多元熱流體熱采井篩管腐蝕試驗及分析

董社霞 張海龍 季公明 李效波

（中海油田服務股份有限公司油生研究院）

渤海油田稠油儲量占總儲量的70%以上，開發(fā)初期主要采取冷采模式進行開發(fā)，開發(fā)效果不夠理想。中海油NB35－2區(qū)塊從2008年開始實施多元熱流體熱采技術，取得了較好的開發(fā)效果。但多元熱流體中的O2和CO2溶解于水后產(chǎn)生的H＋具有腐蝕性，對出砂井防砂篩管的損害會導致油井出砂造成油井停產(chǎn)。目前，國內對CO2腐蝕的研究工作十分重視，多家研究機構及院校在CO2腐蝕機理和防護技術等方面做了大量的工作［1－7］。通過文獻調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究資料基本都是考慮CO2單一介質作用下的腐蝕影響，而現(xiàn)場伴注隔熱的N2中含有一定量的O2，同時多元熱流體中由于燃燒不充分也會有余氧。因此，對于在CO2和O2共存條件下，注入階段和生產(chǎn)階段不同溫度對防砂篩管材料腐蝕的影響分析就顯得十分必要。

1 實驗方法

通過篩管多元熱流體腐蝕模擬實驗，運用腐蝕宏觀形貌對比、SEM及EDS分析手段，研究不同篩管材料在油井開采階段及注熱階段受多元熱流體腐蝕破壞的腐蝕速率和形貌特征，得到多元熱流體熱采井篩管材料腐蝕影響規(guī)律，并根據(jù)現(xiàn)有的腐蝕實驗數(shù)據(jù)對篩管材料的腐蝕速率進行預測。

2 實驗條件

海上常用篩管的基管材料為TP100、3Cr和N80，過濾網(wǎng)材料為316L金屬網(wǎng)和434金屬棉，因此對這5種材料進行腐蝕速率試驗，考慮到注熱階段和生產(chǎn)階段的流體組分、壓力條件、注入速度、生產(chǎn)制度，制定了試驗參數(shù)（表1）。

表1 注熱階段／生產(chǎn)階段不同溫度條件下篩管用材質的腐蝕試驗條件Table 1 Screen corrosion test condition at various temperatures in injection ＆ production

3 注熱階段腐蝕分析與預測

在p（CO2）3．0MPa，p（O2）0．6MPa時，分別在160、200和240℃3種溫度下開展腐蝕實驗，通過實驗觀察到：

（1）316L不銹鋼基本不發(fā)生腐蝕，腐蝕前后的基體表面沒有明顯變化。

（2）3Cr鋼在160℃時腐蝕速率較大，形成一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，酸洗后可以看到基體上密集的點蝕坑。隨著溫度的升高，3Cr鋼腐蝕速率明顯下降，在200℃其腐蝕產(chǎn)物膜已經(jīng)很薄，酸洗后基體分布著較多淺的點蝕坑。240℃時3Cr鋼酸洗后基體只是在局部區(qū)域出現(xiàn)點蝕坑。

（3）N80鋼腐蝕在160℃腐蝕比較輕微，表現(xiàn)為全面腐蝕，酸洗后基體只有少量麻點，在200℃時麻點數(shù)量明顯增多，240℃轉為局部腐蝕，基體出現(xiàn)很多大的點蝕坑。

（4）TP100與N80類似，隨著溫度的升高由全面腐蝕向局部腐蝕轉變。

（5）434金屬棉隨著溫度的升高腐蝕速率有所增加。160℃時金屬棉顏色比較光亮，基本沒有腐蝕。200℃時金屬棉失去金屬光澤，但比較輕微。隨著溫度的升高，240℃時金屬棉整體呈現(xiàn)棕褐色。

表2是5種材料在注熱階段3個不同溫度條件下實驗所測的平均腐蝕速率，通過數(shù)據(jù)回歸擬合，得到平均速率隨溫度變化的曲線（見圖1）。

表2 篩管材料在注熱階段的平均腐蝕速率Table 2 Screen average corrosion rate in injection

4 生產(chǎn)階段腐蝕分析與預測

在p（CO2）1．5MPa，p（O2）0．3MPa時，分別對60、90和120℃3種溫度下開展腐蝕實驗，通過實驗觀察到：

（1）在生產(chǎn)階段3種溫度下，316L不銹鋼未發(fā)生明顯的腐蝕，腐蝕前后表面未出現(xiàn)明顯的變化。

（2）3Cr鋼在60℃時表面有紅褐色的銹層生成，但不均勻，出現(xiàn)一些破損區(qū)域，酸洗之后，基體表面有明顯的點蝕坑，部分區(qū)域沒有明顯的腐蝕；90℃時表面生成較厚的腐蝕產(chǎn)物膜，局部嚴重鼓泡，酸洗后的基體表面存在大量比較淺的蝕坑，蝕坑區(qū)域對應酸洗前腐蝕產(chǎn)物膜鼓泡處；120℃時，表面腐蝕較為嚴重，表層腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)局部剝落，部分區(qū)域出現(xiàn)銹層堆積，酸洗除去腐蝕產(chǎn)物膜后，該區(qū)域出現(xiàn)明顯的溝槽腐蝕區(qū)。

