蒙古林油田火驅(qū)采油井管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究

魏麗麗 閆暄崎 謝 剛 趙董艷 杜清珍 閆?？?偉 娜 王明春

（中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552）

0 引言

火驅(qū)是提高原油采收率的重要方法之一，屬于熱力開(kāi)采技術(shù)[1]。張守軍等（2016）[2]對(duì)火驅(qū)井套損問(wèn)題的機(jī)理進(jìn)行綜合分析，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生火驅(qū)套壞的根本原因是溫度變化導(dǎo)致過(guò)大的壓縮或拉伸應(yīng)力、隨溫度上升材質(zhì)自身強(qiáng)度下降以及高溫環(huán)境下氧腐蝕等惡劣工況對(duì)套管壁厚造成的減薄影響。周勇等（2018）[3]研究發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)井中存在嚴(yán)重的CO2腐蝕，也會(huì)導(dǎo)致油管承載能力下降。蒙古林油田首次開(kāi)展火驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)，存在火驅(qū)配套工程技術(shù)的適用性問(wèn)題，先期需要對(duì)采油井管材的抗高溫氧化、抗拉伸及抗腐蝕性能進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)[4]，以延長(zhǎng)采油井生命周期，立足最大程度老井再利用。

作者通過(guò)新疆、遼河火驅(qū)技術(shù)調(diào)研預(yù)測(cè)，蒙古林油田火驅(qū)少數(shù)采油井可能會(huì)出現(xiàn)井筒異常高溫（大于550℃）情況，持續(xù)時(shí)間約為3～7天。因此本文將通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析評(píng)價(jià)蒙古林油田四種常規(guī)油、套管材-N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼的抗高溫氧化能力、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率以及抗腐蝕性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用蒙古林油田火驅(qū)項(xiàng)目前期工程方案涉及的四種油、套管材材質(zhì)N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼。試片尺寸：N80鋼50×12×3mm，90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼均為50×10×3mm。

1.2 試驗(yàn)儀器和方法

分別選取350℃、550℃、750℃、950℃四個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，用Lindberg/Blue1100℃馬弗爐進(jìn)行高溫氧化試驗(yàn)。氧化時(shí)間7天，氧化速率參照GB/T 13303-91《鋼的抗氧化性能測(cè)定方法》計(jì)算。

將四種管材分別進(jìn)行350℃、550℃條件下7天高溫氧化試驗(yàn)，依據(jù)GB/T 16594-2008《微米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法通則》做電鏡掃描，試驗(yàn)儀器型號(hào)為QUANTA FEG 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。

分別選取25℃、150℃、350℃、550℃、750℃、950℃六個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，依據(jù)JB/T 7796-2005《彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)》對(duì)四種管材進(jìn)行高溫退火后的拉伸試驗(yàn)，氧化時(shí)間7天。試驗(yàn)儀器為T(mén)LW-200001型微機(jī)控制彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)。

依據(jù)SY/T 0026-1999《水腐蝕性測(cè)試方法》及火驅(qū)產(chǎn)出氣組分預(yù)測(cè)結(jié)果，在總壓10.8MPa，CO2分壓1.62MPa，O2分壓0.32MPa的條件下，采用蒙古林油田現(xiàn)場(chǎng)水進(jìn)行四種材質(zhì)N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼的室內(nèi)動(dòng)態(tài)腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)儀器為CLFS—II高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 管材抗高溫氧化能力研究評(píng)價(jià)

通過(guò)觀察室內(nèi)試片在不同溫度氧化后的形貌可以得知，550℃下試片表面較為光亮，氧化產(chǎn)物較少。而溫度超過(guò)550℃時(shí)，試片表面鼓包嚴(yán)重，氧化產(chǎn)物明顯增加。進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到不同材質(zhì)在高溫下的氧化速率曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 四種試驗(yàn)鋼不同溫度下的氧化速率變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出，當(dāng)溫度≤550℃時(shí)，四種試驗(yàn)鋼的氧化速率均＜0.04g/m2?h，當(dāng)溫度＞550℃時(shí)，四種試驗(yàn)鋼的氧化速率隨著溫度的升高而明顯增大，最高可達(dá)20.8g/m2?h，氧化速率由高到低依次為N80鋼＞90H鋼＞90H3Cr鋼＞90H9Cr鋼。

