S48 區(qū)塊區(qū)域性井筒腐蝕評價

王 璐，肖 峰，趙 賓，吳學(xué)強(qiáng)，曾凡成，王華杰

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018）

蘇里格氣田S48 區(qū)塊開發(fā)近13 年，隨著氣田開發(fā)時間的延長，區(qū)塊單井平均日產(chǎn)氣量由0.5×104m3降至約0.2×104m3，區(qū)塊平均日產(chǎn)水量由50 m3上升至約80 m3，采出水礦化度由約12 000 mg/L 上升至25 000 mg/L。通過近年查層補(bǔ)孔、橋塞打撈、節(jié)流器打撈等修井作業(yè)發(fā)現(xiàn)，油管腐蝕穿孔數(shù)量逐漸增多，甚至出現(xiàn)了油管斷脫情況。通過MIT、MTT 腐蝕檢測發(fā)現(xiàn)，少量套管底部也出現(xiàn)了不同程度的壁厚減薄。S48 區(qū)塊隨著采出水的增大，氣量的降低，油套管出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕情況。從CO2、H2S、溫度、壓力、pH、細(xì)菌、礦化度、流速等腐蝕因素研究分析，通過對典型井的井下管柱腐蝕速率，腐蝕機(jī)理、腐蝕分布、水樣、垢樣、腐蝕失效管樣進(jìn)行檢測研究，結(jié)合鄰井資料，試氣資料，產(chǎn)出流體分析等數(shù)據(jù)，摸清該區(qū)塊內(nèi)井筒腐蝕規(guī)律和分布情況，可以為下一步防腐措施選擇提供指導(dǎo)性依據(jù)。

1 氣井井筒腐蝕理論分析

在石油和天然氣工業(yè)中，通常存在有二氧化碳（CO2）和硫化氫（H2S），水是其作用于腐蝕的催化劑。其最常見的腐蝕形式是鋼鐵材料與含水環(huán)境接觸從而發(fā)生誘蝕反應(yīng)。在石油和天然氣生產(chǎn)行業(yè)，腐蝕的主要形式包括CO2腐蝕，電蝕，應(yīng)力開裂腐蝕和微生物誘導(dǎo)腐蝕等[1]。

CO2腐蝕是油氣田最常見的腐蝕類型，是由于CO2氣體溶于水生成碳酸而引起電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致井筒管材發(fā)生腐蝕[2]。其腐蝕總反應(yīng)為：Fe+CO2+H2O→FeCO3↓+H2↑，隨著水中溶解的CO2濃度增加，H+和HCO3-濃度增加，pH 值降低，從而使腐蝕加劇。且CO2引起的腐蝕速率與溫度、壓力等因素密切相關(guān)，一般情況下，溫度升高，碳酸的電離度增大，H+濃度會隨之增大；CO2分壓增大，H+濃度也會隨之增大，腐蝕加劇。

電蝕主要是兩種金屬在一種腐蝕性電解液中耦合時所產(chǎn)生的損害。出現(xiàn)這種情況時，反應(yīng)中惰性（不太能抵抗這種腐蝕）差的金屬變?yōu)殛枠O（正極），它此時腐蝕的速度要比金屬平時腐蝕的速度快得多；而惰性好的金屬變成陰極（負(fù)極），它此時腐蝕的速度要比金屬平時腐蝕的速度慢得多。由于金屬由晶體構(gòu)成，許多這樣的電池被建立，引起晶間腐蝕。

管道在自身重力和特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性破裂現(xiàn)象稱為應(yīng)力開裂腐蝕，它不僅能影響到管道內(nèi)腐蝕，也能影響到管道外腐蝕。這種腐蝕的破壞形式是脆性斷裂，而且往往沒有預(yù)兆，對油氣管道具有很大的危害性和破壞性。

油氣田中造成微生物腐蝕的主要細(xì)菌有硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）、鐵細(xì)菌（FB）。這三類細(xì)菌廣泛存在于油氣井采出液等環(huán)境中，對油氣田中的井筒、管線等造成嚴(yán)重的腐蝕，其中SRB 的影響是最為嚴(yán)重的。

2 S48 區(qū)塊井筒實驗分析

2.1 地層產(chǎn)出水水質(zhì)分析

針對S48 區(qū)塊現(xiàn)場3 口氣井進(jìn)行實測數(shù)據(jù)采集和水樣采集，在實驗室內(nèi)進(jìn)行水樣pH 值、電導(dǎo)率、TDS的測定以及陰離子（Cl-、HCO3-、CO32-、SO42-等）和陽離子（Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Fe3+等）的測定分析。水質(zhì)檢測分析結(jié)果（見表1）。

