延長油田高含水油井井筒腐蝕影響因素分析及防護(hù)措施*

楊榮國，龐靜，孟杰，李鑫

(延長油田股份有限公司七里村采油廠，陜西延長 717199)

隨著我國各大油田石油資源的不斷勘探與開發(fā)，大部分早期開發(fā)的油田已經(jīng)進(jìn)入中高含水期的開發(fā)階段，油井采出液中含水率的急劇升高會對井筒腐蝕產(chǎn)生較嚴(yán)重影響，隨著腐蝕環(huán)境的不斷惡化，高含水油井井筒腐蝕問題逐漸成為影響油田安全生產(chǎn)開發(fā)的難題[1-2]。油井套管、油管、管柱、鉆桿、抽油泵以及其他相關(guān)井下設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕穿孔以及斷裂失效等問題會造成油井井筒、管柱及設(shè)備的腐蝕失效事故，不僅會對油田的正常生產(chǎn)造成不利影響，還會帶來一定的安全隱患和大量的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。

經(jīng)過長時間的注水開采后，延長油田某區(qū)塊大部分的油井已經(jīng)進(jìn)入高含水或者特高含水階段，油井采出液中游離水相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，部分井含水率(w)可以達(dá)到90%左右。由于油井采出液的成分較為復(fù)雜，腐蝕性能較強(qiáng)，引發(fā)的井筒腐蝕問題不斷加劇，區(qū)塊內(nèi)的大部分油井檢修周期大幅縮短，作業(yè)頻繁，使得生產(chǎn)成本急劇升高，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的正常生產(chǎn)。因此，為解決延長油田高含水油井井筒腐蝕問題，筆者以該區(qū)塊內(nèi)油井井筒鋼材和井筒采出液為研究對象，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)，評價了油井采出液含水率、試驗(yàn)時間、試驗(yàn)溫度、溶解氧(ρ)以及采出液pH值對井筒鋼材腐蝕速率的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，有針對性的優(yōu)選出了性能較優(yōu)的緩蝕劑HSR-2，為提高延長油田高含水油井井筒的抗腐蝕性能提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試驗(yàn)材料及儀器

油井采出液，取自目標(biāo)油田現(xiàn)場；濃鹽酸、氫氧化鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高純氧氣(φ=99.999%)，陜西裕隆氣體有限公司；脂肪酸類咪唑啉緩蝕劑HSR-1、HSR-2和HSR-3，季銨鹽類咪唑啉緩蝕劑HDM-1和HDM-2，5種緩蝕劑的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為85%，自制。

高溫陳化釜，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；DZF-6050型恒溫干燥箱，上海恒科學(xué)儀器有限公司；RS232型電子分析天平，蘇州順強(qiáng)機(jī)電設(shè)備有限公司；PHS-3C型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 腐蝕試驗(yàn)評價方法

參照GB 10124—1988《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》，采用掛片失重法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，評價不同因素對延長油田高含水油井井筒鋼材腐蝕速率的影響。試驗(yàn)用鋼片使用目標(biāo)油田油井井筒鋼材加工而成，鋼材材質(zhì)為N80，鋼片尺寸為30 mm×15 mm×4 mm，腐蝕介質(zhì)為延長油田高含水油井采出液。

1.2.2 緩蝕劑性能評價方法

參照SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評價方法》，以緩蝕效率為評價指標(biāo)，對不同類型緩蝕劑的效果進(jìn)行了評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 井筒腐蝕影響因素

2.1.1 含水率的影響

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，溫度為45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)為5 mg/L，pH值為6，考察了油井采出液含水率對井筒鋼材腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可見：隨著油井采出液中含水率的逐漸升高，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率逐漸升高，當(dāng)含水率(w)升高至90%時，腐蝕速率可以達(dá)到0.5 mm/a以上。這是由于隨著油井采出液中含水率的增大，腐蝕介質(zhì)逐漸從油包水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗蜖顟B(tài)，在腐蝕試驗(yàn)過程中金屬鋼材表面與水相接觸的面積逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致鋼片的腐蝕速率逐漸增大。

