勝坨油田抽油桿腐蝕機理分析及新型防腐技術(shù)研究與應(yīng)用

蔣 帥，張 韜，嚴 科，蘇慶欣，李永強，崔健鵬

1中國石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東 東營

2中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島

1. 引言

抽油桿是三抽(抽油機、抽油桿、抽油泵)系統(tǒng)中的一個核心部件(如圖1 所示)，一般用于將機械動力傳遞給井下抽油泵，實現(xiàn)原油舉升的目的。抽油機作用在抽油桿上的載荷，抽油桿在生產(chǎn)運行過程中，受到交變拉應(yīng)力載荷的作用，尤其是在較高腐蝕屬性井液環(huán)境下，極易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂失效。目前油田進入特高含水開發(fā)后期，隨著油井含水逐漸上升，服役年限增加，泵掛深度加深，出砂井增加，提液需求加大等條件變化，使得因腐蝕導(dǎo)致的抽油桿斷裂事故不斷加劇，這種腐蝕可能在沒有任何征兆的情況下，在短時間內(nèi)高頻發(fā)生，大大增加了油井的維護費用，成為制約油井正常生產(chǎn)的最主要影響因素，因此急需尋找高含水油田的抽油桿防腐、延壽治理的新技術(shù)。

Figure 1. Pumping machine system diagram圖1. 抽油機系統(tǒng)示意圖

勝利采油廠經(jīng)歷近50 年的開發(fā)，有桿泵數(shù)量逐年上升，目前共有2030 口，開井1697 口，占開井數(shù)的85%，日產(chǎn)液量5.9 萬方，占總產(chǎn)液量的51%，是最主要的舉升方式，隨著油井含水逐漸上升，已進入特高含水開發(fā)后期，油井舉升系統(tǒng)各種矛盾十分突出。2013～2018 年近5 年含水增加0.4 個百分點，綜合含水高達96.55%，動液面加深35 米，礦化度高達18,000 mg/l，出砂井增加，占生產(chǎn)井80%以上，含砂量達到了0.4567‰。這些條件變化，都加劇了油井抽油桿的偏磨和腐蝕，使得因腐蝕導(dǎo)致的抽油桿斷裂事故不斷加劇。

尋找在高含水、使用內(nèi)襯油管條件下抽油桿斷、脫失效的原因，解決抽油桿斷、脫的問題，防范抽油桿腐蝕、治理抽油桿斷裂、減少抽油桿事故成為中石化勝利采油廠急需解決的現(xiàn)場問題。

2. 勝坨油田抽油桿腐蝕原因分析

隨著抽油桿腐蝕失效問題的加劇，國內(nèi)外對抽油桿腐蝕的原因研究較多，主要采用紅外光譜分析、離子色譜分析、金相檢驗，掃描電鏡分析、數(shù)學(xué)計算分析等方法，分析了抽油桿的腐蝕原因，桿腐蝕主要是因油田采出液中溶解氧及硫化氫含量較高，導(dǎo)致的氧腐蝕和硫化氫腐蝕；另外氯離子含量較高加劇了抽油桿的局部腐蝕。通過對勝坨油田抽油桿相關(guān)井腐蝕現(xiàn)象的分析，造成腐蝕的原因主要有以下幾點：

2.1. CO2 影響

二氧化碳腐蝕有全面腐蝕(均勻腐蝕)和局部腐蝕。地層水中含有大量的CO2，當CO2溶入水后對金屬材料有極強的腐蝕性，二氧化碳腐蝕又可稱為甜蝕。在相同的pH 值下，由于CO2的總酸度比鹽酸高，因此，它對鋼鐵的腐蝕比鹽酸還嚴重[1]。

2.1.1. 全面腐蝕

經(jīng)相關(guān)資料調(diào)研[2] [3]鐵在CO2水溶液中的腐蝕反應(yīng)的實質(zhì)都是由于CO2溶解后形成的H2CO3電離出H+的還原過程。總的腐蝕反應(yīng)為：CO2+H2O + Fe →FeCO3+ H2。

