高产液气井井筒腐蚀、结垢模拟装置的研究进展

琚子辉，白海涛，何顺安，刘 鹏，高 亮，马 云

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心，陕西 西安 710065；3.长庆油田分公司第二采气厂，陕西 西安 710200）

近年来，气井井管的腐蚀引起了广泛关注。气井采出液会通过井筒到达地面，这些介质含有有机物、H2S、CO2、细菌、泥沙等[1-3]，当地下温度和压力达到一定条件时，会对井管产生全面或局部腐蚀，导致井管防腐失效[4-5]，进而影响气田的开发经营效益。高产液井井筒的腐蚀与油井腐蚀不同，影响因素也有很大差异，要将天然气水合物、流型、流体组成、井底积液段和非积液段的腐蚀因素一并加以考虑[6-8]。目前，高产液井井筒腐蚀模拟装置的研究仍处于起步阶段，迫切需要对其研究现状进行梳理、总结和总结，从而为同一领域的研究人员提供参考。

1 气液两相井筒的腐蚀、结垢研究

1.1 井筒腐蚀类型

1.1.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀会逐渐降低金属材料的厚度，其表面各部位的腐蚀速率基本相同。水解和腐蚀会导致材料发生薄层剥落，最终导致材料的机械性能退化和结构功能损伤。在石油天然气生产中，均匀腐蚀倾向于减小套筒壁和管道壁的整体厚度，与局部腐蚀相比，均匀腐蚀造成的危害较小[9]。

1.1.2 局部腐蚀

局部腐蚀会使金属材料表面的局部区域受到强烈侵蚀，其他区域受到的腐蚀强度则较低。虽然局部腐蚀的材料质量损失率不高，但更容易造成材料的功能性损坏，破坏程度是均匀腐蚀的10~100倍[10-12]。

图1 金属材料的腐蚀类型

1.2 气井井筒腐蚀、结垢机理的影响因素

1.2.1 CO2、H2S、细菌、O2对气田生产系统的腐蚀

酸性气体CO2、H2S在碳氢化合物（如原油）中的溶解度较高。干的H2S本身没有腐蚀性，但溶解在水中的氢离子会使溶液呈酸性，是一种强去极化剂，会在阴极捕获电子，促进阳极反应，使得金属材料表面发生电化学腐蚀反应，生成硫化铁腐蚀产品，使得石油管道和其他钢部件发生腐蚀损坏[13-15]。在气田生产系统中，细菌会参与金属的腐蚀过程，铁细菌、黏液形成菌、硫酸盐还原菌等是最具代表性的细菌[16]。在气田生产系统中，由于生产过程不连续，井管设备的密封不严格，氧侵入后会造成严重的金属腐蚀[17]。

1.2.2 井底积液

井筒积液是导致气井开发减产停产的主要原因之一。井底积液主要来源于气态烃的凝析，以及地层储存层的地层水或层间水的渗流。在正常的生产过程中，气井中的液体通常以液滴的形式分布在气相中，并由气体携带到地面。当井内液体因气相提供的能量不足而无法上升到井口时，井内液滴会在井底不断积累而形成积液，从而增加气层的回压[18-19]。在高压井中，液体以段塞流的形式存在，会损失更多的地层能量，限制气井的生产能力，甚至会在低压井内造成井水淹关井。泡沫排水采气工艺是为开发产水气田而研究的助采技术，已广泛应用于出水气井中[20-21]。

1.2.3 不同类型的流体

垂直气井中的流体，主要有气液混合物的两相流和纯气相的单相流。气藏条件和注水开发模式使得大多数气井在生产过程中或多或少都会产生一些液体。在生产后期，气田的产水量也会随着生产时间的延长而逐渐增加。因此，与单相流相比，气井内的流体处于气液两相流动的状态更为普遍，也呈现出独特的运动规律[22]。目前还没有描述水平井两相流动的统一流型图，只能分别用水平管、倾斜管和垂直管3个流型图进行分段处理。如图2所示，每个流型图的实验条件差异很大[23-24]。在气液两相流动中存在4种流态：泡状流、段塞流、搅拌流、环雾流，其中段塞流和泡状流被认为是对井筒内部压力梯度影响较大的2种流态。[25-26]。

