含CO2天然氣井筒腐蝕速率評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用*

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

氣井生產(chǎn)中的腐蝕問題嚴(yán)重影響了油氣田的安全和經(jīng)濟(jì)效益，在含CO2和H2S的酸性天然氣中，腐蝕造成的損失尤為突出。井筒腐蝕速率以及緩蝕劑的性能評(píng)價(jià)對(duì)氣井的腐蝕防護(hù)非常關(guān)鍵，常規(guī)評(píng)價(jià)裝置雖然考慮了高溫、高壓條件下地層流體對(duì)井筒造成的腐蝕，但無法模擬氣體流動(dòng)對(duì)井筒腐蝕的影響。此外，掛片和腐蝕介質(zhì)的接觸方式對(duì)腐蝕速率也有影響。為了模擬氣井在實(shí)際過程中的腐蝕環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種能夠模擬氣體流動(dòng)過程的高溫、高壓動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)裝置。該裝置可以控制反應(yīng)釜中掛片與試驗(yàn)介質(zhì)的接觸方式，使掛片在試驗(yàn)介質(zhì)中的位置處于完全浸沒、半浸沒和未浸沒狀態(tài)，同時(shí)在反應(yīng)釜中可以實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)，以達(dá)到模擬氣井生產(chǎn)過程中井底存在積液時(shí)井筒不同部位的腐蝕情況。針對(duì)某區(qū)塊氣井的生產(chǎn)情況，利用該評(píng)價(jià)裝置，通過質(zhì)量損失法對(duì)不同溫度和CO2分壓下N80和P110鋼在地層水中的腐蝕速率進(jìn)行研究，形成了一種新的氣井CO2腐蝕評(píng)價(jià)方法。應(yīng)用該方法對(duì)現(xiàn)有幾種緩蝕劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為含CO2天然氣田生產(chǎn)裝備的腐蝕與防護(hù)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器和材料

設(shè)計(jì)了SA-Ⅰ型高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕儀，其反應(yīng)釜基體材料采用耐CO2腐蝕的316L不銹鋼，最大操作壓力35 MPa，最高操作溫度100 ℃。反應(yīng)釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。動(dòng)態(tài)腐蝕儀配有精度為0.1 mg的電子天平和精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺。試驗(yàn)所采用的化學(xué)試劑包括沸點(diǎn)60～90 ℃的石油醚、無水乙醇、純度99.999%的高純CO2氣體、用來配制掛片清洗液的六亞甲基四胺和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%的濃鹽酸。試樣為P110和N80鋼掛片，與現(xiàn)場氣井油套管材質(zhì)相同。

圖1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用的流體為地層水和天然氣，根據(jù)井口取樣分析結(jié)果模擬復(fù)配。其中地層水礦化度為67 611.36 mg/L，pH值為7.12，天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為0.28%。試驗(yàn)溫度和壓力如表1所示。試驗(yàn)周期為48 h,氣體循環(huán)速度為3 mL/min。

表1 試驗(yàn)溫度和壓力

1.3 試驗(yàn)步驟和流程

每種鋼材做兩個(gè)平行掛片試樣，用聚四氟材料將平行試樣隔開，保證試片之間以及試片和反應(yīng)釜之間不接觸。腐蝕試驗(yàn)后，采用質(zhì)量損失法測算腐蝕速率。試驗(yàn)流程示意如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)流程示意

1.3.1 掛片準(zhǔn)備

用游標(biāo)卡尺測量掛片的尺寸，重復(fù)3次取平均值后進(jìn)行掛片面積計(jì)算。先將掛片用濾紙擦凈，然后放入盛有沸程為60～90 ℃石油醚的器皿中，用脫脂棉球除去掛片表面油脂，再放入無水乙醇中浸泡5 min，進(jìn)一步脫脂和脫水。取出掛片放在濾紙上，用冷風(fēng)吹干后再用濾紙將掛片包好，置于干燥器中，放置1 h后稱質(zhì)量，精確至1 mg。

1.3.2 腐蝕試驗(yàn)

在反應(yīng)釜中加入350 mL地層水，然后將安裝有掛片的轉(zhuǎn)子放入反應(yīng)釜中，調(diào)整反應(yīng)釜至試驗(yàn)溫度，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至200 r/min。

1.3.3 氣體循環(huán)

打開抽真空閥門和真空泵，將反應(yīng)釜抽真空30 min后,關(guān)閉抽真空裝置。打開下部進(jìn)樣閥門，在試驗(yàn)壓力下，通過恒速恒壓泵循環(huán)充入按CO2分壓配制的氣體，以模擬生產(chǎn)氣井中氣體流動(dòng)，氣體循環(huán)速度為3 mL/min。

1.3.4 腐蝕速率與緩蝕率計(jì)算

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行48 h(試驗(yàn)周期)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉加熱開關(guān)，冷卻至室溫，取出掛片用清洗液清洗后稱質(zhì)量。按式(1)計(jì)算腐蝕速率，按式(2)計(jì)算緩蝕率。

(1)

(2)

式中：rc為均勻腐蝕速率，mm/a；m和m1分別是試驗(yàn)前后的試片質(zhì)量，g；S是掛片的總表面積，cm2；ρ是掛片的密度，g/cm3；t為反應(yīng)時(shí)間，h；η1為緩蝕率，%；Δm0為空白試驗(yàn)中試片的質(zhì)量損失，g；Δm1為加藥試驗(yàn)中試片的質(zhì)量損失，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 腐蝕速率評(píng)價(jià)

