在役井腐蝕監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

羅 衡 元少平 楊 超 雷 正 楊 浩 李 航 胡尚明 敬 俊 張 智 孫漢文

1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司, 天津 300456; 2. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 四川 成都 610500

0 前言

在油氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中,井筒管柱腐蝕損害是危害油氣田生產(chǎn)安全的重大因素[1-2]。CO2和H2S等腐蝕介質(zhì)會(huì)使油氣水井管柱強(qiáng)度降低[3-4],導(dǎo)致管柱在井筒壓力變化以及外力作用下產(chǎn)生變形、破裂、錯(cuò)斷等損壞[5-8],造成油田開發(fā)后期注采井網(wǎng)不完善,對(duì)油田的開發(fā)效果造成巨大影響[9-10],同時(shí)還大大增加了安全事故發(fā)生的可能性[11]。因此,有計(jì)劃地對(duì)管柱腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常必要[12-14]?，F(xiàn)有的氣井井下管柱腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)中,腐蝕條件多為實(shí)驗(yàn)?zāi)M,與實(shí)際工況存在偏差主要存在以下問題:超次聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)成本較高且多用于管線等地面設(shè)備[15-17];蘭州石化聯(lián)合北京化工大學(xué)開發(fā)了煉化裝置腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),克服了CR-100和FEM等系統(tǒng)管理離散化的缺點(diǎn),但仍無(wú)法應(yīng)用于地下管線[18-19];采用多臂測(cè)井等技術(shù)對(duì)套管腐蝕的檢測(cè)作業(yè)則無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[20]。為更真實(shí)更直觀地評(píng)價(jià)井下腐蝕狀態(tài),縮減腐蝕監(jiān)測(cè)成本,需要設(shè)計(jì)一種安裝方便、適應(yīng)性強(qiáng),并對(duì)井下流體流動(dòng)狀態(tài)影響較小的腐蝕監(jiān)測(cè)工具,同時(shí)應(yīng)具有對(duì)采集信息進(jìn)行集中處理的能力,從而形成一整套井下腐蝕監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。為此,本文設(shè)計(jì)了井下腐蝕掛片監(jiān)測(cè)工具及工藝技術(shù),并配套實(shí)驗(yàn)室模擬分析驗(yàn)證以及在役井油套管數(shù)據(jù)庫(kù)等,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)相互驗(yàn)證的閉環(huán)管理模式。

1 井下腐蝕監(jiān)測(cè)工具

監(jiān)測(cè)工具隨完井作業(yè)或大修管柱作業(yè)下放到井下來監(jiān)測(cè)腐蝕情況,具有腐蝕監(jiān)測(cè)深度調(diào)節(jié)方便,試片數(shù)量、組合方式及類型可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。工藝實(shí)施上,下入掛片腐蝕監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)包括:不影響油氣井正常生產(chǎn);不改變井下流體原有的流動(dòng)狀態(tài);適用于各種不同類型井工況;監(jiān)測(cè)點(diǎn)可分布于管柱的各個(gè)位置。

工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮模塊化預(yù)安裝設(shè)計(jì),不占用井口作業(yè)時(shí)間。帶電纜管柱作業(yè)時(shí)可替代部分電纜保護(hù)器功能,實(shí)現(xiàn)快速安裝拆卸,結(jié)構(gòu)可靠度高。

1.1 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)對(duì)井身不同位置環(huán)空腐蝕環(huán)境的掛片的腐蝕監(jiān)測(cè),主要有三個(gè)要求:過電纜;適用于不同尺寸油管;適用EUE和FOX等不同扣型。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及有關(guān)技術(shù)規(guī)范,參考電纜保護(hù)器的結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計(jì)了具有電纜保護(hù)功能的腐蝕監(jiān)測(cè)掛片裝置。整個(gè)掛片器固定在油管接箍位置,在起下鉆過程中不會(huì)上下竄動(dòng),整個(gè)裝置的流線型外殼可進(jìn)一步避免井下卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。該設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是試樣與井下流體介質(zhì)充分接觸,施工方便,成本低,工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,提高了生產(chǎn)管柱的本質(zhì)安全性。腐蝕監(jiān)測(cè)掛片裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 腐蝕監(jiān)測(cè)掛片裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the corrosionmonitoring coupon

常規(guī)掛片工具設(shè)計(jì)滿足安裝油管尺寸(88.9 mm管、73.0 mm油管、58.75 mm工作筒等),安裝于電泵上部的掛片需滿足電纜穿越要求(圓電纜尺寸AWG 2#、AWG 4#),電纜穿越槽能隨時(shí)安裝拆卸。螺栓位置做下沉處理,內(nèi)部加絕緣墊片,設(shè)備邊緣需做倒角或圓角處理。掛片工具中掛片試片要求與目標(biāo)井套管材質(zhì)保持一致,盡量采用原井同批次套管加工試片。

