海上油田防腐潛油電泵耐C O2腐蝕性能試驗(yàn)研究

李令喜，高 強(qiáng)，梁鳳儒，黃新春，付 軍（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

海上油田防腐潛油電泵耐C O2腐蝕性能試驗(yàn)研究

李令喜，高 強(qiáng)，梁鳳儒，黃新春，付 軍
（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）①

我國海上油田潛油電泵腐蝕源以C O2為主，防腐潛油電泵機(jī)組選用的防C O2腐蝕材料有幾種，但國內(nèi)各潛油電泵廠家都沒有對該材料進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)。選取幾種常用的防C O2腐蝕材料，模擬海上油田的C O2腐蝕環(huán)境，試驗(yàn)研究每種材料的耐C O2腐蝕性能，并驗(yàn)證使用防腐材料的潛油電泵能否達(dá)到質(zhì)保要求。

海上油田；潛油電泵；C O2腐蝕；耐腐蝕性能

我國海上油田85%的機(jī)采井采用潛油電泵［1］，在開采開發(fā)過程中，腐蝕是常見問題。腐蝕會(huì)使?jié)撚碗姳猛鈿?qiáng)度下降，破壞橡膠密封件而造成密封失效［2］、腐蝕穿孔而造成潛油電泵外殼斷裂等。這些問題降低了潛油電泵的可靠性，縮短了潛油電泵的運(yùn)行壽命［3 4］。

從海上潛油電泵的腐蝕情況來看，C O2是造成海上油田潛油電泵腐蝕的主要原因，絕大多數(shù)井C O2含量為0．1%～40%，個(gè)別油井CO2含量達(dá)到85%。C O2的腐蝕不僅取決于其含量，更與含水量、C O2分壓、溫度、pH值、井液的礦化度、流速等因素的綜合作用有關(guān)［5 6］。

目前，國內(nèi)潛油電泵廠家使用的防腐機(jī)組在選材上基本相同，但是沒有對防腐機(jī)組材料做過相關(guān)的耐腐蝕性能試驗(yàn)，對于防腐機(jī)組的耐腐蝕性能沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

通過對幾種防C O2腐蝕的材料進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)，研究防腐機(jī)組的腐蝕速率，從而可計(jì)算防腐潛油電泵機(jī)組的使用壽命。

1 試驗(yàn)方案

1．1 試驗(yàn)環(huán)境

選取海上油田腐蝕環(huán)境較惡劣的條件做試驗(yàn)，其中試驗(yàn)參數(shù)選取如下：

1） 按照井下腐蝕環(huán)境較惡劣的南海某油田進(jìn)行水質(zhì)選取，水質(zhì)成分如表1所示。

表1 水質(zhì)成分

2） 對應(yīng)上述水質(zhì)分析結(jié)果，模擬水配方如表2所示。

表2 模擬水配方

3） 周期：72 h。

4） 溫度：95℃、125℃、155℃（目前，海上油田常用的潛油電泵適用井溫等級分為90℃、120℃、150℃3種）。

5） 壓力：2 M Pa、4 M Pa（對應(yīng)的C O2分壓為0．8 M Pa、1．6 M Pa），其中C O2含量均為40%，其余天然氣成分用N2代替，無H2S。

6） 流速：1 m／s；2 m／s。

1．2 試驗(yàn)材料

目前海上油田常用的防腐潛油電泵機(jī)組采用的防腐方案為：連接螺栓、軸采用蒙乃爾（Monel K500），花鍵套采用1Cr18 Ni9，葉輪、導(dǎo)殼采用高鎳鑄鐵，電纜頭外殼采用2Cr13，引接電纜鎧皮采用304不銹鋼。其他零部件需根據(jù)電泵的使用環(huán)境情況來確定潛油電泵機(jī)組的材質(zhì)。其中，機(jī)組在125℃以下井溫運(yùn)行時(shí)，機(jī)殼材質(zhì)選擇9Cr1 Mo，頭、座材質(zhì)選擇2Cr13；在125～155℃井溫運(yùn)行時(shí)機(jī)殼材質(zhì)選擇304不銹鋼，機(jī)組頭、座材質(zhì)選擇2Cr13；這些防腐材料的耐腐蝕性比較強(qiáng)。根據(jù)防腐方案，試驗(yàn)材料選用如表3所示。

