注空氣輔助蒸汽吞吐油套管安全性研究與應(yīng)用

楊 雪 峰

（長(zhǎng)江大學(xué)地科院石油地質(zhì)，湖北 荊州 434023 ）

注空氣輔助蒸汽吞吐油套管安全性研究與應(yīng)用

楊 雪 峰

（長(zhǎng)江大學(xué)地科院石油地質(zhì)，湖北 荊州 434023 ）

注空氣輔助蒸汽吞吐是一種有效的采收率技術(shù)，同時(shí)與注氮?dú)?、CO2相比是一種氣源來源廣泛又較為經(jīng)濟(jì)的驅(qū)油技術(shù)。在遼河油田大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較為理想的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，空氣的腐蝕作用也不容忽視。通過介紹空氣及其產(chǎn)物的腐蝕機(jī)理，給出具體實(shí)施過程中的防范措施。

空氣； 腐蝕； CO2； 鋼鐵； 防范措施

稠油注空氣輔助蒸汽吞吐采油技術(shù)應(yīng)用于稠油、超稠油中后期開發(fā)補(bǔ)充地層能量，具有明顯改善開發(fā)效果和較高的經(jīng)濟(jì)效益。但是開發(fā)過程中常出現(xiàn)注空氣管柱在注空氣或蒸汽過程中出現(xiàn)井內(nèi)管柱脫落及嚴(yán)重變形等現(xiàn)象。而周圍生產(chǎn)井出現(xiàn)抽油泵及抽油管柱腐蝕斷脫現(xiàn)象，從而影響了原油的正常生產(chǎn)，不利于本項(xiàng)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。造成此現(xiàn)象的主要因素是CO2、氧氣、油藏的pH值等。因此有必要對(duì)其腐蝕機(jī)理及其防護(hù)措施進(jìn)行研究。

1 原油反應(yīng)特性試驗(yàn)

曙光油田稠油為研究對(duì)象，通過高溫高壓反應(yīng)釜靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了注空氣低溫氧化過程中的氧含量及其它氣體產(chǎn)物的變化情況。不同溫度和壓力下空氣與稠油靜態(tài)反應(yīng)3 d后產(chǎn)出氣體的組成見表1。

表1 不同溫度和壓力下稠油與空氣反應(yīng)3天后產(chǎn)出氣體的組成Table 1 Composition of gas from reaction of heavy oil with air for 3 days under different temperature and pressure

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：曙光油田稠油低溫氧化反應(yīng)[1]的溫度低于300 ℃，峰值溫度為250 ℃；反應(yīng)氣體產(chǎn)物主要是余O2、CO2和CO，并有少量烴氣、SO2和H2S生成，余氧濃度一般低于4%。

2 腐蝕機(jī)理

2.1 O2腐蝕機(jī)理

影響注空氣腐蝕的有注入空氣壓力、流速及其溫度等主要因素[2]由表2可見,注入空氣參數(shù)對(duì)N80掛片腐蝕速率有較顯著影響。促進(jìn)腐蝕作用有空氣注入流速和壓力, 在常壓狀態(tài)下，當(dāng)空氣流速由0突增為1.5 L/min時(shí),腐蝕速率則從0.021 mm/a猛增到1.000 mm/a,增加了46.6倍。當(dāng)空氣注入壓力由常壓增到5.0 MPa時(shí),腐蝕速率則從0.021 mm/a激增至1.840 mm/a, 每年增加了1.819 mm。當(dāng)空氣溫度為50℃時(shí)，壓力變化對(duì)試驗(yàn)材料的腐蝕速率影響不顯著；當(dāng)溫度和壓力同時(shí)增加, 腐蝕速率略有增加,氧在腐蝕介質(zhì)中的擴(kuò)散速率加快與氧分壓的增大有關(guān)。

表2 空氣注入對(duì)N80掛片腐蝕速率的影響Table 2 Effect of air injection on corrosion rate of N80 coupon

2.1.1 空氣濕度對(duì)腐蝕的影響

水蒸汽在空氣中的含量，對(duì)鋼材的腐蝕影響較大。由圖1可見, N80掛片隨空氣中水含量增加，腐蝕速度同時(shí)也在加快；當(dāng)含水量超過50 mL后的腐蝕速率由弧線轉(zhuǎn)為直線上升；當(dāng)空氣中水含量達(dá)到飽和后，腐蝕速率達(dá)到最大為0.173 m/a, 比在干燥空氣環(huán)境中的腐蝕速率 0.003 mm/a 增大 0.170 mm/a。