表1 蘇里格氣田S48 區(qū)塊3 口氣井水質(zhì)分析表

分析認(rèn)為：（1）檢測水樣為氯化鈣（CaCl2）型，pH小于6，呈弱酸性；（2）水樣中的Cl-濃度相比其他離子濃度含量很高，會加劇氣井的腐蝕；（3）所取水樣的總礦化度高，為20 000～30 000 mg/L，Na+、K+、Cl-濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他離子濃度；（4）根據(jù)博雅爾斯基理論，CaCl2型水按鈉氯系數(shù)（Na+與Cl-的質(zhì)量濃度比）對地層水進(jìn)行分析，當(dāng)鈉氯系數(shù)小于0.75 時，氣田水處于封存條件下，不存在與外來水系交互[3]。由水樣分析結(jié)果可知，采出水的鈉氯系數(shù)平均值為0.404 2，說明這些采出水所處地層位為一個封閉的地球化學(xué)環(huán)境，不存在與外來水系交互，地層水與天然氣伴生形成。

2.2 腐蝕掛片實驗

腐蝕掛片法基本測量原理是失重。把已知質(zhì)量的金屬試片放入腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過已知的時間周期取出清洗后稱重，根據(jù)試樣質(zhì)量變化測量出平均腐蝕速率。

此次采用了油套管材料P110 鋼、J55 鋼、N80 鋼為實驗材料、將實驗鋼制成掛片下入S15-64H2、S15-82、S16-71 等9 口氣井，得出檢測腐蝕掛片在不同深度不同鋼級的情況下的平均腐蝕速率（見表2），并與石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率（0.076 mm/a）進(jìn)行對比分析[4]。同時將不同材質(zhì)掛片下入S19-63H2 井進(jìn)行實驗，不同材質(zhì)平均腐蝕與點(diǎn)蝕測量結(jié)果對比（見圖1）。

表2 腐蝕掛片在不同井深不同鋼級下的平均腐蝕速率（mm/a）

圖1 S19-63H2 井不同材質(zhì)平均腐蝕與點(diǎn)蝕測量結(jié)果對比圖

以石油天然氣行業(yè)為標(biāo)準(zhǔn)，將不同層位的平均腐蝕速率和最大腐蝕速率考慮進(jìn)計算中，按井深（實際考慮到了溫度和壓力）和不同井深的實驗次數(shù)進(jìn)行均一化，并給不同深度賦予不同權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)計算再將實驗材質(zhì)進(jìn)行加和，對不同井不同材質(zhì)不同深度掛片數(shù)據(jù)反映的腐蝕程度進(jìn)行排序?？沙醪筋A(yù)測：（1）腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域為1 500 m 的氣井中段；（2）S48 區(qū)塊腐蝕速率為0.003 2～0.862 7 mm/a，主要為中重度腐蝕；（3）氣井油套管的點(diǎn)蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均腐蝕速率；（4）不同井深處三種材質(zhì)相比，N80 鋼的平均腐蝕速率相對較慢，由此可知目前大部分氣井可以滿足日常的生產(chǎn)要求。

2.3 數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析

對于兩個系統(tǒng)之間的因素，其隨時間或不同對象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度稱為關(guān)聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之較低[5]。不同因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度稱為“灰色關(guān)聯(lián)度”，灰色關(guān)聯(lián)度分為絕對灰關(guān)聯(lián)度和相對灰關(guān)聯(lián)度，絕對灰關(guān)聯(lián)度是沒有經(jīng)過權(quán)重的關(guān)聯(lián)度，相對灰關(guān)聯(lián)度是賦予因素一定權(quán)重之后的關(guān)聯(lián)度，兩者的平均值稱為綜合關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)分析法則是根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度來衡量不同影響因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法。若某個腐蝕影響因素的灰關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大，表明該因素的影響力越大，反之越小。利用灰關(guān)聯(lián)度分析法對上述實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見表3），確定多個腐蝕影響因素對腐蝕的影響程度。該分析法優(yōu)點(diǎn)是對樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用，而且計算量小，不會出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況。

由表3 中綜合灰關(guān)聯(lián)度分析可知，腐蝕顯著影響因素由強(qiáng)到弱依次：日配產(chǎn)＞CO2＞結(jié)垢性＞緩蝕劑＞pH。S48 區(qū)塊氣井的腐蝕受到日產(chǎn)氣量影響和CO2影響較大，產(chǎn)出水的結(jié)垢性增大會降低平均腐蝕速率，氣體流速增大可抵消結(jié)垢對腐蝕抑制的作用，不同材質(zhì)的耐腐蝕性差異也較大，N80 鋼級具有相對較好的抗腐蝕及點(diǎn)蝕性能[6]。

表3 不同材質(zhì)不同腐蝕程度灰關(guān)聯(lián)度對比分析表

2.4 MIT、MTT 腐蝕檢測結(jié)果分析

對其中腐蝕最嚴(yán)重的氣井S17-65 進(jìn)行MIT+MTT腐蝕檢測，分析MIT+MTT 曲線并進(jìn)一步與腐蝕掛片腐蝕監(jiān)測結(jié)果總體對比分析。分析MIT+MTT 曲線可知：（1）該井在油管中段腐蝕較嚴(yán)重，最大穿透深度接近75%，主要集中在氣井中段1 269.42～1 359.1 m 的范圍內(nèi)，屬于嚴(yán)重腐蝕；（2）腐蝕類型以斑點(diǎn)狀腐蝕為主，片狀腐蝕和線狀腐蝕次之（見圖2）。

