川南某頁巖氣區(qū)塊油管腐蝕分析與防護技術(shù)優(yōu)選

陳雨松， 岳 明， 張 騰， 王志強

中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項目經(jīng)理部

0 引言

由于頁巖滲透率低，需經(jīng)水力壓裂才能有效開采[1]，導(dǎo)致頁巖氣井生產(chǎn)過程中較常規(guī)氣井返排液量大，與此同時，返排液溫度高，且含有二氧化碳、氯離子和細(xì)菌等腐蝕性介質(zhì)[2- 3]。

自2017年7月，川南某頁巖氣區(qū)塊陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的管材刺漏事件，井下油管、地面工藝流程管線、采氣管線均出現(xiàn)不同程度腐蝕穿孔現(xiàn)象，對頁巖氣正常生產(chǎn)和動態(tài)監(jiān)測工作造成了影響。特別是腐蝕導(dǎo)致的油管穿孔、擠扁、斷落，給柱塞、制氮氣舉等頁巖氣排水采氣工藝帶來很多復(fù)雜情況[4- 5]。因此，腐蝕問題已成為制約頁巖氣田經(jīng)濟效益的瓶頸技術(shù)之一[6]?？紤]到地面和井筒環(huán)境存在一定差異，本文主要針對井下油管腐蝕機理及防護措施進行分析。

1 油管腐蝕特征及原因分析

1.1 區(qū)塊內(nèi)油管腐蝕情況

對區(qū)塊內(nèi)井下油管腐蝕失效事件統(tǒng)計分析，油管由于腐蝕穿孔現(xiàn)象發(fā)生在下深0～1 200 m范圍內(nèi)，損傷嚴(yán)重部分(損傷程度≥40%)絕大部分在800 m以上，其中穿孔井段(損傷程度≥100%)全部位于深度800 m以內(nèi)。穿孔有內(nèi)壁向外壁腐蝕的特征，同時，返排液回用量大的氣井井下管柱腐蝕更嚴(yán)重。起油管檢查發(fā)現(xiàn)W6- 3、4、5等8口井均出現(xiàn)油管腐蝕穿孔，腐蝕速率2.8～9.7 mm/a。

W5- 1井在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該井油壓、套壓變化趨于相同，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量逐步降低，判斷油管存在穿孔見圖1。對W5- 1井進行MIT多臂井徑測井和MID-K電磁探傷測井，該井油管存在多處嚴(yán)重破損及穿孔損傷情況，檢測到損傷段8處，其中二級損傷1段，三級損傷1段，五級穿孔損傷6段；860 m以下油管無明顯損傷現(xiàn)象，僅局部井段存在少量坑蝕損傷現(xiàn)象，檢測段無明顯結(jié)垢現(xiàn)象。

1.2 腐蝕形貌

整體上油管穿孔部位主要為外大內(nèi)小、邊緣尖銳，腐蝕產(chǎn)物輕微附著，呈現(xiàn)點蝕形貌。以W5- 1井油管穿孔處內(nèi)外表面宏觀形貌為例見圖2，油管外表面可見長度2 mm“裂縫”狀穿孔特征，切開油管后，觀察該穿孔處內(nèi)表面為一寬度約30 mm腐蝕坑，3D測量可知該腐蝕坑坑底平坦，已完全貫穿壁厚，此外，該油管內(nèi)外表面均呈現(xiàn)銹黃色。

圖2 起出油管腐蝕形貌圖

穿孔處內(nèi)表面微觀形貌，表面存在大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，高倍下觀察可見疏松網(wǎng)狀結(jié)晶硫化物腐蝕產(chǎn)物形貌。油管內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果，表明腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、O、S、Si和Ca元素，其中O元素最高達(dá)38.93%。

1.3 流體工況

對本區(qū)塊頁巖氣的組分進行分析，成分主要為甲烷，其摩爾百分含量為97.449%～98.667%，CO2含量在0.01%～1.53%，H2S含量小于0.01，基本不含H2S，相對密度0.563～0.644，CO2分壓為0.021～0.21 MPa，腐蝕作用小。

返排液多為氯化鈣水型,少數(shù)為碳酸氫鈉型，氯離子含量4 300～25 000 mg/L，pH值6～7液體整體呈中性至弱酸性。返排液中含有大量的Ca2+、K+、Cl-，以及少量Mg2+、SO42+，不含Ba2+、CO32+、OH-，電導(dǎo)率較高，對電化學(xué)腐蝕有一定促進作用，同時Ca2+、Mg2+、Cl-等離子會對管材腐蝕產(chǎn)生影響[7]。

此外，用無菌注射器將待測定的水樣逐級注入到測試瓶中，進行接種稀釋后置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)，根據(jù)測試頻陽性反應(yīng)和稀釋的倍數(shù)，計算出水樣中細(xì)菌量總數(shù)，多個取樣點測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有2.5～2.5×104個/mL的硫酸菌還原菌(SRB)，部分樣品中檢測出少量的鐵細(xì)菌(FB)。

1.4 油管材質(zhì)

本區(qū)塊多下入外徑60.32 mm，內(nèi)徑50.66 mm的N80鋼級油管。針對前期腐蝕，對L245N、L360NS、N80、N80S和BG90SS五種頁巖氣井常用鋼材開展防腐性能室內(nèi)實驗評價。全浸與半浸腐蝕掛片腐蝕實驗發(fā)現(xiàn)細(xì)菌容易附著在氣液界面，加速材料的腐蝕，五種鋼材在含細(xì)菌條件下均為嚴(yán)重腐蝕。