表3 試驗(yàn)材料

1．3 試驗(yàn)方法

模擬腐蝕環(huán)境較惡劣的南海某油田井下工況，對試驗(yàn)材料進(jìn)行耐腐蝕性評價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)參照A S T M G170—2006《在試驗(yàn)室中評價(jià)與鑒定油田和煉廠用腐蝕抑制劑的標(biāo)準(zhǔn)指南》，利用室內(nèi)動(dòng)態(tài)高溫高壓腐蝕評價(jià)釜進(jìn)行，評價(jià)釜如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用動(dòng)態(tài)高溫高壓腐蝕評價(jià)釜

1） 取試驗(yàn)用水樣2．1 L加入到高溫高壓釜中，將已測量稱重的腐蝕掛片安裝到釜內(nèi)夾具上，如圖2所示。其中：對于單材質(zhì)耐蝕性評價(jià)，將3片同種材質(zhì)腐蝕掛片安裝到釜內(nèi)夾具上。對于電化學(xué)腐蝕評價(jià)，將2組（各2片）異種材質(zhì)腐蝕掛片安裝到釜內(nèi)夾具上。

圖2 設(shè)備內(nèi)掛片夾具

2） 到設(shè)定試驗(yàn)周期72 h后停止試驗(yàn)，拆釜，取出試驗(yàn)后掛片，觀察、記錄掛片表面腐蝕狀態(tài)及腐蝕產(chǎn)物粘附情況。

3） 試驗(yàn)完成后進(jìn)行腐蝕速率計(jì)算，均勻腐蝕速率的計(jì)算公式為：

式中：rcorr為均勻腐蝕速率，m m／a；m為試驗(yàn)前的試片質(zhì)量，g；mt為試驗(yàn)后的試片質(zhì)量，g；St為試片總面積，cm2；ρ為試片材料的密度，g／cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 化學(xué)腐蝕

試驗(yàn)后，利用式（1）計(jì)算得出每組試驗(yàn)環(huán)境下單材質(zhì)耐腐蝕材料的腐蝕速率，如表4所示。

表4 防腐材料腐蝕速率

從表4可以看出，在試驗(yàn)所選取的不同溫度、不同C O2分壓條件下，各材料的耐腐蝕性能由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋?04＞1Cr18 Ni9＞2Cr13＞M onel＞含鎳鑄鐵＞9Cr1 M o＞45＃。按照Q／H S2064 2011《海上油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)內(nèi)腐蝕防護(hù)管理要求與效果評價(jià)方法》對試驗(yàn)中各材料的腐蝕程度進(jìn)行劃分，其中304、1Cr18 Ni9、2Cr13屬于輕度腐蝕，M onel、含鎳鑄鐵、9Cr1 M o屬于中度腐蝕，45＃鋼屬于嚴(yán)重腐蝕。

另外，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出：在相同溫度、流速情況下，所有材料都隨著C O2分壓的提高而加速腐蝕；在相同溫度C O2分壓、溫度的情況下，所有材料都隨著流速的升高而加速腐蝕；在相同溫度C O2分壓、流速的情況下，45＃鋼隨著溫度的升高腐蝕速率降低，其他材料隨著溫度的升高腐蝕速率升高。

根據(jù)海上油田常見的腐蝕井況，分析不同井溫、壓力、流速下各種電泵防腐材料的耐腐蝕性，計(jì)算不同腐蝕環(huán)境下防腐潛油電泵的運(yùn)行壽命。