圖2 S17-65 井油管腐蝕點(diǎn)成像圖

開展MIT、MTT 與腐蝕掛片腐蝕監(jiān)測結(jié)果總體對比分析。對比分析可知：

（1）油套管腐蝕檢測與腐蝕掛片腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)相符度很高；（2）S17-65 在1 500 m 左右腐蝕較高，根據(jù)該深度估算可知，溫度為60 ℃左右，此溫度也是二氧化碳腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域[7]；（3）當(dāng)?shù)竭_(dá)井底時，腐蝕速率降低，是由于此時井筒內(nèi)溫度較高，則形成致密腐蝕產(chǎn)物抑制腐蝕進(jìn)行[8]。

2.5 失效管段腐蝕分析

對S19-63 井油管段開展失效腐蝕分析，管段規(guī)格為Φ38.1 mm×3.18 mm，材質(zhì)為CT70 鋼。樣品全長約7.5 m，下端距離井底約1 000 m，管外壁嚴(yán)重腐蝕，腐蝕部位約4 m。對該失效管段進(jìn)行宏觀檢查、物相分析、金相分析、力學(xué)性能測試及電鏡掃描、能譜分析[9]。

用超聲波測厚儀對送檢未腐蝕管段壁厚進(jìn)行測量每次測量點(diǎn)為8 個，均勻分布于360°環(huán)向管壁上。用游標(biāo)卡尺測量蝕坑深度，環(huán)向管子壁厚平均值為3.19～3.20 mm。蝕坑最大深度約1.3 mm。送檢管段材料化學(xué)成分分析表明，元素組成符合CT70 連續(xù)油管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、縱向伸長率均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在送檢管段上取樣，用掃描電鏡對連續(xù)油管外表面進(jìn)行形貌分析，其微觀形貌（見圖3），管壁有不同深度的蝕坑；對管壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行電鏡掃描分析，其微觀形貌（見圖4）。對管壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，連續(xù)油管外壁腐蝕產(chǎn)物主要成分是鐵的氧化物和硫化物，其中絕大部分是鐵的氧化物（見表4）。

圖3 管外壁腐蝕微觀形貌

圖4 管外壁腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

表4 失效管段X-射線衍射分析結(jié)果

失效管段各項性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求：服役管柱失效樣管化學(xué)分析、硬度實驗、金相分析符合標(biāo)準(zhǔn)要求。推測失效原因為斷口處管體外壁與含有CO2等腐蝕介質(zhì)的井內(nèi)液體接觸，造成管體外壁腐蝕減薄嚴(yán)重，管體在復(fù)合載荷的作用下，在壁厚嚴(yán)重減薄處（3.18 mm→1.40 mm）率先失效，裂紋沿管體環(huán)向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管柱斷裂[10]。

3 結(jié)論

（1）由S48 區(qū)塊氣井水樣為氯化鈣（CaCl2）型，pH 小于6，呈弱酸性，且所處地層為封閉的地球化學(xué)環(huán)境，不存在與外來水系交互，地層水與天然氣伴生形成。

（2）S48 區(qū)塊氣井腐蝕的影響因素由強(qiáng)到弱依次為日配產(chǎn)＞CO2＞結(jié)垢性（區(qū)塊）＞緩蝕劑＞pH；且油套管腐蝕檢測與腐蝕掛片監(jiān)測數(shù)據(jù)相符度很高：油管在井筒中段腐蝕嚴(yán)重，而井底溫度較高形成致密腐蝕產(chǎn)物抑制腐蝕進(jìn)行。

（3）S48 區(qū)塊氣井管柱腐蝕主要是含鹽采出水、酸性溶解氣（主要是CO2）和采出水中成垢離子在不同狀態(tài)下（主要是溫度）的成垢量不一樣共同作用導(dǎo)致的，氣體流速會對腐蝕程度產(chǎn)生影響。

（4）常規(guī)油管材質(zhì)只要和腐蝕介質(zhì)（地層水）接觸，就會發(fā)生腐蝕，只是有腐蝕速率快慢之分，部分井當(dāng)產(chǎn)生較致密腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物后，平均腐蝕速率大大下降，但如果產(chǎn)物膜有缺陷并長期接觸腐蝕介質(zhì)，就會產(chǎn)生局部腐蝕，而通常井下管柱、套管發(fā)生均勻腐蝕失效的情況很少見，均是局部腐蝕尤其是點(diǎn)蝕發(fā)生后，導(dǎo)致管柱在點(diǎn)蝕區(qū)域的快速腐蝕，短時間內(nèi)發(fā)生失效。

（5）氣井采出水中輕烴和結(jié)垢的保護(hù)作用，油管的平均腐蝕和點(diǎn)蝕速率均不是隨時間變化的一個線性函數(shù)，是一個隨多因素變化的復(fù)雜函數(shù)，故日常投加的環(huán)空保護(hù)液（緩蝕劑）對點(diǎn)蝕抑制性能突出。