大慶油田Y注CO2試驗區(qū)防腐工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 濤

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江 大慶 163514）

1 Y注CO2試驗區(qū)基本概況

為探索特低滲透致密油層有效動用技術(shù)，2002年在Y區(qū)塊開展了“1注5采”CO2驅(qū)油先導(dǎo)性試驗，2008年，在前期試驗取得初步效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大試驗規(guī)模。投產(chǎn)14口注入井，25口采油井。目前試驗區(qū)共有試驗井45口，其中注入井15口，采出井30口。

CO2氣體屬酸性氣體，對井下油管、套管及井下工具有較強的腐蝕作用。隨著開發(fā)時間的延長，油井生產(chǎn)過程中的CO2腐蝕問題日益突出。這不僅嚴(yán)重影響到油井的產(chǎn)量，還會造成各種安全事故，妨礙油井正常生產(chǎn)。

2 CO2防腐工藝研究及現(xiàn)場試驗

2.1 室內(nèi)試驗

（1）分析測試Y區(qū)塊地層在不同深度位置的壓力、溫度、介質(zhì)成分、pH值和介質(zhì)流速。通過現(xiàn)場測試及理論計算，井口壓力12MPa左右，井底壓力最高30MPa；井口至井底溫度5℃～90℃；

（2）室內(nèi)模擬井下條件，對不同材質(zhì)試件進(jìn)行腐蝕性能測試：將N80鋼、納米、鍍鎳磷處理、滲氮處理、滲鋁處理、等各種防腐材料進(jìn)行室內(nèi)實驗，進(jìn)行腐蝕程度分析[1]；

可以看出，納米、氮化、N80、J55在此溫度條件下，隨著壓力的升高腐蝕速率逐漸升高。N80腐蝕速率最大，鎳磷鍍在金屬材料中，腐蝕速率相對比較低。

（3）利用電鏡對腐蝕產(chǎn)物和腐蝕后材料進(jìn)行晶格、晶形分析。電鏡法對腐蝕材質(zhì)表面的照片可以看出：不同材質(zhì)的表面凹凸程度不同，可以得到腐蝕速率大小排序為：N80＞J55＞氮化＞鎳磷鍍；

（4）通過電化學(xué)實驗對材料腐蝕過程的電化學(xué)（極化曲線）行為進(jìn)行分析描述，提出合理準(zhǔn)確的腐蝕機(jī)理[2]；

N80、J55、氮化試樣的自腐蝕電位和腐蝕電流都比較接近，而鎳磷鍍試樣的自腐蝕電位發(fā)生了明顯正移，腐蝕電流密度大大減小。表明鎳磷鍍試樣在介質(zhì)中耐蝕性好于其它三種試樣。

圖1 溫度80℃不同分壓條件下對腐蝕速率的影響

圖2 不同材質(zhì)的極化曲線圖

表1 注入井掛件腐蝕速率分析對比表

綜上，通過室內(nèi)防腐實驗表明隨著溫度、壓力的升高CO2的腐蝕速率逐漸升高，得到腐蝕速率大小排序為：N80＞J55＞氮化＞滲鋁＞納米＞鎳磷鍍＞聚四氟。

2.2 防腐材料優(yōu)選和井下掛件試驗：

（1）注入井掛件材料：N80鋼、J55鋼、鍍鎳磷（40μm、20μm各15件）、納米、氮化、聚四氟、橡膠圈材料為1組。規(guī)格：Φ5短桿×50；數(shù)量15組；下入位置：井口、井筒中部、井底共3處?？梢钥闯觯琋80、J55腐蝕速率最大；聚四氟腐蝕速率最小，鎳磷鍍在金屬材質(zhì)中抗腐蝕性能最好；

（2）采出井掛件材料：鍍鎳磷（40μm、20μm各15件）、納米、氮化、滲鋁材料為1組。采油井油管短節(jié)下井1年，4種材質(zhì)短節(jié)隨作業(yè)施工起出后，利用電鏡法對腐蝕情況進(jìn)行分析：一是氮化材質(zhì)油管表面存在不均勻腐蝕（點腐蝕）；二是滲鋁材質(zhì)油管表面光滑，但局部有起泡現(xiàn)象；三是納米材質(zhì)油管表面大面積出現(xiàn)黑色物質(zhì)脫落現(xiàn)象；四是鎳磷鍍材質(zhì)油管表面較光亮且均勻，沒有物質(zhì)脫落的現(xiàn)象，說明鎳磷鍍材質(zhì)油管的抗腐蝕性最好。

