渤海某油田"Y"形生產(chǎn)管柱堵塞器腐蝕原因分析

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300452)

渤海某油田"Y"形生產(chǎn)管柱堵塞器腐蝕原因分析

邢四駿 閆化云 張 穎 馬魁菊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300452)

本文對渤海某油田修井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的被腐蝕的"Y"形生產(chǎn)管柱堵塞器展開研究，從溫度、壓力、裝配要求、生產(chǎn)水、產(chǎn)出氣等多方面詳細(xì)分析了堵塞器工作環(huán)境，探討其腐蝕原因，遂采用線性極化電阻、耦合多電極等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了解決方案，以期對以后解決類似問題提供借鑒。

"Y"形生產(chǎn)管柱堵塞器 縫隙腐蝕 線性極化電阻 耦合多電極

0 前言

近年來，海上油氣田開采過程中大量采用"Y"形生產(chǎn)管柱，這種管柱包括抽油通道和井下測試通道，兩者大致呈一個"Y"形，具有不動管柱實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、測試和分層采油等多種功能，既能滿足自噴生產(chǎn)與停噴后的電潛泵生產(chǎn)要求，又能及時獲得生產(chǎn)井的各種動態(tài)數(shù)據(jù)[1]。"Y"形生產(chǎn)管柱在生產(chǎn)時用到生產(chǎn)堵塞器來密封管柱。生產(chǎn)堵塞器直接投放于"Y"形接頭工作筒內(nèi)，具有單流閥作用，可方便進(jìn)行反循環(huán)洗井；同時具有獨(dú)特外泄壓系統(tǒng)，使堵塞器能夠在壓力平衡狀態(tài)下進(jìn)行打撈[2]，因此，堵塞器的密封性直接影響油田產(chǎn)量及測井質(zhì)量。

渤海某油田"Y"形生產(chǎn)管柱安裝有生產(chǎn)堵塞器，在管柱檢修時發(fā)現(xiàn)，給管柱憋壓，到6MPa后不再上升(正常能到10MPa以上)；停增壓泵后觀察15分鐘，管柱壓力下降到2MPa。撈出堵塞器后發(fā)現(xiàn)堵塞器定位部分、密封部分、泄壓部分均發(fā)生了不同程度的腐蝕，錐體與密封端面不能完全吻合，直接導(dǎo)致生產(chǎn)管柱壓力憋不住，見圖1。本文在分析堵塞器工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，探討腐蝕原因，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了解決方案，以期對以后解決類似問題提供借鑒。

1 "Y"形管柱堵塞器作業(yè)環(huán)境分析

圖1 生產(chǎn)堵塞器照片及結(jié)構(gòu)示意圖

首先分析該堵塞器的工作環(huán)境，堵塞器安裝的生產(chǎn)井為定向井，完井井深2580.00米，垂深2576.36米，水深22.20米。通過查閱該井生產(chǎn)管柱圖，生產(chǎn)堵塞器在井下1950米左右。此處油管外徑為2-7/8"，材質(zhì)為12L13，美國特種鋼，屬于易加工合金鋼，等同于國內(nèi)Y12Pb。生產(chǎn)堵塞器處工作壓力17.56MPa，溫度92.69℃。在電潛泵生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)堵塞器起到堵塞工作筒的目的。因此，此處堵塞器在生產(chǎn)管中的狀態(tài)有兩種：一種為底部全部浸泡在產(chǎn)液中，處于靜止?fàn)顟B(tài)，第二種狀態(tài)為底部處于氣相，但有水蒸汽不斷產(chǎn)生。

按照中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QH/S 2022-2006 Y型接頭使用工藝要求的說明，生產(chǎn)堵塞器與Y形接頭工作筒配合時，其配合間隙為圓周上+0.3~+0.4mm；生產(chǎn)堵塞器對Y型接頭工作筒密封面的過盈量推薦值圓周上+0.3~+0.4mm，該堵塞器在井筒中的裝配示意圖見圖2。由于生產(chǎn)堵塞器與工作筒之間存在過盈量，當(dāng)堵塞器全部浸泡在產(chǎn)液中時，借助毛細(xì)管效應(yīng)，含鹽水分滲透到堵塞器與工作筒的縫隙中，對堵塞器下部的泄壓部分首先產(chǎn)生腐蝕；即使堵塞器沒有全部浸泡在產(chǎn)液中而是出于熱的濕氣中，其腐蝕狀況也不容小覷。堵塞器上部的打撈接頭部分則完全浸泡在產(chǎn)液中，并處于產(chǎn)液流動狀態(tài)下，這也是該部分較下部腐蝕嚴(yán)重的原因。這兩者腐蝕程度受到水質(zhì)離子含量及氣相CO2、H2S含量組成的影響，遂對水質(zhì)及氣相組分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1及圖3。