為了進(jìn)一步明確四種試驗(yàn)鋼的抗高溫氧化機(jī)理，對(duì)四種試片表面進(jìn)行SEM分析（如圖2所示）可以看出，350℃高溫氧化7天后，90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼表面均出現(xiàn)了一層較為致密的氧化產(chǎn)物，厚度微薄，可見(jiàn)350℃下四種材質(zhì)的氧化程度較為輕微。550℃高溫氧化7天后，四種試驗(yàn)鋼氧化程度略有增加：N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼表面形成顆粒較大、較為致密的Fe2O3、Fe3O4氧化產(chǎn)物，90H9Cr鋼表面形成粒徑較小、較為致密的Fe3O4、FeCr2O4氧化產(chǎn)物[5]。而由于Fe3O4、FeCr2O4是鋼鐵氧化皮中結(jié)構(gòu)最為致密的氧化物，因此能夠顯著提高基體鋼的抗高溫氧化性能。

2.2 管材高溫退火后抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率研究評(píng)價(jià)

利用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同高溫退火后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 四種試驗(yàn)鋼在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度變化曲線(xiàn)

圖4 四種試驗(yàn)鋼在不同溫度下的伸長(zhǎng)率變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出，當(dāng)溫度≤550℃時(shí)，四種試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度基本保持在700MPa以上，伸長(zhǎng)率為5%以上；而當(dāng)溫度超過(guò)550℃時(shí)，四種試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度明顯降低，伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，究其原因，與試片的金相組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過(guò)高溫下N80試片的金相分析可以看出：當(dāng)溫度≤550℃時(shí)，N80鋼的組織結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，均為索氏體結(jié)構(gòu)（如圖5所示），當(dāng)溫度超過(guò)550℃時(shí)，金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，由索氏體變?yōu)榇种楣怏w[6]，由于粗珠光體粒徑較大且較為疏松，因此強(qiáng)度較索氏體明顯降低，更容易發(fā)生變形。

圖5 N80試片金相組織分析

2.3 高溫下油套管材腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

N80鋼、90H鋼、90H3Cr鋼、90H9Cr鋼四種試驗(yàn)鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化如圖6所示。

由圖6可知，四種材質(zhì)的抗腐蝕能力由高到低依次為：90H9Cr鋼＞90H3Cr鋼＞90H鋼＞N80鋼，隨著溫度的升高，腐蝕速率先增大后降低，在80℃～90℃之間達(dá)到最大值，腐蝕速率達(dá)到1mm/a以上。分析是，當(dāng)溫度在80℃～90℃之間時(shí)，碳鋼表面FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜疏松無(wú)附著力[7]，O2會(huì)加劇CO2的腐蝕，使碳鋼發(fā)生點(diǎn)蝕、坑蝕。

而當(dāng)溫度＞90℃時(shí)，碳鋼表面會(huì)形成致密、附著力強(qiáng)的腐蝕產(chǎn)物膜，對(duì)基體起到保護(hù)作用。由于含Cr鋼中Cr極易富集在產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物膜中，形成Cr的氫氧化物或氧化物，這些含Cr化合物可以形成結(jié)構(gòu)較為致密的保護(hù)層，阻止了溶液中的離子與金屬表面之間的傳輸過(guò)程，從而起到抑制腐蝕的作用，且含Cr量越高抗腐蝕能力越強(qiáng)，因此試驗(yàn)鋼中90H9Cr鋼的抗腐蝕能力最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）四種試驗(yàn)鋼材質(zhì)550℃以下時(shí)氧化速率均＜0.04g/m2? h，抗拉強(qiáng)度基本保持在700MPa以上，伸長(zhǎng)率為5.5%～6.7%。550℃以下四種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。當(dāng)溫度超過(guò)550℃時(shí)，試驗(yàn)鋼氧化明顯，氧化速率最高可達(dá)20.8g/m2? h，750℃時(shí)伸長(zhǎng)率最高值達(dá)到10.3%；

圖6 四種試驗(yàn)鋼在不同溫度下的腐蝕速率變化曲線(xiàn)

（2）四種試驗(yàn)鋼中90H9Cr鋼的抗腐蝕能力最佳。但是四種試驗(yàn)鋼的腐蝕速率均在0.3mm/a以上，均大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 5329-2012 碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法）規(guī)定的0.076mm/a。因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建議采用添加緩蝕劑的方式延緩腐蝕。