圖1 濕度對(duì)腐蝕的影響Fig.1 The influence of humidity on corrosion

2.2 CO2腐蝕機(jī)理

鋼鐵在CO2水溶液中的腐蝕總反應(yīng)[3]可表示為∶

CO2+H20+Fe ? FeCO3+H2

據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明,二氧化碳腐蝕通常表現(xiàn)為沉積物底部的局部腐蝕和全面腐蝕兩者共存。結(jié)垢物CaCO3及腐蝕產(chǎn)物 FeCO3或在鋼鐵表面不同區(qū)域有不同的生成物膜且覆蓋度不同,在不同覆蓋度的區(qū)域之間形成具有很強(qiáng)自催化特性的腐蝕電偶, 自催化腐蝕電偶作用導(dǎo)致CO2的局部腐蝕。

2.2.1 二氧化碳腐蝕的影響因素

（1）二氧化碳腐蝕的受影響的一個(gè)十分重要影響因素是溫度,依據(jù)CO2產(chǎn)生腐蝕機(jī)理將其溫度區(qū)間[4]分為三個(gè)∶

當(dāng)溫度小于60 ℃時(shí)，由于產(chǎn)物是不致密腐蝕膜,所以隨溫度的增加腐蝕速率而增大。中溫區(qū)為100 ℃上下的,由于產(chǎn)生粗松的 FeCO3結(jié)晶膜,所以使導(dǎo)致更加嚴(yán)重局部腐蝕,腐蝕速率達(dá)到該條件下的極大值。當(dāng)溫度高于150 ℃為高溫區(qū),由于產(chǎn)生了細(xì)致緊密且附著力強(qiáng)的的 FeCO3和 Fe3O4膜,從而弱化了腐蝕的進(jìn)行,腐蝕速率大大降低。

（2）二氧化碳分壓的影響

二氧化碳分壓是影響 CO2腐蝕的一個(gè)主要參數(shù)。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明PCO2＞ 0.2 MPa腐蝕環(huán)境 為二氧化碳。稠油和超稠油生產(chǎn)過程中溫度均在100 ℃及以上范圍內(nèi)因此本文只考慮中高溫度的CO2腐蝕情況。當(dāng)處在在中溫區(qū)域時(shí), 腐蝕速度的加快是二氧化碳分壓的增大導(dǎo)致的結(jié)果,這是因?yàn)殡m然此時(shí)膜形成,但是因?yàn)榇藭r(shí)膜質(zhì)地厚而松疏,沒有防護(hù)性。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明在高溫區(qū)域,∶當(dāng)PCO2= 3. 0 MPa時(shí)的腐蝕速率要比PCO2= 0. 1 MPa時(shí)的腐蝕速率慢很多,這是由于FeCO3保護(hù)膜的形成，在高的二氧化碳分壓下最為有利。

（3）氧氣的影響

據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明, 在二氧化碳和氧氣的共同存條件下，會(huì)加快氧化腐蝕速度，不利于原油正常生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本有所提高，增加了作業(yè)頻率。在二氧化碳腐蝕過程中，氧氣起到很大的催化作用。當(dāng)保護(hù)膜未在鋼鐵表面形成時(shí), 腐蝕速度隨 O2的含量增加而加速,當(dāng)保護(hù)膜在鋼鐵表面已生成時(shí), 腐蝕速度與氧氣的含量多少關(guān)系不大,幾乎起不到什么作用。而在氧的飽和溶液中，CO2主要起催化作用會(huì)使腐蝕速率大大提高。

2.3 空氣與原油反應(yīng)對(duì)原油酸值影響

稠油經(jīng)氧化后, 從反應(yīng)后尾氣組成成份來看,尾氣中氧含量降低,稠油氧化后，氧在尾氣中含量最低, 可見稠油與氧氣的反應(yīng)是吸氧反應(yīng), 稠油被氧化為相應(yīng)的醇、醛、酮及其羧酸衍生物, 消耗了空氣中的O2,使稠油的酸值增加。如下表所示隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)及反應(yīng)溫度的長(zhǎng)升提高原油的酸值提高了（如表3所示）。

表3 注入時(shí)間和溫度對(duì)酸值的影響Table 3 The effect of the injection temperature and time on the acid value

3 防范措施

3.1 設(shè)計(jì)階段

在選擇措施井時(shí)候?qū)掠筒剡B通情況進(jìn)行初步了解，對(duì)容易發(fā)生氣竄的油井，作出告知或者避開易竄油井。如果避不開就要對(duì)其中的容易氣竄的油井作為重點(diǎn)井進(jìn)行監(jiān)控，并采取必要發(fā)防護(hù)措施。