1） 低溫腐蝕井況。井溫95℃、壓力4 M Pa、流速2 m／s。這種環(huán)境是海上油田較常見的腐蝕井況，其中腐蝕速率最為嚴(yán)重的為9Cr1 M o和含鎳鑄鐵，腐蝕速率分別達(dá)到了0．124 1 m m／a和0．122 4 m m／a，其他材料的腐蝕速率可忽略，如圖3所示。

圖3 低溫腐蝕井況各材料腐蝕速率對比

2） 中溫腐蝕井況。井溫125℃、壓力4 M Pa、流速2 m／s。腐蝕最為嚴(yán)重的為9Cr1 M o和含鎳鑄鐵，腐蝕速率分別達(dá)到了0．196 5 m m／a和0．187 9 m m／a，其他材料的腐蝕速率可忽略，如圖4所示。

圖4 中溫腐蝕井況各材料腐蝕速率對比

3） 高溫腐蝕井況。井溫155℃、壓力4 M Pa、流速2 m／s。模擬的是海上油田最嚴(yán)重的腐蝕井況，其中腐蝕最為嚴(yán)重的9Cr1 M o和含鎳鑄鐵，腐蝕速率分別達(dá)到了0．256 3 m m／a和0．231 2 m m／a，其他材料的腐蝕速率可忽略，如圖5所示。

圖5 高溫腐蝕井況各材料腐蝕速率對比

4） 不同腐蝕環(huán)境下潛油電泵運(yùn)行壽命計(jì)算。

根據(jù)潛油電泵機(jī)組各部件的尺寸結(jié)構(gòu)及腐蝕情況分析，受腐蝕影響最嚴(yán)重的零部件為電泵機(jī)殼，計(jì)算機(jī)殼的使用壽命即為潛油電泵機(jī)組的壽命。機(jī)殼的受力模型如圖6所示。

圖6 機(jī)殼受力模型

由平衡條件∑u＝0，得

式中：σθ為水平縱向截面環(huán)向應(yīng)力，M Pa；l為電泵泵殼長度，m；p為泵殼內(nèi)壁壓力，MPa；R為泵殼外徑，mm；r為泵殼內(nèi)徑，mm；φ為環(huán)向半徑與水平縱向截面的夾角，rad。

由式（2）得

在防腐潛油電泵機(jī)組運(yùn)行一定的時(shí)間t后，機(jī)殼的應(yīng)力為

式中：v為腐蝕速率，m m／a；t為機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，a；［σ］為許用強(qiáng)度。其中，腐蝕速率選取腐蝕最嚴(yán)重的9Cr1 Mo的腐蝕速率，9Cr1 M o的許用強(qiáng)度［σ］＝170．8 MPa。

由式（4）可得

按式（5）計(jì)算在低溫、中溫、高溫條件下，防腐電泵運(yùn)行的最長時(shí)間分別為8 979 d、5 657 d、4 343 d。海上油田對潛油電泵運(yùn)行的質(zhì)保期要求為850 d，因此，采用以上耐C O2腐蝕材料的防腐潛油電泵的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于質(zhì)保期的要求。

2．2 電化學(xué)腐蝕

由于潛油電泵各零部件選用不同材料，電泵工作時(shí)沉沒在井液中，相當(dāng)于電解液，所以有直接接觸的各零部件之間還存在著電化學(xué)腐蝕。這種條件下，部分材料會(huì)加速腐蝕，所以需考慮潛油電泵幾個(gè)重要受力部件的電化學(xué)腐蝕速率問題。

其中電化學(xué)腐蝕主要考慮以下幾組：頭座（2Cr13）與機(jī)殼（9Cr1 M o）接觸；引接電纜（304）與機(jī)殼（9Cr1 M o）接觸；螺栓（M onel）與頭座（2Cr13）接觸；頭座（2Cr13）與引接電纜（304）接觸。