圖2 生產(chǎn)堵塞器在Y生產(chǎn)管柱中的裝配示意圖

表1 水質(zhì)分析表單位：mg/L

該井日產(chǎn)液110m3，含水40%~50%，其水質(zhì)分析見下表1，測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5523-2000 油氣田水分析方法：

該生產(chǎn)水氯離子含量為4518.44mg/L，水型為NaHCO3型，pH為7.8，根據(jù)The International Association for the Physical Sciences of the Oceans (IAPSO) 標(biāo)準(zhǔn)里海水的含鈉量為10770mg/L ，含氯19354 mg/L，該生產(chǎn)水的鈉、氯含量低于海水。天然水中含有的各種可溶性離子中，鈣鎂等離子含量越低，氯離子、硫酸根離子等含量越高，水的腐蝕性就越強(qiáng)，有水處理工作者對我國普遍存在的幾種水質(zhì)，總結(jié)出氯離子高于200±5mg/L、鈣離子低于20±4mg/L的水為嚴(yán)重腐蝕性水質(zhì)[3]。GB50050-2007工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定碳鋼間接冷卻循環(huán)水中氯離子含量要小于1000mg/L，也說明氯離子含量高會產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。

采用Dragerwerk的二氧化碳檢測儀測試該井氣相CO2氣體含量，連續(xù)15天對該井CO2監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3，由圖可知CO2含量最終穩(wěn)定在11%(占總氣量的體積濃度)左右，說明該井的CO2含量較高，易引起CO2腐蝕，有文獻(xiàn)報道在60~110℃，鐵在含CO2的鹽水中，表面可生成具有一定保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜，局部腐蝕較為突出，溫度主要對CO2腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)、特征和形貌產(chǎn)生影響，從而影響CO2腐蝕進(jìn)程[4]。采用碘量法測試產(chǎn)出液中硫化氫檢測結(jié)果顯示硫化氫含量不超過5mg/L，呂文奇等[5]認(rèn)為水溶液中H2S濃度低于20mg/L時，鋼材一般不發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂；美國Ohio大學(xué)多相流研究所Nesic、Lee K[6,7]等人認(rèn)為，低量H2S的存在會導(dǎo)致碳鋼的CO2腐蝕速率下降，下降原因?yàn)楫?dāng)加入H2S后，H2S與鐵親和力較強(qiáng)，優(yōu)先在鐵表面形成硫化物膜，減少鐵與CO2反應(yīng)的活性點(diǎn)，從而降低腐蝕速率。

圖3 井口CO2含量監(jiān)測圖

圖4 現(xiàn)場產(chǎn)出水中LPR監(jiān)測結(jié)果

2 現(xiàn)場環(huán)境腐蝕性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場產(chǎn)出水線性極化電阻(LPR)測試

目前對井下水質(zhì)的腐蝕測試不能在井下進(jìn)行。當(dāng)產(chǎn)液隨著生產(chǎn)井管柱產(chǎn)出地層后進(jìn)入海上平臺生產(chǎn)工藝處理系統(tǒng)，在這套處理工藝系統(tǒng)內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)油氣水三相的有效分離，此時經(jīng)過分離的生產(chǎn)污水能包含地層水的腐蝕性因子，如一定的則為井下生產(chǎn)的地層水。在生產(chǎn)平臺生產(chǎn)水處理系統(tǒng)分離出的生產(chǎn)水安裝線性極化電阻，對產(chǎn)出水連續(xù)進(jìn)行48h監(jiān)測，以測試該井水質(zhì)腐蝕性及點(diǎn)腐蝕傾向，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

在LPR測試中，不平衡系數(shù)表示該介質(zhì)發(fā)生局部腐蝕的可能性，不平衡系數(shù)變化越劇烈則說明該介質(zhì)發(fā)生局部腐蝕的可能性越大。由圖4可看出，現(xiàn)場產(chǎn)出水均勻腐蝕速率隨時間延長逐漸下降，下降到1mpy后趨于穩(wěn)定；但不平衡系數(shù)則一直不穩(wěn)定，變化較快，說明該介質(zhì)存在較強(qiáng)的局部腐蝕傾向。因此采用耦合多電極測試系統(tǒng)，測試該介質(zhì)的均勻腐蝕與點(diǎn)腐蝕速率。

