分数为5%,65 ℃，30 MPa)下，空气湿度无论是50%或100%，平均腐蚀速率均远小于0.2 mm/a。

4 结 论

(1)J55和N80两种钢材平均腐蚀速率随氧含量升高而逐渐增加，其中N80油管平均腐蚀速率较大。

(2)两种材料平均腐蚀速率随温度和压力的升高而逐渐增加，基本呈线性关系，温度对J55腐蚀速率的影响要大于N80。

(3)两种材料平均腐蚀速率随空气湿度的升高而逐渐增加，在试验条件(O2体积分数为5%,65 ℃，30 MPa)下，空气湿度无论是50%或100%，平均腐蚀速率均远小于0.2 mm/a。