（3）N80鋼在3個溫度條件下均發(fā)生明顯的腐蝕。60℃時，表面形成一層黃褐色均勻的腐蝕產(chǎn)物膜，局部產(chǎn)物膜出現(xiàn)脫落，酸洗后，基體表面可見許多細小的、均勻分布的麻點，表現(xiàn)為全面腐蝕；90℃時，表面生成較厚的腐蝕產(chǎn)物膜，該腐蝕產(chǎn)物膜比60℃時形成的更為致密堅硬，但仍出現(xiàn)輕微脫落現(xiàn)象，酸洗后基體表面以均勻分布的麻點為主，局部有少量蝕坑，腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為全面腐蝕；120℃時，腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)局部的剝離和鼓泡現(xiàn)象，酸洗后，可見基體表面的麻點變大，其腐蝕形態(tài)仍為全面腐蝕。

（4）TP100鋼在60℃時，其表面形成一層均勻致密的黃褐色腐蝕產(chǎn)物膜，酸洗后的基體表面可見許多細小的、均勻分布的麻點，腐蝕形態(tài)為全面腐蝕；90℃時，腐蝕產(chǎn)物膜比60℃的疏松，酸洗后基體表面出現(xiàn)了局部的腐蝕孔，腐蝕形態(tài)由全面腐蝕向局部腐蝕轉變；120℃時，試樣表面生成棕褐色較為致密的腐蝕產(chǎn)物膜，酸洗后試樣表面較為均勻，腐蝕形態(tài)為全面腐蝕。

（5）434金屬棉60℃時，部分金屬棉表面有黃褐色銹層生成，銹層多附著于金屬棉絲的表面，較少有金屬棉絲脫落現(xiàn)象和斷碎現(xiàn)象；90℃時，銹層在金屬棉絲的表面分布較為均勻，顏色從60℃時的黃褐色逐步轉為紅褐色，有少許金屬棉絲的斷碎現(xiàn)象，酸洗后金屬棉絲的碎屑增多，金屬棉絲尺寸變細；120℃時，金屬棉絲出現(xiàn)嚴重腐蝕和斷碎現(xiàn)象，紅褐色銹層在金屬棉表面堆積，和60℃、90℃相比，120℃時金屬棉絲腐蝕和斷裂現(xiàn)象最為嚴重。

表3是5種材料在生產(chǎn)階段3個不同溫度條件下實驗所測的平均腐蝕速率，通過數(shù)據(jù)回歸擬合，得到平均速率隨溫度變化的曲線（見圖2）。

表3 篩管材料在生產(chǎn)階段的平均腐蝕速率Table 3 Screen average corrosion rate in production

5 認識與結論

（1）在生產(chǎn)階段和注熱階段，不同材質腐蝕速率變化差別較大。316L腐蝕速率最低且在生產(chǎn)階段和注熱階段腐蝕速率變化不大；434金屬棉在注熱階段的腐蝕速率低于生產(chǎn)階段，但是差別不是非常顯著；TP100在注熱階段的腐蝕速率顯著低于生產(chǎn)階段，而N80在注熱階段的腐蝕速率也低于生產(chǎn)階段，但是在240℃，其具有較高的腐蝕速率。

（2）通過上述研究認為，316L在生產(chǎn)和注熱階段，均具有優(yōu)異的耐蝕性能；對TP100和N80兩種基管材質，需要控制在生產(chǎn)階段的腐蝕，相比之下，N80鋼性能優(yōu)于TP100；3Cr鋼在生產(chǎn)階段的腐蝕速率出現(xiàn)比較大的變化，在90℃出現(xiàn)腐蝕速率的峰值；在CO2和O2共存條件下，在生產(chǎn)階段和注熱階段，相對于TP100和N80，3Cr鋼不具有突出的耐蝕性能；434金屬棉在生產(chǎn)階段的腐蝕速率高于注熱階段，尤其在生產(chǎn)階段出現(xiàn)金屬棉絲碎斷的現(xiàn)象，影響擋砂效果，在多元熱流體井中不推薦采用。

（3）防砂篩管基管的選擇需要有足夠的強度和高溫穩(wěn)定性，根據(jù)實驗分析結果，在多元熱流體熱采井中，二者兼顧時建議防砂篩管的基管采用TP 100，但在注熱階段和生產(chǎn)階段需加入緩蝕劑，同時生產(chǎn)階段加入緩蝕劑的濃度應大大高于注入階段。

（4）在現(xiàn)場實施過程中，建議采用緩蝕劑減少CO2腐蝕，但在過高溫度條件下，緩蝕劑的防腐效果有待通過實驗評價來進一步驗證。

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