致密特低滲油藏注二氧化碳井筒管材腐蝕規(guī)律研究

劉學(xué)全

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006）

鄂爾多斯盆地紅河油田油氣儲(chǔ)量豐富，主要層位是延長組長8 儲(chǔ)層，平均孔隙度10.8 %，平均滲透率0.4×10-3μm2，由于儲(chǔ)層低孔、低滲、非均質(zhì)性強(qiáng)的影響，前期采用注水開發(fā)效果不理想，注水只能驅(qū)替10 μm以上孔隙，而氣體能驅(qū)替10 μm 以下孔隙內(nèi)原油[1-3]，不同的驅(qū)替介質(zhì)在同等條件下CO2的驅(qū)油效率最高，采用CO2對長8 油藏進(jìn)行能量補(bǔ)充，具有較高的可行性，同時(shí)CO2與長8 地層原油的最小混相壓力在17.9 MPa～19.9 MPa，而地層壓力18.84 MPa～20.61 MPa，可以滿足混相要求。

通過國內(nèi)各大油田注CO2現(xiàn)場試驗(yàn)均表明，CO2對管柱具有嚴(yán)重的腐蝕[4]，CO2對鋼材腐蝕的一般形式為CO2溶于水中并生成碳酸，碳酸與鐵發(fā)生反應(yīng)使油套管腐蝕后將產(chǎn)生點(diǎn)蝕、穿孔甚至斷裂，為地層流體提供上竄通道，誘發(fā)地層流體竄流，尤其是氣體上竄至環(huán)空井口，導(dǎo)致井口憋壓，影響井筒完整性，降低氣驅(qū)油效率[5]。結(jié)合紅河油田長8 致密低滲油藏儲(chǔ)層工程地質(zhì)特征開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，注入井不同管材的腐蝕規(guī)律，優(yōu)選出耐腐蝕性能好的井筒材質(zhì)，為致密油藏注氣提高采收率技術(shù)體系的形成以及現(xiàn)場試驗(yàn)提供有力支撐，從而指導(dǎo)油田安全經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材質(zhì)

由于碳鋼成分的差異，耐蝕性也不相同，因此實(shí)驗(yàn)選用N80、J55、P110、3Cr 四種目前油田常用的碳鋼作為實(shí)驗(yàn)的材質(zhì)[6]。

1.2 實(shí)驗(yàn)溫度

鄂南油田長8 儲(chǔ)層的溫度處于60 ℃～70 ℃，實(shí)驗(yàn)設(shè)置70 ℃作為實(shí)驗(yàn)溫度。

1.3 實(shí)驗(yàn)壓力

根據(jù)鄂南油田現(xiàn)場的壓力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，油層的壓力較大，因此CO2的分壓一般都比較大（超過0.021 MPa的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生腐蝕），注入井壓力選用5 MPa、10 MPa和20 MPa。

1.4 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

選取鄂南油田長8 地層水作為油藏注入井井筒管桿腐蝕實(shí)驗(yàn)的介質(zhì)，該地層水礦化度：Na+812.295 mg/L、K+9.252 mg/L、Ca2+281.77 mg/L、Mg2+10.656 mg/L、Cl-996.775 mg/L、SO42-750.39 mg/L、HCO3-415.39 mg/L，其pH 值為6.74，水型屬于Na2SO4型。實(shí)驗(yàn)前，將地層水預(yù)先用氮?dú)獬酢?/p>

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用高溫高壓腐蝕實(shí)驗(yàn)儀（原理示意圖見圖1），該儀器最大密封工作壓力70 MPa、最高工作溫度200 ℃、容積4.5 L。

圖1 高溫高壓釜結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)步驟

試樣N80（試樣尺寸30 mm×10 mm×2 mm）、P110（30 mm×10 mm×2 mm）、J55（30 mm×10 mm×2 mm）、3Cr（30 mm×10 mm×2 mm）套管鋼。每種試片分別取3個(gè)平行試樣。然后分別用240#、400#、600#、800#、1200#砂紙逐級打磨，將試樣清洗、石油醚除油、酒精除水、冷風(fēng)吹干后測量具體尺寸并稱重，放入干燥箱中備用。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

