陕北某含硫油田油管腐蚀结垢机理及防护措施

王海洲 周 雪 刘 洋 杏福音

延长油田股份有限公司志丹采油厂, 陕西 延安 717500

0 前言

陕北某含硫油田已进入中高含水期,由于其延8层位采出水pH高、硫化物含量高,导致井筒腐蚀结垢加剧,油井因油管腐蚀结垢发生的维护性作业频次逐年升高[1]。为解决该问题,本文选取腐蚀结垢严重的Y-1井和Y-2井,在井底筛管处悬挂与油管材质相同的J55碳钢挂片,进行现场腐蚀监测。在分析Y-1井和Y-2井的采出水水质、腐蚀结垢产物组成、腐蚀产物膜微观结垢及元素组分等的基础上,研究该油田腐蚀结垢机理,并提出了投加高效缓蚀阻垢剂的防护措施,为解决陕北某含硫油田油管腐蚀结垢防护问题提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要试剂:丙酮、无水乙醇、盐酸、乌洛托品,均为分析纯。缓蚀阻垢剂:HZ-1、HZ-2、HZ-3,主要组分为有机磷酸盐,均为工业品。

主要仪器:Bruker D8 X-射线衍射仪分析,FEI Quanta 600 F扫描电镜,OXFORD INCA energy 350能谱仪,OLYMPUS DSX500光学数码显微镜。

1.2 实验方法

1.2.1 水质分析方法

依据SY/T 5523—2016《油气田水质分析方法》对陕北某含硫油田Y-1井和Y-2井的采出水进行水质分析。

1.2.2 油管腐蚀速率现场监测方法

为研究陕北某含硫油田延8层位井筒腐蚀情况,采用失重法测量油管腐蚀速率。修井时，将与油管材质相同的J55碳钢挂片(50 mm×25 mm×2 mm)悬挂在油管底部筛管处,下次修井时将挂片取出,J55碳钢挂片化学成分见表1。

表1 J55碳钢的化学成分表

去除腐蚀产物膜,干燥称重,按照式(1)计算平均腐蚀速率。

(1)

式中:rcorr为平均腐蚀速率,mm/a;m为实验前试片质量,g;mt为实验后试片质量,g;S为试片总面积,cm2;ρ为试片材料密度,g/cm3;t为实验时间,h。

1.2.3 油管腐蚀结垢机理研究方法

1.2.3.1 腐蚀结垢产物组成分析方法

为了分析陕北某含硫油田延8层位油管腐蚀结垢原因,采集Y-1井和Y-2井筛管处的腐蚀结垢产物,通过化学容量法和X-射线衍射法对腐蚀结垢产物的组成进行分析。

1.2.3.2 腐蚀挂片表面微观形貌及元素组分分析方法

为进一步分析产生腐蚀的原因,采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)和能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)对腐蚀监测挂片进行表面腐蚀产物膜的微观形貌和化学成分分析。

1.2.3.3 腐蚀深度测量方法

为了评价陕北某含硫油田延8层位井筒腐蚀深度,使用OLYMPUS DSX500光学数码显微镜测量去除腐蚀产物膜后的腐蚀监测挂片表面腐蚀深度。

1.2.4 油管腐蚀防护措施研究方法

依据SY/T 5273—2014《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》,采用静态失重法对HZ-1、HZ-2、HZ-3缓蚀阻垢剂的缓蚀性能进行评价。缓蚀性能评价试验结束后,测定采出水中Ca2+含量,并计算阻垢率[2-5]。

2 结果与讨论

2.1 采出水水质组成分析结果

表2 Y-1井和Y-2井采出水水质分析结果表

2.2 油管腐蚀速率测定结果

Y-1井井底温度为77 ℃,腐蚀时间为245 d;Y-2井井底温度为75 ℃,腐蚀时间为171 d。现场油管腐蚀速率测定结果见图1。由图1可看出,Y-1井和Y-2井的平均腐蚀速率分别为1.023 2 mm/a和1.243 1 mm/a,远远超过SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》中推荐的平均腐蚀速率(≤0.076 mm/a)。