通過腐蝕速率對比，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕對幾種常見的電泵防腐材料有影響，如圖7～9所示。

圖7 低溫電化學(xué)腐蝕各材料腐蝕速率對比

圖8 中溫電化學(xué)腐蝕各材料腐蝕速率對比

圖9 高溫電化學(xué)腐蝕各材料腐蝕速率對比

在電化學(xué)腐蝕的影響下，用式（5）計(jì)算在低溫、中溫、高溫條件下防腐電泵運(yùn)行的最長時(shí)間分別降低32．5%、30%、3 0．8%，分別為6 059 d、3 959 d、3 004 d，防腐潛油電泵的運(yùn)行時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)保期的要求。

3 結(jié)論

1） 除45＃鋼以外，其他耐腐蝕材料的腐蝕速率受環(huán)境溫度、C O2分壓、材料表面流速3方面影響，流速越快、C O2分壓越大、溫度越高，腐蝕速率越快。

2） 幾種材料的耐腐蝕性由強(qiáng)到弱依次是304不銹鋼、1Cr18 Ni9、2Cr13、Monel、含鎳鑄鐵、9Cr1 Mo、45＃鋼，可根據(jù)使用環(huán)境不同、加工工藝和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮選材。

3） 海上油田電泵機(jī)組質(zhì)保期最長為850 d，采用耐C O2腐蝕材料的防腐機(jī)組按試驗(yàn)腐蝕速率計(jì)算，機(jī)組在質(zhì)保期內(nèi)不會(huì)因?yàn)楦g原因造成機(jī)組故障。

［1］ 黃啟忠，朱學(xué)海，石博士，等．渤海油田電潛泵出租方的主要應(yīng)對措施和效果［J］．海洋石油，2009，29（4）：94 98．

［2］ 丁學(xué)光．潛油電泵金屬波紋管儲(chǔ)油腔設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（11）：63 66．

［3］ 韓錫鵬，張立軍，王錦程，等．潛油電泵用單流閥的沖蝕研究［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（8）：85 87．

［4］ 梅思杰，邵永實(shí)，劉軍．潛油電泵技術(shù)服務(wù)手冊［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2004．

［5］ 朱克華，劉云，蘇娜，等．油井二氧化碳腐蝕行為規(guī)律及研究進(jìn)展［J］．全面腐蝕控制，2013，27（10）：23 26．

［6］ 徐劍明，鄭璐璐，李亮，等．普光氣田N 80套管多元腐蝕行為試驗(yàn)研究［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（6）：40 44．

Experimentai Research on CO2Corrosion Resistance of Anti corrosion ESP in Offshore Oiifieid

LI Lingxi，GAOQiang，LIANG Fengru，HUANGXinchun，F(xiàn)U Jun
（EnerTech Drilling&Production Co．，CN OOC，Tianjin300452，China）

The main corrosion medium of ESP is CO2in offshore oilfield．Anti corrosion materialusing for ESP concentrated in the range of several CO2corrosion resistant materials，but do mestic ESP manufacturers have been not experimental about corrosion resistance of these materials．Se lecting several common CO2anti corrosion materials，experiments are done on CO2corrosion resistance each material which sim ulated in CO2corrosion environ ment of offshore oilfield．Each material resistance of CO2corrosion is studied，and ESP using anti corrosion materials can achieve operational warranty requirements．

offshore oilfield；electric sub mersible pu m p；CO2corrosion；corrosion resistance

T E952

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．013

1001 3482（2015）06 0055 05

①2014 12 23

中國海洋石油總公司基金資助項(xiàng)目“防腐防垢潛油電泵機(jī)組開發(fā)”（CNOOC KJ125 ZDXM 06 LTD NFCJF 2012 04）

李令喜（1981 ），男，山東聊城人，工程師，現(xiàn)從事潛油電泵產(chǎn)品的研發(fā)工作。