注水井套管腐蝕的致因分析及防控措施研究*

賈爍宇 孫雅楠 賈星蘭

(中國石油大學機電工程學院 山東青島 266580)

0 引言

自1972年發(fā)現(xiàn)第一口套管損壞井以來，勝利油田套管損壞井的數(shù)量呈逐年遞增的態(tài)勢。目前，勝利油田共發(fā)現(xiàn)套管損壞井5 427口，占總井數(shù)的20%。大量套管損壞井的存在，在很大程度上制約了油田綜合經(jīng)濟效益的提高和生產(chǎn)的發(fā)展。一方面，部分套管損壞井帶病生產(chǎn)，不能滿足油、氣、水生產(chǎn)的特殊工藝措施需求；另一方面，損壞井不能及時修復(fù)，會造成層間水串、泥巖層吸水變形，進一步加劇套管損壞程度，繼而形成惡性循環(huán)[1]。因此油田套管損壞井的原因分析與綜合治理對于保障油田的安全生產(chǎn)非常重要。注水井套管由于高壓注水、地層溫度高、自身殘余應(yīng)力等原因，同時由于井內(nèi)較復(fù)雜的環(huán)境，極易產(chǎn)生各種形式的腐蝕。所以大部分注水井套管的破裂、穿漏都與腐蝕有關(guān)。本文通過建立注水井套管腐蝕損壞的事故樹圖，分析得到影響套管腐蝕損傷的主要因素，為預(yù)防注水井套管腐蝕損壞提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 結(jié)構(gòu)重要度計算模型

假設(shè)各基本事件的發(fā)生概率相等，僅僅從事故樹的結(jié)構(gòu)關(guān)系上研究各基本事件對頂事件的影響程度，稱之為結(jié)構(gòu)重要度分析。

1.1 基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

當事故樹中某個基本事件的狀態(tài)由不發(fā)生變?yōu)榘l(fā)生，除基本事件以外的其余基本事件的狀態(tài)保持不變時，頂事件也由不發(fā)生變?yōu)榘l(fā)生的情況，則稱為“危險割集”。若改變除基本事件Xi以外的所有基本事件的狀態(tài)，并取不同的組合時，基本事件Xi的危險割集的總數(shù)為

(1)

式中,n為事故樹中基本事件的個數(shù)，2n-1為基本事件Xi(i≠j)狀態(tài)組合數(shù)；p為基本事件的狀態(tài)組合序號，Xjp為2n-1狀態(tài)組合中第p個狀態(tài)；0i、1i為基本事件的狀態(tài)值；Φ表示頂事件的狀態(tài)取值。

結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)定義為

(2)

1.2 基本事件的割集重要度系數(shù)

用事故樹的最小割集可以表示其等效事故樹。每個最小割集對頂事件的影響是一樣的，每個基本事件對割集的影響也相同。設(shè)某一事故樹有k個最小割集，每個最小割集記作Er(r=1,2,…,k)，則1/k表示單位最小割集的重要系數(shù)；第r個最小割集Er中含有mr(Xi∈Er)個基本事件，則1/mr(Xi∈Er)表示基本事件Xi的單位割集重要系數(shù)。設(shè)基本事件Xi的割集重要系數(shù)為Ik(i)，則

(3)

利用式(2)、式(3)求出結(jié)構(gòu)重要度的數(shù)值，可以從結(jié)構(gòu)上來判定基本事件對頂事件的影響大小，這為預(yù)防事故的發(fā)生提供了有效途徑。

2 套管腐蝕損壞的事故樹分析

2.1 事故樹的編制

根據(jù)勝利油田現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻[2-3]，可建立注水井套管腐蝕損傷的事故樹圖，如圖1—圖3所示，事故樹中各個事件的實際意義見表1。

表1 圖1—圖3中各符號的實際意義

圖1 注水井套管腐蝕損壞的主事故樹

圖2 CO2腐蝕子事故樹

圖3 H2S腐蝕子事故樹

2.2 事故樹的最小割集

利用布爾代數(shù)法，可以得到注水井套管腐蝕損壞事故樹的9個最小割集，具體如下：

E1={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X10},E2={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X11},E3={X1,X2,X5,X6,X18},E4={X1,X27},E5={X1,X28},E6={X1,X26},E7={X2,X4,X5,X7,X8,X9},E8={X6,X12,X16,X17,X18}，E9={X15,X16,X8}