2.1.2. 局部腐蝕

諸多學(xué)者[4]在研究二氧化碳腐蝕機理的時候，認為二氧化碳腐蝕是因為碳鋼表面上的腐蝕產(chǎn)物如FeCO3構(gòu)成了電偶腐蝕，增加了鋼材的局部腐蝕速度。鋼材表面大部分區(qū)域上的產(chǎn)物膜與鋼材表面緊密附在一起，腐蝕介質(zhì)很難接觸到鋼材表面，然而小部分區(qū)域腐蝕產(chǎn)物疏松，會留有縫隙，腐蝕介質(zhì)也會接觸到鋼材表面，從而形成陽極，未接觸到的地方為陰極。陽極面積較小，陰極面積較大，陰極電流和陽極電流相等，這就會造成陽極電流密度大，溶解的金屬離子也就很多，進而增加了腐蝕速度。

鋼材受游離CO2腐蝕而生成的腐蝕產(chǎn)物都是易溶的，在金屬表面不易形成保護膜。CO2腐蝕坑通常是圓底，側(cè)面很陡，連成一片形成蟲蛀效應(yīng)(如圖2 所示)，該現(xiàn)象在勝坨油田層深大于2300 米油井頻繁出現(xiàn)。

2.2. H2S 的影響

油氣中硫化氫的來源除了來自地層以外，滋長的硫酸鹽還原菌轉(zhuǎn)化地層中和化學(xué)添加劑中的硫酸鹽時也會釋放出硫化氫，H2S 極易溶解在水中，從而形成弱酸，溶解的H2S 很快電離，對金屬和非金屬物質(zhì)都有很強的腐蝕性能。碳鋼在含有硫化氫的水溶液中會引起氫的去極化腐蝕，碳鋼的陽極產(chǎn)物鐵離子與水中硫離子相結(jié)合生成硫化鐵。硫化鐵的溶度積很小，是一類難溶沉淀物，它常以黑色粉末或垢的形式附著在油桿表面。

總反應(yīng)為：Fe +H2S +H2O →FeHS?+H3O+。

含硫化氫的水對金屬材料的腐蝕破壞主要有電化學(xué)失重腐蝕、氫脆和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。造成油氣田及石化設(shè)備眾多事故的重要破壞形式是以下兩種：一是氫脆，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子滲入金屬晶格內(nèi)部，使材料韌性變差，引起微裂縫，使鋼材變脆，往往會造成井下管柱的突然斷落、地面管匯和儀表的爆破、井口裝置的破壞，甚至發(fā)生嚴重的井噴失控或著火事故。二是硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，在拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下鋼材氫脆裂紋發(fā)展，致使鋼材破裂。

H2S 腐蝕坑是隨機排列的，呈圓錐形，側(cè)面較陡，坑的邊緣圓滑，坑之間不相連，腐蝕物呈黑色較粘，有硫化氫味。

2.3. 氧腐蝕

在給油田注水作為壓井液或者下井下設(shè)備時，不可避免的會使氧氣進入井下，只要有氧氣存在，就會發(fā)生吸氧腐蝕。而關(guān)于抽油桿氧腐蝕的研究很少，另外因為氧反應(yīng)過程會有不穩(wěn)定的產(chǎn)物出現(xiàn)，腐蝕過程為：

2.4. 其他腐蝕因素

除了CO2、H2S、O2腐蝕以外，硫酸鹽還原菌腐蝕以及井液中含有的Cl-、Ca2+、Mg2+等離子都是抽油桿腐蝕的重要原因。

隨著Ca2+、Mg2+離子濃度的升高，增大了水溶液的硬度，井液溶解CO2的能力下降，在一定程度上抑制了均勻腐蝕的發(fā)生，另一方面，Ca2+、Mg2+含量的增加會使得溶液中結(jié)垢傾向增大但與此同時Cl-的吸附作用容易造成鈍化膜的損傷，使得局部腐蝕會增加[5]。

3. 勝坨油田抽油桿防腐技術(shù)研究

影響抽油桿腐蝕的因素主要分為兩大部分：內(nèi)在因素(抽油桿的化學(xué)成分、抽油桿的受力情況等)和外在因素(如介質(zhì)的pH、介質(zhì)中的有害雜質(zhì)、介質(zhì)溫度等)。在了解了抽油桿腐蝕機理和影響抽油桿腐蝕因素后，可以總結(jié)出以下幾種控制腐蝕的方法。

