延長油田油井管柱腐蝕原因分析及防腐措施研究*

龐 靜，郭振華，李 鑫，于昕東

（延長油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西 延安 717111）

在各大油田生產(chǎn)開發(fā)的中后期階段，油井的采出液含水率一般都會(huì)出現(xiàn)快速升高的現(xiàn)象，這就會(huì)導(dǎo)致采出液的腐蝕性增強(qiáng)，油井管柱長期與此類采出液接觸，不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕現(xiàn)象[1-4]。隨著腐蝕環(huán)境的逐漸惡化，油井管柱會(huì)出現(xiàn)腐蝕穿孔，甚至斷裂的情況，這不僅嚴(yán)重影響油井的生產(chǎn)效率，而且縮短了油井的檢修周期，增大了安全隱患，大大增加了油田的整體生產(chǎn)成本[5-9]。因此，針對(duì)此類油田油井管柱的腐蝕原因進(jìn)行分析，找出影響管柱腐蝕的主要因素，有針對(duì)性的提出相應(yīng)的防腐蝕措施建議，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

延長油田某采油廠經(jīng)過長期的注水開發(fā)后，目前，已經(jīng)進(jìn)入中高含水期開發(fā)階段，部分油井含水率高達(dá)80%以上，并且井筒采出液中含有一定量的CO2等酸性氣體，對(duì)井下管柱、套管、抽油桿、抽油泵以及其他井下工具都具有較強(qiáng)的腐蝕性，由此而引起的油井管柱腐蝕問題逐漸增大[10-15]。近年來，該采油廠部分油井檢修周期逐漸縮短，每年由于腐蝕問題而導(dǎo)致的套管穿孔、油管漏失、泵漏失以及活塞斷裂等問題頻繁發(fā)生，這不僅嚴(yán)重制約了油井的正常生產(chǎn)開發(fā)，還帶來了嚴(yán)重的安全隱患，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響延長油田的安全高效生產(chǎn)。因此，急需針對(duì)延長油田油井管柱腐蝕問題開展相關(guān)研究，提出有效的防腐蝕措施建議。本文以延長油田某采油廠油井管柱為研究對(duì)象，室內(nèi)采用掛片失重法實(shí)驗(yàn)對(duì)油井管柱腐蝕的影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并優(yōu)選出了合適的緩蝕劑，為提高延長油田油井的生產(chǎn)效率提供一定的技術(shù)支持。

1 延長油田油井管柱腐蝕原因分析

通過對(duì)延長油田現(xiàn)場油井管柱腐蝕情況調(diào)研分析，并結(jié)合相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為延長油田油井管柱腐蝕主要受采出液含水率、礦化度、pH值、CO2含量、溫度以及流速等因素的影響。因此，室內(nèi)采用靜態(tài)掛片失重法實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了以上因素對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，腐蝕介質(zhì)采用延長油田現(xiàn)場采出液，實(shí)驗(yàn)用鋼片采用現(xiàn)場油管加工而成，鋼材材質(zhì)為N80。

1.1 采出液含水率的影響

首先，評(píng)價(jià)了采出液含水率對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液礦化度均為25000mg·L-1、pH值均為6、CO2分壓均為0.5MPa、溫度均為50℃、流速均為0.5m·s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 采出液含水率對(duì)腐蝕速率的影響Fig.1 Effect of water content of produced fluid on corrosion rate

由圖1可知，隨著采出液中含水率的不斷增大，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)采出液含水率增大至90%時(shí)，腐蝕速率可以達(dá)到0.872mm·a-1。這是由于采出液中含水率越高，腐蝕實(shí)驗(yàn)過程中鋼片金屬表面與水相接觸的面積越大，從而增大了鋼材的腐蝕速率。

1.2 采出液礦化度的影響

評(píng)價(jià)了采出液礦化度對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液含水率均為80%、pH值均為6、CO2分壓均為0.5MPa、溫度均為50℃、流速均為0.5m·s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 采出液礦化度對(duì)腐蝕速率的影響Fig.2 Effect of salinity of produced fluid on corrosion rate

由圖2可知，隨著采出液礦化度的逐漸升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)采出液礦化度升高至40000mg·L-1時(shí)，腐蝕速率可以達(dá)到0.719mm·a-1。這是由于采出液中礦化度越高，其帶電離子的濃度就越高，使溶液的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，從而可以使腐蝕電極反應(yīng)的進(jìn)程加快，導(dǎo)致腐蝕速率增大。

1.3 采出液pH值的影響

評(píng)價(jià)了采出液pH值對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液含水率均為80%、礦化度均為25000mg·L-1、CO2分壓均為0.5MPa、溫度均為50℃、流速均為0.5m·s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 采出液pH值對(duì)腐蝕速率的影響Fig.3 Effect of pH value of produced fluid on corrosion rate

由圖3可知，隨著采出液pH值的逐漸升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)采出液pH值升高至10時(shí)，腐蝕速率可以降低至0.319mm·a-1，與采出液pH值為3時(shí)的腐蝕速率相比，降低幅度較大。這是由于pH值的增大一般會(huì)使溶液中的H+含量減少，從而降低H+去極化的電化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而使金屬表面的腐蝕速率降低。

