海上高產(chǎn)氣井防砂管柱沖蝕-腐蝕耦合作用風險評估研究

郭敏靈，董 釗，孟文波，崔書姮，張 群

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術湛江分公司，2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

海上油氣井作業(yè)成本高昂，在完井作業(yè)階段即需考慮管柱的長期有效性，減少生產(chǎn)期間的修井作業(yè)頻次，尤其是防砂篩管對于管柱損害比生產(chǎn)管柱更為敏感，篩管損壞出砂，可能導致降產(chǎn)控砂，停產(chǎn)修井甚至氣井報廢。海上氣井產(chǎn)量一般較高，沖蝕作用較強，如遇高含CO2儲層，沖蝕和腐蝕作用耦合疊加，將可能增加防砂管柱失效風險。

高產(chǎn)氣井完井放噴及生產(chǎn)過程中固相顆粒對防砂篩管的沖蝕損害作用已有較多研究［1-7］，對于高含CO2條件下井下管柱的腐蝕狀態(tài)及對管柱安全的影響也有較多認識［8-12］，但沖蝕和腐蝕條件耦合作用機理以及對管柱損害程度的影響規(guī)律更加復雜［13-15］，受此影響的管柱壽命評估方法也亟待探索。

分析腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合作用機理，根據(jù)儲層狀況進行腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合實驗研究，在實驗結果基礎上建立考慮多因素的經(jīng)驗模型，并依據(jù)實際情況對篩管腐蝕、沖蝕和沖蝕腐蝕耦合情況進行研究分析并進行篩管使用壽命預測。

1 沖蝕腐蝕耦合作用機理

沖蝕和腐蝕相互耦合加劇管柱磨損。沖蝕腐蝕耦合作用機制包括兩個方面［16-17］：沖蝕對腐蝕的影響和腐蝕對沖蝕的影響。

沖蝕對腐蝕的影響主要表現(xiàn)為：沖蝕能加速傳質(zhì)過程，促進去極化劑如O2到達材料表面和腐蝕產(chǎn)物脫離材料表面，從而加速腐蝕；沖蝕的力學作用使材料鈍化膜減薄、破裂或使材料發(fā)生塑性變形，局部能量升高，形成“應變差電池”，從而加速腐蝕；沖蝕造成材料表面出現(xiàn)凸凹不平的沖蝕坑，增加了材料的比表面積，加劇腐蝕。

腐蝕對沖蝕的影響主要表現(xiàn)為：腐蝕粗化材料表面，尤其在材料缺陷等處所出現(xiàn)的局部腐蝕，造成微湍流的形成，從而促進沖蝕過程；腐蝕弱化材料的晶界、相界，使材料中耐磨的硬化相暴露，突出基體表面，使之易折斷甚至脫落，促進沖蝕；腐蝕有時使材料表面產(chǎn)生較松軟的產(chǎn)物，它們?nèi)菀自跊_蝕力作用下剝離；腐蝕可溶解掉材料表面的加工硬化層，降低其疲勞強度，從而促進沖蝕。

2 沖蝕腐蝕耦合作用影響實驗分析

2.1 實驗裝置研制

研制了高溫高壓沖蝕腐蝕實驗裝置（見圖1），用以模擬井下沖蝕腐蝕情況。在高溫高壓釜里加入腐蝕介質(zhì)和地層砂顆粒，注入氮氣和加熱棒加熱以加壓升溫，通入CO2，通過轉子攪拌給流體和顆粒提供流速，來模擬管內(nèi)兩相流沖蝕腐蝕。

圖1 沖蝕腐蝕實驗裝置及原理

2.2 實驗材料及方案

以南海L-1深水氣田為目標區(qū)，該氣田防砂篩管采用316L鋼外護套和篩網(wǎng)，實驗氣體包括CO2（99.99%）及N2（99.99%），根據(jù)設計的分壓進行配制。根據(jù)目標氣田儲層水樣，用去離子水配置模擬地層水樣（見表1）作為腐蝕介質(zhì)。選用100～120目、200～250目、300～325目石英砂粒混配模擬地層出砂的沖蝕作用。

表1 模擬地層水離子質(zhì)量濃度 mg·L-1

L-1氣田儲層溫度85～93.1℃，CO2分壓0.103～0.691 MPa，井筒流入速度為0.6～2 m/s，根據(jù)砂比59.915～239.66 kg/m3計算，設計沖蝕腐蝕耦合正交實驗（見表2、表3）。實驗確定用水量1.8 L，實驗時間72 h。

表2 沖蝕腐蝕耦合實驗參數(shù)設計

表3 沖蝕腐蝕耦合實驗正交試驗表

續(xù)表3 沖蝕腐蝕耦合實驗正交試驗表

2.3 實驗結果

2.3.1單一腐蝕作用實驗

篩管外護套和篩網(wǎng)單一腐蝕作用實驗結果見表4、表5。

表4 外護套腐蝕實驗結果

表5 篩網(wǎng)腐蝕實驗結果

外護套腐蝕速率為0.004 79～0.044 39 mm/a，篩網(wǎng)腐蝕速率為0.001 44～0.013 36 mm/a。

2.3.2單一沖蝕作用實驗

篩管外護套和篩網(wǎng)單一沖蝕作用實驗結果如表6、表7所示，外護套沖蝕速率為0.004 79～0.050 07 mm/a，篩網(wǎng)沖蝕速率為0.001 43～0.031 68 mm/a。