2.1.2 試驗(yàn)時間的影響

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，腐蝕試驗(yàn)溫度為45 ℃，采出液中含水率(w)為80%，溶解氧(ρ)為5 mg/L，pH值為6，考察了試驗(yàn)時間對井筒鋼材腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可見：隨著腐蝕試驗(yàn)時間的逐漸延長，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，當(dāng)試驗(yàn)時間為24 h時，腐蝕速率高達(dá)0.594 mm/a，而當(dāng)試驗(yàn)時間延長至168 h時，腐蝕速率則降低至0.315 mm/a。這是由于在腐蝕試驗(yàn)的初期階段，金屬鋼材表面尚未形成有效的保護(hù)膜，腐蝕介質(zhì)中去極化物質(zhì)對腐蝕過程起到了較強(qiáng)的促進(jìn)作用，使得腐蝕速率較高；而當(dāng)腐蝕試驗(yàn)時間較長時，兩極反應(yīng)會消耗掉大部分的去極化物質(zhì)，腐蝕介質(zhì)中去極化物質(zhì)的含量逐漸減少，此時會在金屬鋼材表面形成一層較厚的保護(hù)膜，阻止腐蝕反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，降低腐蝕速率。

2.1.3 試驗(yàn)溫度的影響

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，采出液中含水率為80%，溶解氧(ρ)為5 mg/L，采出液pH值為6，考察了試驗(yàn)溫度對井筒鋼材腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可見：隨著腐蝕試驗(yàn)溫度的逐漸升高，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)試驗(yàn)溫度為25 ℃時，腐蝕速率低至0.1 mm/a以下，而當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至60 ℃時，腐蝕速率則升高至0.674 mm/a。這是由于金屬鋼材在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕過程會受到離子擴(kuò)散速率的影響，當(dāng)溫度升高時，腐蝕介質(zhì)中的離子擴(kuò)散速率顯著增大，進(jìn)而增大了鋼材的腐蝕速率。

2.1.4 溶解氧質(zhì)量濃度的影響

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，試驗(yàn)溫度為45 ℃，采出液中含水率(w)為80%，pH值為6，通過在采出液中通入高純氧氣來調(diào)節(jié)其溶解氧(ρ)，考察了采出液中溶解氧(ρ)對井筒鋼材腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可見：隨著油井采出液中溶解氧(ρ)的逐漸升高，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率逐漸升高，當(dāng)采出液中不含溶解氧時，腐蝕速率僅為0.106 mm/a，而當(dāng)采出液中溶解氧(ρ)升高至15 mg/L時，腐蝕速率則增大至0.972 mm/a。這是由于金屬鋼材在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕過程同樣會受到介質(zhì)中溶解氧擴(kuò)散速率的影響，當(dāng)腐蝕介質(zhì)中溶解氧(ρ)較高時，其擴(kuò)散速率就越快，此時溶液中的溶解氧極易與金屬鋼材表面產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，造成腐蝕速率增大。

2.1.5 pH值的影響

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，試驗(yàn)溫度為45 ℃，采出液中含水率(w)為80%，溶解氧(ρ)為5 mg/L。通過在采出液中加入濃鹽酸或氫氧化鈉溶液來調(diào)節(jié)其pH值，考察了采出液pH值對井筒鋼材腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可見：隨著采出液pH值的逐漸升高，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，采出液pH值由3增至10時，腐蝕速率則由0.841 mm/a降至0.157 mm/a，降低幅度明顯。這是由于在酸性腐蝕介質(zhì)中，H+的含量較多，其還原能力較強(qiáng)，導(dǎo)致腐蝕速率較大；而在堿性腐蝕介質(zhì)中，無機(jī)鹽離子會產(chǎn)生一定的沉積，使腐蝕介質(zhì)的腐蝕能力發(fā)生變化，另外，pH值越高，H+的含量則越低，進(jìn)而降低了腐蝕速率。