图2 垂直井筒流型分类

1.2.4 气井中的天然气水合物

天然气水合物是在一定的温度和压力条件下，天然气中的饱和水和天然气中的某些成分如甲烷、乙烷和二氧化碳等，形成的类似冰的白色笼状结晶化合物[27-28]。在天然气的开采和储运过程中，天然气水合物常会造成井筒、管道、阀门等发生堵塞，损坏设备，导致气井减产[29]。防止形成天然气水合物的方法主要有脱水、压力、加热、机械方法、化学方法等。目前最有效的方法是添加化学抑制剂，从而在天然气水合物形成时将其溶解[30-31]。

1.3 气井井筒腐蚀的国内外研究现状

研究者普遍认为，导致管柱腐蚀的主要因素是O2、CO2、H2S、SRB、铁细菌等[32]。1943年，Texas油气田井下管柱的失效被确认为二氧化碳腐蚀，此后对油管腐蚀破坏程度的研究发展得相对缓慢。1970年左右，欧盟国家开始重视二氧化碳腐蚀的研究，并进行了深入讨论。目前，学术界对腐蚀有着相对统一的认识：流体速度和产品薄膜是影响井筒破坏程度和形态的关键原因；井筒内壁的腐蚀速率和腐蚀产物膜的密度，主要受到井筒温度的影响[33-35]。

1990 年左右，多相流腐蚀与酸性气体耦合作用下的腐蚀机制成为学术研究的重点。多相流腐蚀的研究主要集中在流速和流型的影响上。在讨论腐蚀机理和影响因素的同时，国内外学者开始研究管道防腐，主要是开发缓蚀剂和耐腐蚀材料。缓蚀剂的开发在均匀腐蚀方面取得了显著成果，但局部腐蚀缓蚀剂的研究和开发仍然很少[36]。13Cr马氏体不锈钢是国内外高温高压气井应用最广泛的管柱材料之一，近年来也出现了17Cr不锈钢，但对其耐腐蚀性的研究不够深入，特别是缺乏现场试验井的性能评价数据[37]。

在气井生产开发的过程中，井管腐蚀失效的主要表现，有材料腐蚀穿孔、应力腐蚀开裂、管柱接头间隙腐蚀密封失效等。腐蚀监测、腐蚀速率预测及有效预测管道寿命，是管道腐蚀研究的重点，但目前的研究存在实验室系统评价不足、现场应用长期服务数据不足等问题[38-39]。

2 井筒腐蚀、结垢的评价方法

2.1 常规的评价方法

目前的研究主要采用软件预测、挂片失重法、电化学评价法等传统的腐蚀速率测定方法。一些全尺寸腐蚀模拟评价实验，主要是基于中间量的间接评价方法，不能反映真正的气井腐蚀规律。例如，现有的高温高压腐蚀试验装置是在封闭的高温高压反应器中，通过搅拌桨的旋转来实现悬挂片和腐蚀介质的相对运动，从而模拟实际管道中流体的流动[40]，但在某些腐蚀介质与管道的接触不完全、存在积液的气井中，整个井筒的不同部位与输出流体的接触方式存在不同，而常规的高温高压腐蚀试验装置则未能考虑这种情况[41-42]。目前常规的腐蚀评价方法有2种[43]，即失重法和电化学实验法。

1）失重法以样品在腐蚀前后的质量损失侧面表示腐蚀率，是最有效、最基本的定量评价方法。该方法的关键操作之一，是要在不损坏基质金属的情况下，彻底清除表面的腐蚀产物。

2）电化学实验法的原理，是金属材料与电解质溶液接触时，界面上会有自由电子参与广义的氧化还原反应，使得接触面上的金属溶解为简单的离子和络离子，或生成氢氧化物、氧化物等稳定化合物。这是一个以金属为阳极腐蚀原电池的过程。电化学实验方法可通过电流密度计算金属的腐蚀率[44]。

2.2 气井井筒腐蚀、结垢模拟装置的研究进展

近年来，学界对气井井筒腐蚀和结垢模拟装置开展了部分研究。刘慧等人[45]发明了一种测试装置和方法，用以模拟气液两相流态，测试井筒的腐蚀速率，装置结构见图3。测试装置包括垂直设置的发泡管、内腔（容纳待测液体和刮片试件）、气体供应管（向发泡管提供气体）、回流管（将从发泡管排出的流体排出回发泡管）等。本测试装置可以模拟在气液两相流态条件下，以及井内积水的湿气和气液两相泡沫流态条件下管道积水的腐蚀过程，测试磨蚀速率，也可用于缓蚀剂的筛选和评价。