3.2 注空氣本井

（1）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使注空氣對(duì)注氣管柱影響最??；注空氣井在注入階段采用射流攜液器將金屬催化劑及緩蝕劑注入到油層中，解決了由于相滲差異導(dǎo)致空氣去向與催化劑、緩蝕劑去向不完全一致、催化劑利用率低、緩蝕效果差等難題，影響空氣調(diào)剖效果；同時(shí)在金屬催化劑或緩蝕劑中加入助劑使之原油中的醇、醛、酮及其羧酸衍生物反應(yīng)生成表面活性劑，對(duì)原油起到一定的降粘作用，以降低原油的酸值，減少其對(duì)油藏中管柱的腐蝕。

（2）在空氣雨季濕度較大的時(shí)，對(duì)空氣采取除溫措施以減少注氣過程中對(duì)注氣管柱的腐蝕；

（3）對(duì)部分周圍監(jiān)測(cè)井中氧氣及二氧化碳超標(biāo)的井采用加緩蝕劑（咪哇琳衍生物與硫脈復(fù)合劑）的方法，由套管閥門注入，在井底經(jīng)抽油泵將混合均勻帶有緩蝕劑原油從抽油泵返出，使其在油管的內(nèi)外壁及套管內(nèi)壁均勻分布，使其在鋼材表面形成保護(hù)膜，可以使井下管柱與井下腐蝕介質(zhì)之間相互隔絕不接觸；

（4）在注空氣輔助吞吐區(qū)域打新井時(shí)，新井套管采用耐腐蝕、耐高溫氧化性能勝于 13Cr不銹鋼、遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于N80的鎳基合金復(fù)合電鍍特種油管（性價(jià)比相對(duì)較高）。

3.3 周圍臨井

為了保證注空氣措施的安全實(shí)施，在以注空氣井為中心，以100 m井距為半徑劃圓，100 m內(nèi)的為一線井，100到200 m的為二線井，200到300 m的為三線井進(jìn)行套管氣含氧量監(jiān)測(cè)，以防止氧氣含量超標(biāo)發(fā)生井筒爆炸。通過對(duì)周圍一、二、三線井的套管氣氧氣含量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在普通過稠油區(qū)塊其含量在 0.00%～0.33%之間，套壓在0.00～0.000 1 MPa之間，此值均在安全范圍內(nèi)。為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)采用了套管氣在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)出現(xiàn)超過警戒值油井采取措施。在油套環(huán)形空間加入緩蝕劑，以減輕其對(duì)油套管及深井泵的影響。

3.4 注空氣井生產(chǎn)階段

注蒸汽后燜井放噴時(shí)，監(jiān)測(cè)從油井放出流體中的O2及CO2含量，當(dāng)O2含量超過3%時(shí)控制放噴速度，以防止放噴過程中由于放噴速度過大而引起油井出砂，而引起砂子與油套管壁碰撞產(chǎn)生火花進(jìn)而引起井筒爆炸，當(dāng)氧氣含量降到安全值時(shí)方可下泵（采用耐腐蝕性能較高的深井泵）生產(chǎn)，當(dāng) O2及CO2含量較高時(shí)采用從油套環(huán)形空間注入緩蝕劑，以減輕泵的不良因素對(duì)泵的影響；

4 結(jié) 論

注空氣輔助蒸汽吞吐通過大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在采取采取一定的技術(shù)措施，可以減少其對(duì)管柱的不良影響，能夠在注空氣保證油管、套管、深井泵的安全。

［1］張守軍. 超稠油注空氣強(qiáng)化采油實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用以曙光油田杜 80 塊為例[J].特種油氣藏,2012，19（5）：143.

［2］艾俊哲,賈紅霞,舒福昌,梅平. 油氣田二氧化碳腐蝕及防護(hù)技術(shù)[J].湖北化工,2002(3)：3.

［3］李廷取, 吳化, 李雪松. 天然氣輸氣管線鋼的CO2腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護(hù),2008(5)∶262.

［4］萬里平,等. 油氣田開發(fā)中的二氧化碳腐蝕及影響因素[J]. 全面腐蝕控制,2003(4)∶15.

Research on the Safety of Casing in Steam-assisted Air Stimulation

YANG Xue-feng
(Institute of Petroleum Geology, Yangtze University, Hubei Jinzhou 434023, China)

Steam-assisted stimulation is an effective technique to enhance oil recovery, and compared with the nitrogen injection and CO2injection, air injection is a kind of economical flooding technology. The steam-assisted stimulation has obtained ideal economic benefit in large-scale industrial application of Liaohe oilfield. At the same time, corrosive problems of air cannot be ignored. In this paper, the mechanism and corrosion products of the air were introduced; specific prevention measures were put forward.

Air; Corrosion; CO2; Iron and steel; Preventive measures

TE 357

A

1671-0460（2015）08-2179-03

2015-05-04

楊雪峰（1994-），男，遼寧盤錦人。E-mail：yangxuefeng@126.com。