試片分別懸掛在支架上，將支架放在高壓釜底層，加入實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，先通入氮?dú)庠噳?，以確保高壓釜的密封性；再通入氮?dú)? h 除氧，最后通入CO2氣體和氮?dú)猓郎厣龎褐猎O(shè)計(jì)要求[7，8]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取樣用于掃描電鏡觀察，標(biāo)明腐蝕產(chǎn)物膜成分。放置一定時(shí)間后，用電子天平（精度0.1 mg）稱重并通過失重計(jì)算腐蝕速率。平均腐蝕速率按公式（1）計(jì)算：

式中：Rcorr-平均腐蝕速率，mm/a；Δm-金屬失重，g；ρ-金屬密度，g/cm3；A-試件表面積，cm2；Δt-腐蝕時(shí)間，h。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 分別是N80、J55、P110、3Cr 四種鋼材在CO2分壓為5 MPa，溫度為70 ℃條件下的腐蝕失重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 分別是N80、J55、P110、3Cr 四種鋼材在CO2分壓為10 MPa，溫度為70 ℃條件下的腐蝕失重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 分別是N80、J55、P110、3Cr 四種鋼材在CO2分壓為20 MPa，溫度為70 ℃條件下的腐蝕失重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 5 MPa、70 ℃條件下腐蝕速率

表2 10 MPa、70 ℃條件下腐蝕速率

表3 20 MPa、70 ℃條件腐蝕速率

由表1～表3 可知，四種鋼的腐蝕速率均在CO2分壓為20 MPa 條件下最高，70 ℃、20 MPa 屬于最極端工況[9-12]。在這種極端工況下，3Cr 鋼的腐蝕速率較低，P110、N80、J55 鋼腐蝕速率相近，四種鋼的腐蝕速率都高于嚴(yán)重腐蝕指標(biāo)（0.25 mm/a）。

試樣在20 MPa、70 ℃條件下低倍鏡100 倍、高倍鏡500 倍和1 000 倍下不同鋼的腐蝕后微觀形貌（a）N80（b）J55（c）P110（d）3Cr（見圖2～圖4）。20 MPa、70 ℃條件下3Cr 鋼腐蝕產(chǎn)物膜能譜分析結(jié)果（見表4）。

圖2 試樣在20 MPa、70 ℃條件微觀形貌×100

圖3 試樣在20 MPa、70 ℃條件微觀形貌×500

圖4 試樣在20 MPa、70 ℃條件微觀形貌×1 000

表4 20 MPa、70 ℃條件下3Cr 腐蝕產(chǎn)物膜能譜分析結(jié)果

由圖2～圖4 可以看出，試樣在低倍鏡下（100 倍），可觀察到表面較為平整，有局部點(diǎn)蝕發(fā)生；在高倍鏡（500 倍和1 000 倍）條件下，觀察到腐蝕產(chǎn)物膜為規(guī)則的晶粒堆積而成，腐蝕產(chǎn)物主要成分為FeCO3。

4 結(jié)論

（1）隨著CO2分壓的增加，四種鋼的腐蝕速率均增大。當(dāng)CO2分壓超過10 MPa 后，CO2進(jìn)入超臨界狀態(tài)，腐蝕速率明顯增加，20 MPa 環(huán)境下的腐蝕速率最大。

（2）四種鋼的耐蝕性大?。?Cr＞N80＞P110≈J55。極端工況下，3Cr 鋼的腐蝕最低。

（3）應(yīng)用掃描電鏡研究腐蝕產(chǎn)物的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鋼材局部發(fā)生點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物膜為規(guī)則的晶粒堆積而成，腐蝕產(chǎn)物主要成分為FeCO3。

（4）四種管材的腐蝕速率都高于腐蝕標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)，在現(xiàn)場應(yīng)用中除了選用3Cr 鋼材外，還需配合投加緩蝕劑或陰極保護(hù)等防腐工藝一同使用。