根據(jù)腐蝕介質(zhì)和掛片的接觸方式，將掛片在反應(yīng)釜內(nèi)部的腐蝕環(huán)境分為未浸沒狀態(tài)、半浸沒狀態(tài)和全浸沒狀態(tài)。不同腐蝕環(huán)境下P110和N80掛片的腐蝕速率曲線如圖3和圖4所示。

圖3 P110掛片的腐蝕速率

圖4 N80掛片的腐蝕速率

由圖3和圖4可以看出，隨著CO2分壓的增加，不同腐蝕環(huán)境下P110和N80鋼的腐蝕速率均增加。這是由于CO2的分壓影響了溶液的pH值，隨著CO2分壓的增大，溶液pH值下降，溶液中H+濃度增加，陽極腐蝕加劇。此外，腐蝕介質(zhì)和掛片的接觸方式對(duì)腐蝕速率產(chǎn)生了顯著影響:進(jìn)氣速度一定時(shí)，相同的溫度和壓力條件下，全浸沒的掛片腐蝕速率大于半浸沒掛片的腐蝕速率，處于未浸沒狀態(tài)的掛片腐蝕速率最小。通過對(duì)比相同環(huán)境下P110和N80鋼的腐蝕速率可以發(fā)現(xiàn),P110鋼的腐蝕速率要大于N80鋼，即N80鋼的耐蝕性要優(yōu)于P110鋼。

在28.05 MPa和89.54 ℃條件下，不同腐蝕環(huán)境下掛片未清洗時(shí)的腐蝕形貌如圖5所示。由圖5可以看出，腐蝕前的掛片呈銀白色，有金屬光澤；在不同腐蝕環(huán)境下，腐蝕后的掛片表現(xiàn)出不同的腐蝕形態(tài):未浸沒的掛片產(chǎn)生了明顯的點(diǎn)蝕和坑蝕現(xiàn)象，而處于半浸沒狀態(tài)的掛片具有點(diǎn)蝕和均勻腐蝕的雙重特征，處于全浸沒狀態(tài)的掛片則表現(xiàn)為均勻腐蝕。未浸沒的掛片沒有和腐蝕介質(zhì)接觸，屬于蒸汽腐蝕[12]。相關(guān)研究指出，蒸汽腐蝕環(huán)境與溶液中鋼表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物相同，但是其含量不同[13]，這就導(dǎo)致了未浸沒掛片腐蝕形態(tài)的差異。

圖5 不同腐蝕環(huán)境下掛片腐蝕形貌

2.2 緩蝕劑評(píng)價(jià)

氣井生產(chǎn)中，緩蝕劑一般從油套環(huán)空中直接投入井底，因此緩蝕劑工作的溫度和壓力條件都接近原始地層溫度和壓力。幾種緩蝕劑的緩蝕率如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出，不同緩蝕劑對(duì)處于不同位置的掛片緩蝕效果不同。緩蝕劑對(duì)處于未浸沒位置的掛片的緩蝕效果要弱于部分浸沒和完全浸沒的掛片的緩蝕效果，對(duì)完全浸沒的掛片緩蝕效果最好。這是由于處于未浸沒和部分浸沒位置的掛片沒有和地層水直接接觸，導(dǎo)致緩蝕劑無法充分吸附在掛片表面上，少量的緩蝕劑分子只能依靠水蒸氣攜帶到上部和未浸沒的掛片表面接觸，因此影響了緩蝕效果。

圖6 幾種緩蝕劑對(duì)P110鋼的緩蝕率

圖7 幾種緩蝕劑對(duì)N80鋼的緩蝕率

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)現(xiàn)有高溫、高壓腐蝕速率評(píng)價(jià)裝置的不足，根據(jù)氣井生產(chǎn)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新型的、安全可靠的CO2腐蝕速率評(píng)價(jià)裝置，形成一種新的CO2腐蝕速率評(píng)價(jià)方法。

(2)隨著溫度和壓力的升高，CO2分壓逐漸增大，P110和N80鋼在模擬地層水和天然氣環(huán)境下的腐蝕速率均增大，且相同條件下，P110鋼的腐蝕速率要大于N80鋼的腐蝕速率。

(3)掛片和模擬地層水的接觸程度會(huì)影響掛片的腐蝕速率。主要表現(xiàn)為：未被地層水浸沒的掛片腐蝕以點(diǎn)蝕為主，處于半浸沒位置和全浸沒的掛片未產(chǎn)生點(diǎn)蝕，只產(chǎn)生了均勻腐蝕；全浸沒的掛片腐蝕速率要大于半浸沒掛片的腐蝕速率，未浸沒的掛片腐蝕速率最小。這說明,氣井井筒積液的高度會(huì)影響不同部位的腐蝕程度。

(4)利用高溫、高壓動(dòng)態(tài)腐蝕速率評(píng)價(jià)裝置開展了9種緩蝕劑評(píng)價(jià)及優(yōu)選試驗(yàn)。不同腐蝕環(huán)境下，緩蝕劑的緩蝕率有差異，此外，評(píng)價(jià)的9種緩蝕劑中，緩蝕劑A和E的緩蝕效果最好，緩蝕率均超過了80%。