1.4 采出液中CO2含量的影響

評(píng)價(jià)了采出液CO2含量對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液含水率均為80%、礦化度均為25000mg·L-1、pH值均為6、溫度均為50℃、流速均為0.5m·s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 采出液中CO2含量對(duì)腐蝕速率的影響Fig.4 Effect of CO2 content in produced fluid on corrosion rate

由圖4可知，隨著采出液中CO2含量的逐漸升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)采出液中CO2含量達(dá)到1MPa時(shí)，腐蝕速率可以增大至1.542mm·a-1，與不含CO2時(shí)相比顯著增大。這是由于采出液中CO2含量越高，游離的CO2會(huì)與水分子形成H2CO3，降低了采出液pH值的同時(shí)，還會(huì)在金屬鋼材表面形成腐蝕電池反應(yīng)，從而增大了腐蝕反應(yīng)的速率。

1.5 溫度的影響

評(píng)價(jià)了實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液含水率均為80%、礦化度均為25000mg·L-1、pH值均為6、CO2分壓均為0.5MPa、流速均為0.5m·s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不斷升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)溫度升高至70℃時(shí)，腐蝕速率可以增大至1.154mm·a-1。這是由于當(dāng)腐蝕實(shí)驗(yàn)的溫度逐漸增大時(shí)，采出液中的水相對(duì)金屬鋼材表面的電極化腐蝕速率逐漸加快，并且溫度越高，采出液中氧的擴(kuò)散速率就越快，從而使腐蝕反應(yīng)的速率增大。

圖5 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)腐蝕速率的影響Fig.5 Effect of experimental temperature on corrosion rate

1.6 流速的影響

評(píng)價(jià)了實(shí)驗(yàn)流速對(duì)延長油田油井管柱鋼材腐蝕速率的影響，固定其他實(shí)驗(yàn)條件：采出液含水率均為80%、礦化度均為25000mg·L-1、pH值均為6、CO2分壓均為0.5MPa、溫度均為50℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)流速對(duì)腐蝕速率的影響Fig.6 Effect of experimental flow rate on corrosion rate

由圖6可知，隨著實(shí)驗(yàn)流速的不斷增大，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)流速達(dá)到1m·s-1時(shí)，腐蝕速率可以達(dá)到0.872mm·a-1，與流速為0m·s-1時(shí)相比顯著增大。這是由于實(shí)驗(yàn)流速越大，金屬鋼材表面越不易形成緊密的腐蝕產(chǎn)物膜，從而使金屬表面一直暴露在腐蝕介質(zhì)中，導(dǎo)致腐蝕速率逐漸增大。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著采出液含水率、礦化度、CO2含量、實(shí)驗(yàn)溫度和流速的逐漸升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率均逐漸增大，而隨著采出液pH值的逐漸升高，延長油田油井管柱鋼材的腐蝕速率逐漸降低。

2 防腐措施研究

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合延長油田現(xiàn)場實(shí)際情況，擬采用在油井管柱中添加緩蝕劑的措施來降低腐蝕速率，從而延長油井管柱的使用壽命。根據(jù)項(xiàng)目組前期研究結(jié)果，咪唑啉類緩蝕劑在延長油田油井管柱防腐中的效果較好，并且具有良好的適應(yīng)性，咪唑啉類緩蝕劑還具有較低的生物毒性，能夠滿足當(dāng)前的環(huán)保要求。

因此，室內(nèi)采取掛片失重實(shí)驗(yàn)法對(duì)幾種咪唑啉類緩蝕劑的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，以緩蝕率評(píng)價(jià)緩蝕劑的性能，實(shí)驗(yàn)用鋼片使用延長油田油井管柱加工而成，實(shí)驗(yàn)溫度選擇為50℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 不同類型緩蝕劑的緩蝕效率Fig.7 Inhibition efficiency of different types of inhibitors

由圖7可知，隨著緩蝕劑加量的不斷增大，3種不同類型的緩蝕劑對(duì)延長油田油井管柱鋼材的緩蝕效率均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，其中緩蝕劑ND-F的緩蝕效率最高，當(dāng)其加量為900mg·L-1時(shí)，緩蝕效率即可以達(dá)到95%以上，繼續(xù)增大緩蝕劑的加量，緩蝕效率基本不再增大，因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素等，推薦緩蝕劑ND-F的最佳使用量為900mg·L-1。緩蝕劑ND-F的加入能夠有效降低延長油田油井管柱的腐蝕速率，延長其使用壽命，為提高油井的生產(chǎn)效率提供良好的保障。

3 結(jié)論

（1）延長油田油井管柱腐蝕主要受采出液含水率、礦化度、pH值、CO2含量、溫度以及流速等因素的影響，隨著采出液含水率、礦化度、CO2含量、實(shí)驗(yàn)溫度和流速的逐漸升高，腐蝕速率均逐漸增大，而隨著采出液pH值的逐漸升高，腐蝕速率則逐漸降低。

（2）咪唑啉類緩蝕劑ND-F能夠?qū)ρ娱L油田油井管柱鋼材起到良好的防腐蝕效果，當(dāng)其加量為900mg·L-1時(shí)，緩蝕效率可以達(dá)到95%以上，可以有效降低油井管柱的腐蝕速率，延長其使用壽命，為綜合提高延長油田油井的生產(chǎn)效率提供保障。