掛片采用長(zhǎng)條型,掛片嵌在監(jiān)測(cè)裝置上,監(jiān)測(cè)裝置與掛片接觸的部位用樹脂隔離開,并用不銹鋼螺栓固定;掛片經(jīng)刨、磨工序,多次打磨使其表面光滑,粗糙度為0.63～1.25 μm;將掛片用紗布擦去油污,用游標(biāo)卡尺測(cè)量并計(jì)算出其表面積;將干燥好的掛片用天平稱重,記錄好試環(huán)的編號(hào)與對(duì)應(yīng)的重量。

圖2 腐蝕監(jiān)測(cè)掛片裝置實(shí)物圖Fig.2 The corrosion monitoring coupon

腐蝕監(jiān)測(cè)掛片裝置實(shí)物見圖2。工具頂端倒圓角設(shè)計(jì)可防止起、下過程中發(fā)生遇卡事故。中部的配合部分規(guī)格多樣,可配合73.00～114.3 mm油管下入,也可根據(jù)絲扣類型進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。底端采用銷釘式鎖緊,上卸方便快捷。腐蝕監(jiān)測(cè)掛片可使用與所夾持管柱相同的材質(zhì),并能處于井下相同的腐蝕環(huán)境中。高溫(最高160°C)耐腐蝕墊片,避免電離腐蝕的影響。整個(gè)工具可跟隨現(xiàn)場(chǎng)正常油管作業(yè)共同下入起出,不影響其正常工作,使用方便。

1.2 掛片監(jiān)測(cè)位置設(shè)計(jì)

井下掛片檢測(cè)安裝設(shè)計(jì)遵循以下原則:在腐蝕最嚴(yán)重的位置安裝監(jiān)測(cè)掛片;在不同材質(zhì)套管連接附近安裝電偶掛片;對(duì)井下不同深度腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè);對(duì)壓井液和油氣水腐蝕都進(jìn)行檢測(cè)。

腐蝕最可能發(fā)生的區(qū)域?yàn)闈撚捅梦诟浇途潞矢叩奈恢谩Ｒ虼?支管掛片或堵塞器(Y-tool)懸掛檢測(cè)探頭放在泵吸入口動(dòng)液面附近較好。其中堵塞器(Y-tool)懸掛檢測(cè)探頭分別布置在泵吸入口附近和引鞋外面,但是考慮到泵吸入口空間問題,支管掛片無(wú)法在泵吸入口附近安裝,因此布置在泵下方附近,見圖3。

圖3 掛片監(jiān)測(cè)裝置位置設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the design of the couponmonitoring device position

以某口井為例,井下腐蝕監(jiān)測(cè)掛片設(shè)計(jì)共三種,分別是88.9 mm油管掛片、73.0 mm支管掛片和Y-tool檢測(cè)掛片?？紤]到不同深度生產(chǎn)套管腐蝕的檢測(cè)需要,掛片監(jiān)測(cè)位置設(shè)計(jì)見表1。

表1 掛片監(jiān)測(cè)位置設(shè)計(jì)表

油井環(huán)空中留有完井液或修井液,處在其中的生產(chǎn)套管也存在較大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。封隔器以上環(huán)空部分的修井液或完井液溫度變化不大,狀態(tài)為靜止,無(wú)腐蝕性氣體,其腐蝕來源主要為液相中的腐蝕性離子。由于存在溶解氧的問題,液面附近的腐蝕是最大的,但由于液面具體位置無(wú)法確定,因此,井下掛片布置以置于液相中為準(zhǔn)。

1.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):能夠真實(shí)有效地檢測(cè)井下腐蝕狀況;實(shí)現(xiàn)電纜穿越,能夠起到保護(hù)電纜的作用;可一次性下入多個(gè)不同材質(zhì)的檢測(cè)掛片;可同時(shí)研究電偶腐蝕和接觸腐蝕狀況;特殊材質(zhì)的卡箍可有效避免電腐蝕現(xiàn)象;腐蝕監(jiān)測(cè)掛片與井內(nèi)流體介質(zhì)充分接觸,與管柱有效隔離,保證監(jiān)測(cè)效果良好;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,拆裝方便,安裝部位靈活;加工簡(jiǎn)便,成本低,實(shí)用性強(qiáng)。

1.4 腐蝕速率計(jì)算

為了避免試環(huán)油污影響，先用丙酮洗油，后放置于加入1%～2%鹽酸緩蝕劑的5%～10%鹽酸溶液中浸泡1～5 min；清洗后用蒸餾水沖洗,將試環(huán)再用無(wú)水乙醇脫水,并用濾紙擦干表面,將其存放于干燥器中,4 h后使用電子天平稱重。腐蝕速率的計(jì)算如式(1)所示:

F=(m1-m2)×3 650/(Stρ)

(1)

2 實(shí)驗(yàn)室高壓釜模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 高溫高壓釜實(shí)驗(yàn)

參考JB/T 7901-1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》、GB/T 23258-2009《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》(對(duì)應(yīng)NACESP 0106-2006)、GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕點(diǎn)蝕評(píng)定方法》(對(duì)應(yīng)ISO 11463)開展實(shí)驗(yàn)。利用Cortest的C-276高溫高壓釜模擬開展油氣井管柱在地層介質(zhì)沿井深、溫度、CO2分壓變量情況下的腐蝕實(shí)驗(yàn),評(píng)估不同材質(zhì)在真實(shí)環(huán)境下的腐蝕速率變化規(guī)律,從金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜方面進(jìn)行研究,分析其腐蝕機(jī)理,同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)工況條件下的腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)比,為井筒選材及腐蝕控制提供可靠依據(jù)。反應(yīng)釜為哈式合金鋼材質(zhì),設(shè)計(jì)工作壓力35 MPa,設(shè)計(jì)工作溫度350°C,并通過高溫高壓化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的有效性。高溫高壓釜實(shí)驗(yàn)原理見圖4。

以某口井實(shí)驗(yàn)為例,采用失重法測(cè)試某一材質(zhì)在模擬真實(shí)工況條件下的均勻腐蝕速率。實(shí)驗(yàn)壓力為35 MPa,實(shí)驗(yàn)溫度為350°C,研究80 000 mg/L礦化度時(shí)不同CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響。

實(shí)驗(yàn)與電子腐蝕工程師軟件(ECE)的腐蝕速率結(jié)果對(duì)比見圖5。從圖5中可知,實(shí)驗(yàn)和ECE中液相和氣相的腐蝕速率差距均在10%以內(nèi),說明ECE可以用作決策依據(jù)。

圖4 高溫高壓釜實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Experimental principle of high temperature autoclave

a)液相a)Liquid phase

b)氣相b)Gas phase圖5 高壓釜中不同CO2分壓對(duì)均勻腐蝕速率的影響圖Fig.5 Effect of different CO2 partial pressures on the corrosion rate in an autoclave

2.2 電鏡微觀腐蝕機(jī)理分析

通過對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)掛片進(jìn)行掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X射線衍射(XRD)等,可以開展腐蝕形貌分析和腐蝕產(chǎn)物檢測(cè)。

2.2.1 微觀分析

1)使用光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕處形貌。

2)利用掃描電鏡(SEM)對(duì)清洗干凈的腐蝕件進(jìn)行分析。

2.2.2 對(duì)試樣表面腐蝕坑進(jìn)行微觀分析

1)利用光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕坑橫截面進(jìn)行形貌觀察。

2)采用掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)對(duì)試樣腐蝕坑處進(jìn)行觀察和腐蝕狀況的分析。

3)X射線衍射(XRD)分析腐蝕產(chǎn)物成分。

4)分析腐蝕產(chǎn)物膜微觀結(jié)構(gòu)和局部腐蝕結(jié)構(gòu)特征,分析腐蝕產(chǎn)物膜的形成與作用規(guī)律,以及環(huán)境因素對(duì)套管材料腐蝕的影響、破壞機(jī)制。確定腐蝕控制類型以及腐蝕主要控制因素。

3 結(jié)論

本文參考電纜保護(hù)器的結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計(jì)了井下腐蝕監(jiān)測(cè)掛片工具及其配套油套管腐蝕監(jiān)測(cè)與管理關(guān)鍵技術(shù),并通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。研究得出的主要結(jié)論如下:以盡可能降低對(duì)生產(chǎn)的影響及擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍為基本原則,設(shè)計(jì)了多尺寸油管及扣型適用并可通過電纜的掛片式井下油套管腐蝕監(jiān)測(cè)工具。該工具利用油氣井作業(yè)下入井內(nèi),定期取出,可以簡(jiǎn)易高效地獲取重點(diǎn)區(qū)塊井下腐蝕信息,較工程測(cè)井檢測(cè)井下腐蝕技術(shù)相比費(fèi)用低,發(fā)現(xiàn)早,并且可以提前預(yù)防關(guān)鍵井屏障的失效,保障井筒安全。井下腐蝕敏感性因素比較繁雜,利用以井下腐蝕掛片定期監(jiān)測(cè)為主、腐蝕分析軟件定量計(jì)算為輔的技術(shù)手段建立起一套井下腐蝕監(jiān)測(cè)及預(yù)防技術(shù)體系。室內(nèi)高壓釜模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,該體系具有井下腐蝕數(shù)據(jù)采樣、統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)的能力,是現(xiàn)階段管理井下腐蝕比較行之有效的技術(shù)手段。