3.1. 應(yīng)用具有防腐能力的抽油桿

目前防腐蝕是國內(nèi)抽油桿發(fā)展的主要研究方向，主要有四種技術(shù)思路：一是通過在原材料中增加鎳、鉻等合金元素的含量實現(xiàn)材質(zhì)防腐性能；二是通過表面處理工藝，在抽油桿外表面涂鍍鉻、鎳磷或鎢合金等耐磨防腐保護膜；三是通過在抽油桿表面注封高分子聚合物等耐磨防腐保護膜，隔絕抽油桿桿體與井液的接觸；第四種是開發(fā)碳纖維等復(fù)合新材料抽油桿。上述方案的效果有待評價；另外，在加拿大和哈薩克斯坦等國，由于應(yīng)用了大直徑抽油泵，對抽油桿的抗拉強度提出了新的要求，目前已經(jīng)有φ28 mm和φ32 mm 的高強抽油桿投入現(xiàn)場應(yīng)用[6]。

3.2. 應(yīng)用井口加緩蝕劑技術(shù)

緩蝕劑保護術(shù)是伴隨酸洗技術(shù)而發(fā)展起來的。它是以適當?shù)臐舛群托问酱嬖谟诃h(huán)境(介質(zhì))中，可以防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物或復(fù)合物，也稱之為腐蝕抑制劑。

緩蝕劑加入后，在金屬的表面會同時發(fā)生吸附和脫附現(xiàn)象，也就是吸附和脫附的一個平衡過程。在井口添加緩蝕劑能夠在管、桿表面形成一完整的保護膜來抑制腐蝕，另外把金屬本體與腐蝕介質(zhì)分隔開同時也可以起到潤滑的作用[7]。

緩蝕劑的種類繁多，按照化學(xué)成分可以分為有機類緩蝕劑和無機類緩蝕劑兩大類，其中有機類緩蝕劑主要有雜環(huán)類、磷酸鹽類、有機胺類及其他共聚物化合物等，因價格實惠、方法簡單、吸附較強、效果較好等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于石油、化工、機械等工業(yè)部門[8]。但緩蝕劑的選擇和正確使用也是非常重要的。緩蝕劑只有達到規(guī)定的濃度且均勻分布在介質(zhì)中才能發(fā)揮出緩蝕效果，否則會適得其反，加快腐蝕速度[9]。

3.3. 應(yīng)用IPR 曲線系統(tǒng)沉沒度優(yōu)化技術(shù)

研究表明，特高含水后期油井沉沒度在200～300 m 時，泵效最高，系統(tǒng)效率最高，工況最優(yōu)，腐蝕疲勞壽命最長。實施沉沒度優(yōu)化是提升工況合格率、實現(xiàn)單井創(chuàng)效的重要舉措。

沉沒度優(yōu)化的基礎(chǔ)是對地層能量以及單井產(chǎn)液能力相關(guān)性的準確認識。通過階段壓力監(jiān)測，推廣壓力資料的單井應(yīng)用方案，促使沉沒度優(yōu)化工作取得較好成效，進一步提高腐蝕疲勞壽命[6] [10] [11]。

根據(jù)IPR 曲線明確單井流壓–產(chǎn)液量相關(guān)性，結(jié)合靜壓監(jiān)測資料，定量計算合理沉沒度條件下，不同產(chǎn)液量對應(yīng)的油井動液面，設(shè)計相應(yīng)泵掛深度，實現(xiàn)沉沒度優(yōu)化，優(yōu)化過程為：

公式參數(shù)：

H液面——油井動液面(m)

H油層——油層垂深(m)

Pi——地層靜壓(MPa)

Q——油井日液(t)

J——采液指數(shù)(t/MPa?d)

ρo——原油密度(g/cm3)

lρ——混合液密度(g/cm3)

4. 結(jié)論

論文對勝坨油田抽油桿失效情況進行了分析，找出了影響勝坨油田抽油桿壽命的主要原因有CO2腐蝕、H2S 腐蝕、氧腐蝕以及綜合腐蝕，提出了新型抽油桿防腐技術(shù)的設(shè)計思路，論文研究主要有以下結(jié)論：

1) 高含水工況下勝坨油田抽油桿失效原因主要有CO2腐蝕、H2S 腐蝕、氧腐蝕以及綜合腐蝕。

2) 使用φ28 mm 和φ32 mm 的高強抽油桿，滿足大直徑抽油泵，對抽油桿的抗拉強度提出了新的要求，能夠有效延長抽油桿使用壽命。

3) 應(yīng)用井口加緩蝕劑技術(shù)，在管、桿表面形成一完整的保護膜來抑制腐蝕，可以更好地適應(yīng)高含水、高液量的惡劣工作環(huán)境。

4) 運用IPR 曲線系統(tǒng)沉沒度優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)單井單策的工況優(yōu)化方法，進一步提高腐蝕疲勞壽命。