陜北某含硫油田油管腐蝕結(jié)垢機(jī)理及防護(hù)措施

王海洲 周 雪 劉 洋 杏福音

延長(zhǎng)油田股份有限公司志丹采油廠(chǎng), 陜西 延安 717500

0 前言

陜北某含硫油田已進(jìn)入中高含水期,由于其延8層位采出水pH高、硫化物含量高,導(dǎo)致井筒腐蝕結(jié)垢加劇,油井因油管腐蝕結(jié)垢發(fā)生的維護(hù)性作業(yè)頻次逐年升高[1]。為解決該問(wèn)題,本文選取腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重的Y-1井和Y-2井,在井底篩管處懸掛與油管材質(zhì)相同的J55碳鋼掛片,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)。在分析Y-1井和Y-2井的采出水水質(zhì)、腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物組成、腐蝕產(chǎn)物膜微觀結(jié)垢及元素組分等的基礎(chǔ)上,研究該油田腐蝕結(jié)垢機(jī)理,并提出了投加高效緩蝕阻垢劑的防護(hù)措施,為解決陜北某含硫油田油管腐蝕結(jié)垢防護(hù)問(wèn)題提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑:丙酮、無(wú)水乙醇、鹽酸、烏洛托品,均為分析純。緩蝕阻垢劑:HZ-1、HZ-2、HZ-3,主要組分為有機(jī)磷酸鹽,均為工業(yè)品。

主要儀器:Bruker D8 X-射線(xiàn)衍射儀分析,FEI Quanta 600 F掃描電鏡,OXFORD INCA energy 350能譜儀,OLYMPUS DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水質(zhì)分析方法

依據(jù)SY/T 5523—2016《油氣田水質(zhì)分析方法》對(duì)陜北某含硫油田Y-1井和Y-2井的采出水進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.2.2 油管腐蝕速率現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法

為研究陜北某含硫油田延8層位井筒腐蝕情況,采用失重法測(cè)量油管腐蝕速率。修井時(shí)，將與油管材質(zhì)相同的J55碳鋼掛片(50 mm×25 mm×2 mm)懸掛在油管底部篩管處,下次修井時(shí)將掛片取出,J55碳鋼掛片化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 J55碳鋼的化學(xué)成分表

去除腐蝕產(chǎn)物膜,干燥稱(chēng)重,按照式(1)計(jì)算平均腐蝕速率。

(1)

式中:rcorr為平均腐蝕速率,mm/a;m為實(shí)驗(yàn)前試片質(zhì)量,g;mt為實(shí)驗(yàn)后試片質(zhì)量,g;S為試片總面積,cm2;ρ為試片材料密度,g/cm3;t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間,h。

1.2.3 油管腐蝕結(jié)垢機(jī)理研究方法

1.2.3.1 腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物組成分析方法

為了分析陜北某含硫油田延8層位油管腐蝕結(jié)垢原因,采集Y-1井和Y-2井篩管處的腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物,通過(guò)化學(xué)容量法和X-射線(xiàn)衍射法對(duì)腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物的組成進(jìn)行分析。

1.2.3.2 腐蝕掛片表面微觀形貌及元素組分分析方法

為進(jìn)一步分析產(chǎn)生腐蝕的原因,采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)和能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)掛片進(jìn)行表面腐蝕產(chǎn)物膜的微觀形貌和化學(xué)成分分析。

1.2.3.3 腐蝕深度測(cè)量方法

為了評(píng)價(jià)陜北某含硫油田延8層位井筒腐蝕深度,使用OLYMPUS DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡測(cè)量去除腐蝕產(chǎn)物膜后的腐蝕監(jiān)測(cè)掛片表面腐蝕深度。

1.2.4 油管腐蝕防護(hù)措施研究方法

依據(jù)SY/T 5273—2014《油田采出水用緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》,采用靜態(tài)失重法對(duì)HZ-1、HZ-2、HZ-3緩蝕阻垢劑的緩蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。緩蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定采出水中Ca2+含量,并計(jì)算阻垢率[2-5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 采出水水質(zhì)組成分析結(jié)果

表2 Y-1井和Y-2井采出水水質(zhì)分析結(jié)果表

2.2 油管腐蝕速率測(cè)定結(jié)果

Y-1井井底溫度為77 ℃,腐蝕時(shí)間為245 d;Y-2井井底溫度為75 ℃,腐蝕時(shí)間為171 d?，F(xiàn)場(chǎng)油管腐蝕速率測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可看出,Y-1井和Y-2井的平均腐蝕速率分別為1.023 2 mm/a和1.243 1 mm/a,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中推薦的平均腐蝕速率(≤0.076 mm/a)。

圖1 油管腐蝕速率測(cè)定結(jié)果圖

2.3 油管腐蝕結(jié)垢機(jī)理研究

2.3.1 腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物組成分析結(jié)果

Y-1井和Y-2井篩管表面腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物X-射線(xiàn)衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果圖