图1 油管腐蚀速率测定结果图

2.3 油管腐蚀结垢机理研究

2.3.1 腐蚀结垢产物组成分析结果

Y-1井和Y-2井筛管表面腐蚀结垢产物X-射线衍射分析结果见图2。

图2 腐蚀结垢产物的XRD分析结果图

2.3.2 腐蚀产物膜微观形貌及化学成分分析结果

Y-1井和Y-2井腐蚀监测J55碳钢挂片表面腐蚀产物膜微观形貌见图3,腐蚀产物膜化学成分分析见图4。

a)Y-1井

a)Y-1井

由图3可看出,Y-1井腐蚀后J55碳钢挂片表面腐蚀产物膜疏松、不完整,不能为金属基体提供保护。Y-2井腐蚀后J55碳钢挂片表面腐蚀产物膜致密，但有裂缝,腐蚀介质能够通过裂缝与基体接触,造成基体腐蚀,腐蚀产物膜中夹杂了结垢产物。由图4可看出,Y-1井和Y-2井的腐蚀产物膜主要由S、Fe组成。腐蚀产物膜中还有少量C、O元素,说明造成油管腐蚀的因素不止是硫化物,还可能有CO2腐蚀[11-13]。Y-2井的腐蚀产物膜中含有Cl,Cl-穿透腐蚀产物膜,在局部形成具有很强自催化特性的腐蚀电偶或闭塞电池,促进局部蚀孔的发展,形成蚀坑[14-16]。腐蚀产物膜中含有Na、K、Al、Si,说明黏土矿物也附着在J55碳钢挂片表面。

2.3.3 油管三维腐蚀形貌及腐蚀深度测量结果

Y-1井和Y-2井J55碳钢挂片去除表面腐蚀产物膜后的J55碳钢三维腐蚀形貌见图5。

a)Y-1井

由图5可看出,Y-1井和Y-2井腐蚀严重,J55碳钢挂片表面去除腐蚀产物膜后有较深的沟槽,Y-2井还存在点蚀。Y-1井腐蚀深度为368.824 μm,Y-2井腐蚀深度为493.446 μm。由于Y-1井和Y-2井腐蚀严重且腐蚀监测时间长,J55碳钢挂片表面被腐蚀,导致腐蚀深度测量时基准面消失,腐蚀深度测量结果小于实际腐蚀深度[17]。结合油管三维腐蚀形貌和腐蚀产物膜微观结构及化学成分,说明该油田油管存在垢下腐蚀[18-19],且是造成油管腐蚀穿孔的主要原因。

2.4 油管腐蚀结垢防护措施研究

由于Y-2井采出水在井筒结垢,导致采出水中Ca2+含量低,不利于评价缓蚀阻垢剂的阻垢性能,根据文献[20]延8地层水中Ca2+含量,在Y-2井采出水中加入CaCl2,使采出水中Ca2+含量为1 000 mg/L。采用静态失重法比较HZ-1、HZ-2、HZ-3缓蚀阻垢剂的缓蚀性能,实验温度为75 ℃,腐蚀材质为J55碳钢,腐蚀介质为Ca2+含量为1 000 mg/L的Y-2井采出水,缓蚀阻垢剂加量为100 mg/L,腐蚀时间为7 d；同时测定采出水中Ca2+含量,并计算阻垢率。实验结果见表3。

表3 缓蚀阻垢剂评价结果表

由表3可看出,HZ-1、HZ-2、HZ-3缓蚀阻垢剂均有一定的缓蚀阻垢效果,其中HZ-2缓蚀阻垢剂的缓蚀阻垢效果最好,投加后能将油管平均腐蚀速率控制在 0.062 5 mm/a,满足石油天然气控制行业标准,同时阻垢率能够达到90.97%。现场投加了HZ-2缓释阻垢剂后显著降低了2口油井的修井作业次数。因此,选择投加高效缓蚀阻垢剂能够有效缓解陕北某含硫油田油管的腐蚀结垢情况。

3 结论

2)Y-1井和Y-2井的平均腐蚀速率分别为1.023 2 mm/a和1.243 1 mm/a,远远超过SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》。

3)陕北某含硫油田油管腐蚀产物主要为FeS,结垢产物主要为CaCO3。造成油管腐蚀的主要原因是硫化物腐蚀。造成油管穿孔的原因主要为垢下腐蚀。

4)选择投加高效缓蚀阻垢剂能够有效缓解陕北某含硫油田油管的腐蚀结垢情况。