2.2 現(xiàn)場采出水耦合多電極測試

耦合多電極測試系統(tǒng)采用全新的檢測原理及技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)局部腐蝕定量測量的儀器。該設(shè)備包括一支9電極測試探頭、一臺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲器。其測試原理為：在耦合多電極矩陣傳感器中，裝有多個與被測材質(zhì)相同的微型電極；微型電極之間用絕緣材料分割開，其另一端通過零電阻電流計(jì)連接到一個共同的節(jié)點(diǎn)上(耦合在一起)。與陽極性質(zhì)接近的電極表現(xiàn)為金屬局部腐蝕時的陽極，與陰極性質(zhì)接近的電極表現(xiàn)為金屬局部腐蝕時的陰極。電流從腐蝕較輕或沒被腐蝕的電極通過零電阻電流計(jì)流入腐蝕嚴(yán)重的電極(陽極釋放出的電子通過零電阻電流計(jì)流向陰極)，這種電流正是局部腐蝕所導(dǎo)致的微電流，通過直接測量產(chǎn)生的微電流，可定量地確定局部或不均勻腐蝕的速度[8]。

圖5 耦合多電極測試均勻腐蝕與最大點(diǎn)腐蝕速率圖

在室內(nèi)進(jìn)行耦合多電極測試，測試電極材質(zhì)選用碳鋼。實(shí)驗(yàn)容器采用2.5L廣口瓶，瓶中加入2L實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為采用表1的水質(zhì)分析配制的模擬水。第一天實(shí)驗(yàn)時，在2L實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中通入CO2除氧4h；實(shí)驗(yàn)過程中每天早9點(diǎn)開始升溫1h后到95℃，同時鼓2h的CO2，保溫6h，關(guān)閉升溫，自然降溫，每天一次升降溫過程，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4d后的測試結(jié)果見圖5：

由圖5可看出，無論是均勻腐蝕速率還是最大點(diǎn)腐蝕速率均隨著溫度變化而呈現(xiàn)周期變化，均勻腐蝕速率高溫在1.5mpy左右，隨著溫度降低，均勻腐蝕速率下降，最低降到0.2mpy。最大點(diǎn)腐蝕速率隨溫度的變化呈現(xiàn)與均勻腐蝕速率相似的周期變化，隨溫度升高點(diǎn)腐蝕速率升高，最高達(dá)到12mpy；隨著溫度降低，最大點(diǎn)腐蝕速率也下降，下降到一定溫度則與均勻腐蝕速率曲線重合，最低降到0.2mpy。說明溫度極大的影響了材質(zhì)的點(diǎn)腐蝕過程，在一定的溫度范圍內(nèi)，在現(xiàn)場生產(chǎn)水中以均勻腐蝕為主；溫度超過一定范圍時發(fā)生極嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕。

2.3 現(xiàn)場采出水失重測試

為模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對鋼試片形成縫隙腐蝕的情形，在動態(tài)高溫高壓釜中進(jìn)行對應(yīng)實(shí)驗(yàn)。動態(tài)高溫高壓釜溶積為3L，加入介質(zhì)1.5L分別在液相及氣相安裝試片，液相垂直安裝X65碳鋼試片(6177~6179)及不銹鋼試片(5540~5542)進(jìn)行測試；氣相試片為X65碳鋼，試片編號為(6180~6182)，水平安裝，在釜蓋與試片間人為形成縫隙。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)也采用現(xiàn)場模擬水，實(shí)驗(yàn)過程中每天早9點(diǎn)開始升溫到95℃后保溫6h，自然降溫，每天一次升降溫過程，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7d后的測試結(jié)果見表2、氣相腐蝕試片照片見圖6：

由表2可看出，液相垂直安裝的鋼試片兩種材質(zhì)都呈現(xiàn)均勻腐蝕，腐蝕不嚴(yán)重；但在氣相水平安裝的鋼試片，則呈現(xiàn)較嚴(yán)重腐蝕，尤其在掛片與釜蓋形成的間隙之間，腐蝕產(chǎn)物為黑褐色，在掛片表面突起一層；去除腐蝕產(chǎn)物后觀察，其腐蝕形貌為局部臺地腐蝕，無明顯點(diǎn)蝕，其原因可能是降溫過程有助于釜內(nèi)形成凝析水，凝析水聚集在掛片與釜蓋間的縫隙上，形成局部腐蝕。