图3 模拟气液两相流态以测试井筒腐蚀速率的装置结构图

刘慧等人[46]还发明了一种涉及井筒结垢、模拟装置和模拟方法的气井结垢模拟装置，包括气体储存装置、液体储存装置、将模拟气体与模拟液体混合得到实验流体的气液混合器和结垢模拟管，并将不少于2根结垢模拟管串联起来以模拟井筒[47]，具体结构见图4。

图4 气井井筒结垢、模拟装置结构图

郭刚等人[48]开发的油气井管腐蚀模拟评价系统见图5，包括油套管评价模块、腐蚀悬挂模块、结垢评价模块、电化学腐蚀探针模块和双层循环管道等。双层循环管与各模块相连；油套管评价模块可用来模拟油套管和油套管内涂层的流体冲刷；腐蚀悬挂模块可以模拟流体动态冲刷腐蚀；结垢评价模块可用于油套管结垢模拟；电化学腐蚀探针模块可模拟油套管的电化学腐蚀。该装置考虑了流体流速、压力、温度等腐蚀结垢因素，可用于油气井腐蚀速率试验、防腐措施效果评价、缓蚀剂和阻垢剂优化、不配伍流体结垢研究等，从而为油气井的防腐结垢工作提供有效的评价手段[49]。

图5 一种油气井井筒腐蚀模拟评价系统的结构图

胡德高等人[50]公开了页岩气井井筒动态腐蚀速率的模拟测量装置和方法，包括注液机构、注气机构、气液分离机构和测量机构等，装置结构图见图6。注液机构和注气机构分别与测量机构的进口相连，测量机构的出口与气液分离机构的进口相连，气液分离机构的出口和排气口与注液机构和注气机构相连。这一模拟测量装置可以更真实地模拟页岩气井筒不同部位的腐蚀。

图6 页岩气井井筒动态腐蚀速率模拟测量装置的结构图

与传统的评价方法相比，上述全尺寸腐蚀模拟评价装置考虑了流体流量、温度和压力的变化对腐蚀速率的影响，增加了具有多种功能的模块，可以在宏观上模拟整个气井的内部环境，真实有效地模拟气井的腐蚀，为气井的腐蚀和防垢提供了有效的评价方法。但各评价装置整体的自动化程度不高，数据集成化和实时性较低，异常检测数据未能得到及时、自动处理，设备不能连续运行，各模块功能相对独立，因而不能保证实验条件的真实性和有效性。

2.3 高产液气井井筒腐蚀、结垢模拟装置的发展趋势

针对上述不足，研究者设计了高产液井井筒腐蚀、结垢模拟装置。考虑到井筒在地层内的环境，装置采集到相关数据后可将其转换为数字信号，由总控制器进行记录和处理。输出信号可用于控制空气压缩机等设备。此外，总控制器还可以扩展外部设备，实现集成显示器上的人机交互，记录压力和温度实时变化曲线，监控设备的异常数据和报警维护。总控制器可以反馈相关数据，以确保长期有效的模拟实验，还可以通过WiFi连接蓝牙等智能终端设备，实现数据共享和远程控制，有效减少实验人员的工作量。

3 结论

1）随着油气田开采环境的恶化，气井腐蚀问题引起了极大的关注。除了CO2、H2S等酸性气体溶解电离而导致的金属材料腐蚀，气井井筒的腐蚀还需要考虑天然气水合物的形成、井底积液段与不积液段、井流类型等影响因素，相关研究目前还处于起步阶段，迫切需要对相关研究成果进行梳理和总结，从而为该领域的研究人员提供参考。

2）目前常规的腐蚀评价方法，多采用软件预测、挂片失重法、电化学评价法等腐蚀速率测定法。近年来，一些基于全尺寸的腐蚀和结垢模拟装置相续出现，但这些全尺寸的腐蚀模拟评价装置主要采用基于中间量的间接评价方法。装置的模块化设计易导致实际实验过程的不连续性，不能真正反映实际操作中的气井腐蚀规律，与实际生产的误差较大。

3）基于全尺寸的腐蚀模拟装置，由于集成程度低且模块独立化，导致无法对井内参数进行实时监测，不能有效保证实验的长期有效性，为此新型模拟装置做了优化，未来全尺寸模拟装置的集成智能是腐蚀模拟评价装置的重要研究方向。