將W5- 2井被腐蝕油管全段更換為N80S抗硫油管，經(jīng)8個月生產(chǎn)后起出驗證，發(fā)現(xiàn)耐蝕效果相對普通油管有所提升，但仍存在明顯損傷。現(xiàn)場試用和腐蝕速率結(jié)果表明L245N、L360NS、N80、N80S和BG90SS五種鋼材對于本區(qū)塊細(xì)菌防腐意義不大。

1.5 腐蝕原因

通過對輸送介質(zhì)、環(huán)境以及腐蝕形貌等進行分析，硫酸鹽還原菌(SRB)是導(dǎo)致刺漏穿孔和腐蝕的主要原因[8]，與此同時，頁巖氣井壓裂后排采過程中大量氯離子[9]，能夠穿過腐蝕產(chǎn)物間隙，進行管材腐蝕的陽極過程，促進腐蝕，CO2溶于水本身就帶有腐蝕性，也可以使得表面殼層致密性變差，促進點蝕的發(fā)展。

2 應(yīng)對措施及效果評價

2.1 常用油管腐蝕防護措施比選

針對井下油管腐蝕，基于本區(qū)塊腐蝕原因及腐蝕特征，以2 000 m油管加工為例，綜合考慮腐蝕環(huán)境、成本及現(xiàn)場實施難度等進行評估，比選了管材防腐常用的抗腐蝕鋼管、管道內(nèi)襯和內(nèi)涂層技術(shù)(見表2),并試用內(nèi)涂層進行油管腐蝕防護。

表2 油管腐蝕防護措施統(tǒng)計表

2.2 內(nèi)涂層防護機理

內(nèi)涂層能阻隔細(xì)菌、Cl-與CO2及其溶解于水形成的酸性化合物與管材本體的接觸，有效降低金屬的腐蝕速率，延長使用壽命。內(nèi)涂層防護機理主要包括屏蔽作用、鈍化作用、抑制作用和陰極保護作用[10- 11]。常用內(nèi)涂層有耐蝕合金、內(nèi)襯聚合物技術(shù)、滲氮、鍍層(電鍍或化學(xué)鍍)、環(huán)氧酚醛涂層。

本區(qū)塊使用的涂料類別為環(huán)氧酚醛，具有良好的電絕緣性，能形成光滑表面層以減少細(xì)菌附著，提高流體流動效率，減少結(jié)蠟和結(jié)垢的可能。目前，內(nèi)涂層主要用于油氣田含腐蝕性介質(zhì)的井下油管、地面集輸管道和注水管道上[12]。

2.3 效果跟蹤

在W5- 1井發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象后，起出原有油管并考慮，重新下入內(nèi)涂層油管和普通油管的組合，其中0～1 618 m井深下入內(nèi)涂油管，1 619～3 653 m繼續(xù)使用普通油管。入井使用9個月后，起出驗證，0～1 618 m內(nèi)涂油管完好，內(nèi)壁光滑；1 619～3 085 m普通油管內(nèi)壁見附著物，輕微腐蝕；3 086～3 653 m普通油管內(nèi)壁見明顯附著物，存在輕微腐蝕，雖不至穿孔，但其腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致內(nèi)壁剝落。腐蝕產(chǎn)物受重力影響向下方聚集，部分腐蝕產(chǎn)物由于下方油管長期被水浸泡附著在油管內(nèi)壁，更多的腐蝕產(chǎn)物堆積在篩管內(nèi)。尾端篩管嚴(yán)重堵塞，內(nèi)部充滿松動黑色鐵屑(圖3)。

圖3 W5- 1井內(nèi)涂層油管和普通油管起出驗證圖

因而，后續(xù)更換及新下油管全段采用內(nèi)涂層，全井段內(nèi)涂后每口井約增加成本7萬元。

對W9- 2井開展了油套管損傷檢測測井，通過測量內(nèi)涂加工油管內(nèi)徑的精確變化，判斷油管內(nèi)壁損傷情況。多臂井徑結(jié)果顯示：內(nèi)涂油管在測量段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕損傷以及明顯結(jié)垢現(xiàn)象，如圖4。

圖4 W9- 2油管MIT- 24多臂井徑測井曲線圖與與MID-K處理成果圖

在起出油管驗證和井下監(jiān)測中，均證明內(nèi)涂層技術(shù)能有效解決本區(qū)塊頁巖氣井井下油管腐蝕問題。

3 結(jié)論

(1)硫酸鹽還原菌(SRB)是導(dǎo)致井下油管腐蝕的主要因素，氯離子、溫度及壓力波動會加速管材的腐蝕。

(2)頁巖氣開采對管材的安全性、可靠性和耐久性提出了更高的要求，采用內(nèi)涂層可隔絕水、氧、細(xì)菌、鹽、酸等腐蝕介質(zhì)，有效降低金屬的腐蝕速率，有效解決了本區(qū)塊頁巖氣井井下油管腐蝕的問題。綜合考慮腐蝕環(huán)境、成本及現(xiàn)場實施難度等方面，較其他油管腐蝕防腐措施更為有效。

(3)目前，內(nèi)涂防腐技術(shù)在頁巖氣田應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的施工驗收標(biāo)準(zhǔn)和防腐效果評價方法有待建立。仍需在后續(xù)工作中定期掌握在役涂層耐磨值、厚度的變化情況，同時對油管內(nèi)腐蝕情況進行腐蝕監(jiān)測，進而評價酚醛環(huán)氧內(nèi)涂層在本區(qū)塊介質(zhì)腐蝕下長期服役的可行性。