表2 模擬縫隙腐蝕試片失重測試結(jié)果

圖6 氣相腐蝕試片照片

3 "Y"形管柱堵塞器腐蝕原因

通過對"Y"型管柱堵塞器的作業(yè)環(huán)境及環(huán)境腐蝕性進(jìn)行分析測試后，可推測"Y"型管柱堵塞器發(fā)生局部腐蝕的主要原因是，產(chǎn)出液中的水具有極強(qiáng)的點(diǎn)腐蝕傾向，"Y"堵塞器錨頭與其接觸端面由于隨著壓力波動是一種動態(tài)，產(chǎn)出液中的水一方面隨著生產(chǎn)進(jìn)行，將堵塞器進(jìn)行浸泡發(fā)生均勻腐蝕；另一方面，在產(chǎn)液不能到達(dá)堵塞器下端時，在95℃高溫下，生產(chǎn)水形成水蒸汽與產(chǎn)液中的CO2一起，揮發(fā)到堵塞器與生產(chǎn)管柱形成的縫隙處，形成凝析水，造成嚴(yán)重的局部腐蝕，形成較深臺地腐蝕，其原因可能是接觸材質(zhì)在微區(qū)電位的差異或者縫隙的不均勻性造成的；這種局部腐蝕的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全浸造成的均勻腐蝕。

4 對策及建議

該生產(chǎn)井"Y"堵塞器腐蝕直接反映出該油田面臨的腐蝕問題，生產(chǎn)水具有的強(qiáng)的點(diǎn)腐蝕傾向、較高的CO2含量、較高的作業(yè)環(huán)境溫度都是該油田不可忽視的腐蝕因素，所以需引起作業(yè)方的高度重視。

對"Y"接頭可和堵塞器接觸底部部分可用MPS涂料進(jìn)行內(nèi)涂，或進(jìn)行化學(xué)鍍，在接頭表面形成涂鍍層，阻擋其與流體接觸，而"Y"堵塞器錨頭摩擦部分也可以采用耐磨擦涂料進(jìn)行處理，防止兩部分發(fā)生電偶腐蝕。

為防止產(chǎn)出液對油套環(huán)空之間的生產(chǎn)管柱外壁及套管內(nèi)壁的腐蝕，為防止封隔器等可能形成縫隙的井下生產(chǎn)器的腐蝕，可在油套環(huán)空之間添加油套環(huán)空保護(hù)液，其中加入足量的氣相緩蝕劑來防止水蒸汽攜帶CO2造成的局部腐蝕。

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表6 輸油泵機(jī)組的振動速度值

4 結(jié)論和建議

通過借鑒國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，針對提高我國離心泵運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)水平，以及加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作，提出如下建議：

(1)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，建議GB 50275和SY 4201.1規(guī)定泵與出入口管道的連接要求；

(2)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，建議Q/SY GD0028規(guī)定泵修理后試運(yùn)行時間、泵葉輪切削量；

(3)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，建議GB 50253補(bǔ)充完善泵房通風(fēng)方式，以及通風(fēng)系統(tǒng)檢驗(yàn)周期和控制邏輯關(guān)系；

(4)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，建議Q/SY GD0028補(bǔ)充完善泵運(yùn)行控制參數(shù)、禁止啟動泵的情形、泵緊急停車的情形、泵基礎(chǔ)下陷情況監(jiān)測、泵檢測維修周期和評估泵容許汽蝕余量等內(nèi)容；

(5)建議進(jìn)一步研究API Std 682中使用水、丙烷、20%氫氧化鈉溶液和煤油四種介質(zhì)測試密封是否合格的試驗(yàn)程序的適用性；

(6)借鑒美國標(biāo)準(zhǔn)，建議針對軸承箱和泵軸分別進(jìn)行振動幅度和速度的限制，以及超出泵額定工作區(qū)情況下泵振動的允許增加值。(作者單位：中石化勝利油田采油工程處)

參考文獻(xiàn)

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Corrosion Analysis of Sealed-production Plug for Y-tool in Bohai oilf i eld

XING Si-jun, YAN Hua-yun, ZHANG Ying, MA Kui-ju
(CNOOC-ETS-Oilf i eld Technology Services Co. 300452, Tianjin China)

Sealed-production plug for Y-tool is used in Y-production string in the Bohai oil fi eld that was corroded in the work process. Corrosion cause analysis were studied such as temperature, pressure, oilfield produced water, CO2, H2Sand installation etc. They were observed and analyzed using LPR, CMAS and Weight loss test method. Solutions were offered as well which can deal with similar problems.

sealed-production plug for Y-tool; crevice corrosion; linear polarization resistance(LPR); coupled Multi-electrode arrays Sensors (CMAS)

TE98

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0079-05

1008-7818(2014)03-0079-05

邢四駿，男，工程師，主要從事油氣田開發(fā)工作。