2.2 腐蝕防護(hù)措施研究

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合延長油田高含水油井現(xiàn)場實(shí)際情況，擬采取添加緩蝕劑的方式來降低井筒的腐蝕速率，進(jìn)而延長井筒的使用壽命。根據(jù)前期相關(guān)研究成果，咪唑啉類緩蝕劑能夠在高含水油井井筒采出液中發(fā)揮較好的緩蝕性能，因此，對幾種不同類型的咪唑啉類緩蝕劑進(jìn)行了優(yōu)選評價，主要包括脂肪酸類咪唑啉緩蝕劑HSR-1、HSR-2和HSR-3，以及季銨鹽類咪唑啉緩蝕劑HDM-1和HDM-2。

2.2.1 緩蝕劑類型優(yōu)選

按照1.2.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)介質(zhì)為含水率(w)80%的采出液，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，試驗(yàn)溫度為45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)為5 mg/L，pH值為6，緩蝕劑的加量(ρ)均為500 mg/L，考察了幾種不同類型緩蝕劑對延長油田高含水油井井筒鋼材緩蝕效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可見：不同類型的緩蝕劑對延長油田高含水油井井筒鋼材的緩蝕效率不同，其中緩蝕劑HSR-2的緩蝕效率最高，當(dāng)其加量(ρ)為500 mg/L時，對延長油田高含水油井井筒鋼材的緩蝕效率可以達(dá)到85%以上，緩蝕效率明顯高于其他類型的緩蝕劑。因此，選擇緩蝕劑HSR-2繼續(xù)進(jìn)行緩蝕劑加量優(yōu)選試驗(yàn)。

2.2.2 緩蝕劑加量優(yōu)選

按照1.2.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)介質(zhì)為含水率(w)80%的采出液，腐蝕試驗(yàn)時間為72 h，試驗(yàn)溫度為45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)為5 mg/L，pH值為6，考察了緩蝕劑HSR-2不同加量條件下對延長油田高含水油井井筒鋼材緩蝕效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

由圖7可見：隨著緩蝕劑HSR-2加量的不斷增大，緩蝕效率逐漸升高，當(dāng)緩蝕劑HSR-2的加量(ρ)增大至800 mg/L時，其對延長油田高含水油井井筒鋼材的緩蝕效率可以達(dá)到95%以上，再繼續(xù)增大緩蝕劑的加量，緩蝕效率基本不再升高。因此，綜合考慮緩蝕效果和經(jīng)濟(jì)成本等因素，推薦緩蝕劑HSR-2的最優(yōu)加量(ρ)為800 mg/L，在該緩蝕劑加量條件下，延長油田高含水油井井筒鋼材的腐蝕速率較低，能夠有效延長其使用壽命，提高延長油田高含水油井的整體開發(fā)效率。

3 結(jié)論

1)延長油田高含水油井井筒腐蝕影響試驗(yàn)結(jié)果表明：油井采出液含水率越高、試驗(yàn)溫度越高以及溶解氧質(zhì)量濃度越高，井筒鋼材的腐蝕速率就越大；而試驗(yàn)時間越長，采出液pH值越高，井筒鋼材的腐蝕速率越小。

2)腐蝕防護(hù)措施研究結(jié)果表明：在油井采出液中加入緩蝕劑能夠有效降低井筒鋼材的腐蝕速率，其中脂肪酸類咪唑啉緩蝕劑HSR-2的緩蝕效果最好，當(dāng)其加量(ρ)為800 mg/L時，緩蝕效率可以達(dá)到95%以上，達(dá)到了較好的緩蝕效果，能夠有效降低延長油田高含水油井井筒的腐蝕速率，提高油田的整體開發(fā)效率。