表6 外護套沖蝕實驗結果

表7 篩網(wǎng)沖蝕實驗結果

2.3.3沖蝕腐蝕耦合實驗

外護套和篩網(wǎng)沖蝕腐蝕耦合實驗結果見表8、表9，護套沖蝕腐蝕速率為0.004 98～0.058 22 mm/a，篩網(wǎng)沖蝕腐蝕速率為0.005～0.047 0 mm/a。

單一腐蝕作用/沖蝕作用與沖蝕腐蝕耦合作用實驗結果對比見表10，對于外護套，沖蝕腐蝕耦合作用導致的管材最大損失速率比單一腐蝕高31.15%，比單一沖蝕高16.27%；對于篩網(wǎng)，沖蝕腐蝕耦合作用導致的管材損失速率比單一腐蝕高251.79%，比單一沖蝕高20.76%。沖蝕腐蝕的耦合作用，大幅加劇了防砂管柱的損耗速率。

3 沖蝕腐蝕耦合作用計算模型

目前，國內(nèi)外對沖蝕腐蝕耦合模型研究較少，已有的部分理論模型雖然能夠解釋很多沖蝕發(fā)生現(xiàn)象，但卻有著特定的適應范圍，不能解決普遍的實際問題。因為在實際沖蝕腐蝕過程中，相互作用復雜，不能用某一單獨理論解釋。

現(xiàn)有的沖蝕-腐蝕速率預測模型主要考慮溫度、CO2分壓、流速對沖蝕腐蝕的影響，較少考慮兩相流對管材的沖蝕腐蝕。為此，本課題組在實驗基礎上考慮沖蝕腐蝕受溫度、CO2分壓、流速、含砂量和砂粒粒徑的影響，利用回歸分析法建立基于防砂篩管的沖蝕腐蝕預測模型。

結合沖蝕腐蝕實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有沖蝕腐蝕模型，分別對CO2分壓、溫度、流速、粒徑和含砂量進行分析。

溫度對腐蝕速率的影響：

流速對腐蝕速率的影響：

CO2對腐蝕速率的影響：

流速、粒徑和含砂量對沖蝕速率影響：

考慮溫度、CO2分壓、流速、粒徑和含砂量影響的沖蝕腐蝕速率預測模型：

vcorr為腐蝕速率，mm/a；ER為沖蝕速率，mm/a；Vo為沖蝕腐蝕速率，mm/a；v為砂粒流速，m/s；PCO2為CO2分壓，MPa；C為砂的質(zhì)量濃度，%；D為砂粒粒徑，μm；A為接觸面積，m2；m為砂粒質(zhì)量，kg；f(α)為沖蝕角度函數(shù)；Z,b,p,c,d,a,h,t,E,R分別為相關系數(shù)。

結合實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，求出待定系數(shù)（見表11）。

表11 待定系數(shù)表

因此，建立的考慮溫度、CO2分壓、流速、粒徑和含砂量影響的沖蝕腐蝕速率預測模型為：

模型預測結果誤差為5.740E-07，誤差控制精度在5%以內(nèi)，該回歸方程擬合程度較好。

4 防砂篩管壽命預測

根據(jù)沖蝕腐蝕實驗所建立的經(jīng)驗模型，求解出南海L-1深水氣田每口井的沖蝕腐蝕速率，并結合金屬篩管防砂失效時的質(zhì)量損失標準為2%［18］，得出每口井最終的篩管使用壽命。

臨界點處的篩管損失質(zhì)量：

式中，Qm為防砂篩管發(fā)生破壞的臨界點處的篩管損失質(zhì)量，kg；ER′為篩網(wǎng)質(zhì)量損失極限；M為篩管質(zhì)量，kg。

篩管壽命預測年限：

式中，T為篩管預測壽命，a；A為篩管表面積，m2；V為篩管損失速率，kg/（m2·a）；VL為篩管損失厚度，mm/a。

L-1氣田各井防砂篩管壽命預測結果見圖9，篩管腐蝕速率為（2.4～15.5）×10-3mm/a，L3井受腐蝕最嚴重（CO2含量為其他所有井的2倍以上）；篩管沖蝕速率為（7.7～30.6）×10-3mm/a，L7井受沖蝕最嚴重（產(chǎn)氣量較高，日出砂量較大，且地層砂粒徑大）；篩管沖蝕-腐蝕速率為（1.3～3.89）×10-2mm/a，L7、L11井篩管受沖蝕腐蝕耦合作用條件下壽命分別為25.86年、28.42年，低于該氣田設計生產(chǎn)年限30年，存在防砂失效風險。

圖9 L-1氣田生產(chǎn)井篩管使用壽命

5 結論

（1）開展防砂篩管沖蝕-腐蝕耦合作用實驗研究，對比沖蝕/腐蝕單一作用實驗結果，篩管外護套在耦合作用下的管材損失速率比單一作用高16.27%～31.15%；篩網(wǎng)沖蝕腐蝕耦合作用下的管材損失速率比單一作用高20.76%～251.79%。沖蝕腐蝕的耦合作用大幅加劇了防砂管柱的損耗速率；

（2）結合沖蝕腐蝕實驗和已有的理論模型，考慮CO2分壓、溫度、流速、粒徑和含砂量等因素影響，建立了針對篩管的沖蝕腐蝕耦合經(jīng)驗模型；

（3）以南海L-1氣田為目標區(qū)，預測11口井防砂篩管在沖蝕腐蝕耦合作用的壽命，其中L7、L11井分別為25.86年、28.42年，低于該氣田設計生產(chǎn)年限30年，存在防砂失效風險。