2.3.2 腐蝕產(chǎn)物膜微觀形貌及化學(xué)成分分析結(jié)果

Y-1井和Y-2井腐蝕監(jiān)測(cè)J55碳鋼掛片表面腐蝕產(chǎn)物膜微觀形貌見(jiàn)圖3,腐蝕產(chǎn)物膜化學(xué)成分分析見(jiàn)圖4。

a)Y-1井

a)Y-1井

由圖3可看出,Y-1井腐蝕后J55碳鋼掛片表面腐蝕產(chǎn)物膜疏松、不完整,不能為金屬基體提供保護(hù)。Y-2井腐蝕后J55碳鋼掛片表面腐蝕產(chǎn)物膜致密，但有裂縫,腐蝕介質(zhì)能夠通過(guò)裂縫與基體接觸,造成基體腐蝕,腐蝕產(chǎn)物膜中夾雜了結(jié)垢產(chǎn)物。由圖4可看出,Y-1井和Y-2井的腐蝕產(chǎn)物膜主要由S、Fe組成。腐蝕產(chǎn)物膜中還有少量C、O元素,說(shuō)明造成油管腐蝕的因素不止是硫化物,還可能有CO2腐蝕[11-13]。Y-2井的腐蝕產(chǎn)物膜中含有Cl,Cl-穿透腐蝕產(chǎn)物膜,在局部形成具有很強(qiáng)自催化特性的腐蝕電偶或閉塞電池,促進(jìn)局部蝕孔的發(fā)展,形成蝕坑[14-16]。腐蝕產(chǎn)物膜中含有Na、K、Al、Si,說(shuō)明黏土礦物也附著在J55碳鋼掛片表面。

2.3.3 油管三維腐蝕形貌及腐蝕深度測(cè)量結(jié)果

Y-1井和Y-2井J55碳鋼掛片去除表面腐蝕產(chǎn)物膜后的J55碳鋼三維腐蝕形貌見(jiàn)圖5。

a)Y-1井

由圖5可看出,Y-1井和Y-2井腐蝕嚴(yán)重,J55碳鋼掛片表面去除腐蝕產(chǎn)物膜后有較深的溝槽,Y-2井還存在點(diǎn)蝕。Y-1井腐蝕深度為368.824 μm,Y-2井腐蝕深度為493.446 μm。由于Y-1井和Y-2井腐蝕嚴(yán)重且腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng),J55碳鋼掛片表面被腐蝕,導(dǎo)致腐蝕深度測(cè)量時(shí)基準(zhǔn)面消失,腐蝕深度測(cè)量結(jié)果小于實(shí)際腐蝕深度[17]。結(jié)合油管三維腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物膜微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分,說(shuō)明該油田油管存在垢下腐蝕[18-19],且是造成油管腐蝕穿孔的主要原因。

2.4 油管腐蝕結(jié)垢防護(hù)措施研究

由于Y-2井采出水在井筒結(jié)垢,導(dǎo)致采出水中Ca2+含量低,不利于評(píng)價(jià)緩蝕阻垢劑的阻垢性能,根據(jù)文獻(xiàn)[20]延8地層水中Ca2+含量,在Y-2井采出水中加入CaCl2,使采出水中Ca2+含量為1 000 mg/L。采用靜態(tài)失重法比較HZ-1、HZ-2、HZ-3緩蝕阻垢劑的緩蝕性能,實(shí)驗(yàn)溫度為75 ℃,腐蝕材質(zhì)為J55碳鋼,腐蝕介質(zhì)為Ca2+含量為1 000 mg/L的Y-2井采出水,緩蝕阻垢劑加量為100 mg/L,腐蝕時(shí)間為7 d；同時(shí)測(cè)定采出水中Ca2+含量,并計(jì)算阻垢率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 緩蝕阻垢劑評(píng)價(jià)結(jié)果表

由表3可看出,HZ-1、HZ-2、HZ-3緩蝕阻垢劑均有一定的緩蝕阻垢效果,其中HZ-2緩蝕阻垢劑的緩蝕阻垢效果最好,投加后能將油管平均腐蝕速率控制在 0.062 5 mm/a,滿(mǎn)足石油天然氣控制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)阻垢率能夠達(dá)到90.97%?，F(xiàn)場(chǎng)投加了HZ-2緩釋阻垢劑后顯著降低了2口油井的修井作業(yè)次數(shù)。因此,選擇投加高效緩蝕阻垢劑能夠有效緩解陜北某含硫油田油管的腐蝕結(jié)垢情況。

3 結(jié)論

2)Y-1井和Y-2井的平均腐蝕速率分別為1.023 2 mm/a和1.243 1 mm/a,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》。

3)陜北某含硫油田油管腐蝕產(chǎn)物主要為FeS,結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3。造成油管腐蝕的主要原因是硫化物腐蝕。造成油管穿孔的原因主要為垢下腐蝕。

4)選擇投加高效緩蝕阻垢劑能夠有效緩解陜北某含硫油田油管的腐蝕結(jié)垢情況。