綜上，滲鋁試樣局部有起泡現(xiàn)象、納米試樣出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，因此作為井下材料不可選。鎳磷鍍、氮化、N80、J55試樣均出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其中鍍鎳腐蝕率相對比較小，N80腐蝕率最大。

3 防腐工藝現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過前期1注5采先導(dǎo)試驗經(jīng)驗、CO2防腐室內(nèi)實驗分析：優(yōu)選了注采井井下管柱防腐材質(zhì)同時開展了分層注入工藝、帶壓封堵技術(shù)、套管保護(hù)工藝研究并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用：

（1）注入工藝管柱優(yōu)選：一是2003年先期投產(chǎn)的X井及2008年上半年投產(chǎn)8口注入井采用常規(guī)工藝（套管保護(hù)管柱）；油管采用鎳磷鍍材料鍍層厚度為40μm（通過試驗20μm的鍍層難以做到完全覆蓋，達(dá)到40μm時防腐性較好）；封隔器鋼體及井下工具鍍鉻處理；二是采用耐壓35MPa井口，不銹鋼全防腐井口；三是油套環(huán)空加咪唑啉緩蝕劑防腐。四是2008年底投產(chǎn)的6口井選擇插入式防噴工藝，井口耐壓35 MPa，活動部件用防腐材料；

（2）采出工藝管柱優(yōu)選：一是油管、抽油桿采用鎳磷鍍材料（鍍層厚度40μm）；二是整筒泵的泵體和柱塞采用鍍鉻處理（厚度為40μm），凡爾罩總成采用合金鋼制造；三是井口選用250-EE型井口，EE級井口材質(zhì)在與腐蝕性介質(zhì)接觸的關(guān)鍵部位，如閥芯、隔環(huán)、壓蓋等部位采用抗CO2腐蝕合金鋼材料制造；

圖3 緩蝕劑濃度對材料腐蝕速率的影響曲線

（3）分層注入工藝研究及試驗：CO2分注管柱設(shè)計本著調(diào)試方便、耐腐蝕、密封可靠的原則，井下工具采用鎳磷鍍層處理，厚度為35μm，耐磨損并具有良好的抗腐蝕效果；管注氣密扣是BGT型氣密扣；橡膠密封件優(yōu)選出氫化丁腈橡膠；配套工具指標(biāo)：耐溫90 ℃ ；耐壓25MPa；

（4）套管保護(hù)措施：針對注入井套管腐蝕問題，采取添加咪唑啉防腐緩蝕劑保護(hù)措施。并通過前期CO2防腐機(jī)理研究，對咪唑啉緩蝕劑的使用濃度對緩蝕性能進(jìn)行了評價。

可以看出：緩蝕劑在3000mg/L（即濃度為3%時），其對氮化、鎳磷鍍、N80鋼、J55鋼的緩蝕效果最好，腐蝕速率均達(dá)到≤0.125mm/a的國家指標(biāo)要求[3]。

該試驗區(qū)套管均采用N80、J55普通碳鋼材質(zhì)，前期防腐工藝研究表明兩種材質(zhì)均存在腐蝕問題。隨著水氣交替施工開展，注采井套管可能存在腐蝕加重情況，下步需加大套管腐蝕檢測力度，并定期通過高壓加藥裝置像油套環(huán)空添加防腐緩蝕劑保護(hù)措施，減緩套管腐蝕速度。

4 結(jié)論及認(rèn)識

（1）通過室內(nèi)防腐實驗和現(xiàn)場掛件試驗表明隨著溫度、壓力升高CO2的腐蝕速率逐漸升高，得到腐蝕速率大小排序為：N80＞J55＞氮化＞滲鋁＞納米＞鎳磷鍍＞聚四氟；

（2）防腐試驗表明滲鋁試樣局部有起泡現(xiàn)象、納米試樣出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，因此作為井下材料不可選，鍍鎳材質(zhì)腐蝕速率較小，可作為井下材料；聚四氟腐蝕速率最小可作為防腐配件使用；

（3）注采井管柱優(yōu)化設(shè)計見到較好效果，油管、抽油桿優(yōu)選鎳磷鍍材料鍍層厚度40μm，可有效控制腐蝕速度。該試驗區(qū)目前采油井含水較低（平均含水3%），但隨著水氣交替注入試驗的開展，含水上升時存在腐蝕加重的可能；

（4）Y試驗區(qū)套管均采用N80、J55普通碳鋼材質(zhì)，前期防腐工藝研究表明兩種材質(zhì)均存在腐蝕問題。需加大檢測力度，并通過油套環(huán)空添加防腐緩蝕劑保護(hù)措施，減緩套管腐蝕速度。