這說明，引起注水井套管腐蝕的原因組合數(shù)有9個，只要任何一個集合發(fā)生，頂事件就一定會發(fā)生。

2.3 事故樹的結(jié)構(gòu)重要度計算

利用式(2)、式(3)的計算方法，可計算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度數(shù)值，按從大到小進行排序，結(jié)果如下：

I(2)>I(8)>I(5)>I(12)=I(18)=I(19)=I(20)>I(4)=I(6)>I(1)>I(10)=I(11)>I(7)=I(9)>I(21)=I(22)=I(23)=I(26)=I(27)=I(28)>I(13)=I(14)>I(24)=I(25)>I(15)=I(16)=I(17)>I(3)

3 注水井套管腐蝕治理改進措施研究

根據(jù)注水井套管腐蝕事故樹理論分析結(jié)果，結(jié)合在勝利油田勝利采油廠、東辛采油廠現(xiàn)場調(diào)研獲取的注水井套管損壞實際資料，可以看出，在眾多底事件中，對注水井套管腐蝕影響較大的因素有：溫度高、O2濃度大、流速小、溫度適宜細菌繁殖、pH值偏小等。因此，針對不同的影響因素，建議采取如下控制措施：

(1) 溫度高：失重腐蝕的化學反應(yīng)速度隨溫度的升高而加快，隨溫度的降低而變慢。因此，在潮濕、溶液的pH值異常、高溫等環(huán)境使用的金屬套管，盡可能采用特殊防腐處理，如經(jīng)過高溫處理、抗酸堿腐蝕、減少機械傷痕等，還可以降低井內(nèi)溫度。降低井內(nèi)溫度的措施有：①提高注水速度，注水速度越高，井內(nèi)溫度越低。另外注水速度高，則水流速度快，有利于減弱CO2腐蝕和細菌腐蝕；②降低注入水的溫度；③在同一注水時間的條件下，選擇一個較合理的關(guān)井時間。

(2) O2濃度大：O2也是CO2腐蝕、溶解氧腐蝕、鐵細菌腐蝕等多種腐蝕發(fā)生的必要條件。所以注入水中一定要控制O2濃度。主要措施有：①化學除氧，方法主要有鋼屑除O2、亞硫酸鈉除O2和聯(lián)氨除O2；②注入水中加入除氧劑，可以采用亞硫酸鈉作為除氧劑。

(3) 流速小：注水流速太小，套管腐蝕時間延長，加劇了注水井套管的腐蝕速率，因此注水速度應(yīng)保持在合理范圍。

(4) 溫度適宜細菌繁殖：細菌一般在24℃左右活性較大，腐蝕能力強，所以注入水溫度要避開此溫度。另外注入水在注入前應(yīng)該經(jīng)過殺菌處理，從而減少細菌的數(shù)量。

(5) pH值偏低：注入水呈酸性是造成井內(nèi)環(huán)境pH值偏低的主要原因，所以注入水在注入前必須經(jīng)過中和處理。

4 結(jié)論

(1) 將結(jié)構(gòu)重要度分析的理論方法應(yīng)用于找出影響勝利油田注水井套管損壞的主要因素是個十分有效的方法，克服了現(xiàn)場主觀判斷的盲目性。

(2) 結(jié)合勝利油田注水井套管損壞的實際情況，建立的事故樹模型及其分析結(jié)果對于確定影響套管損壞的主要因素具有一定的實際意義。

(3) 結(jié)合理論分析和采油廠實際資料提出的注水井套管損壞治理改進措施具有結(jié)合實際、可操作性強的特點，因此可供油田現(xiàn)場參考選用。

(4) 盡管所研究的內(nèi)容是實際科研項目的一部分，但因為不同采油廠的注水井套管損壞情況存在較大差別，所以提出的理論方法具有普遍性，實際改進措施又具有其特殊性。