南海某氣田人工運移井套管防腐研究及壽命預測

申洪臣 孫愛平 黃 孟 鄧瑞濤 張家梅

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?570100；2.中海油能源發(fā)展工程技術油 田化學分公 司，廣東 湛江 524057）

0 引言

為提高產(chǎn)氣量，南海西部某氣田采取自流注氣的增產(chǎn)措施，即：利用能量較大的天然氣直接注入到需要補充能量的氣藏中，利用兩者之間的壓差將天然氣注入到較低的開采層中，從而達到補充地層能量的目的（如圖1所示）。

圖1 自流注氣示意圖

天然氣自生產(chǎn)井生產(chǎn)時，人工運移井則暫時封堵，封堵年限要求為15年。不同儲層連通后，為了保證地下流體不往上竄，棄井作業(yè)非常關鍵，在油氣藏枯竭后，需要重新找回原來的井眼，進行永久性棄井作業(yè)。人工運移通道井暫時封堵時，需確保封堵井筒的完整性。國內外實踐經(jīng)驗表明，加注緩蝕劑是經(jīng)濟可靠又十分靈活的腐蝕控制方法，在油氣井中應用廣泛[1-3]。因此，需對井筒加注緩蝕劑以確保封堵期間井筒的完整性。

1 試驗方法

1.1 試驗材質及緩蝕劑

試驗材質為N80套管鋼，其化學成分為(質量分數(shù)/%)：C0.33，Mn1.41，Mo0.002，Cr0.010，Ni0.008，Cu0.007，Si0.26，P0.014，S0.006，滿足API SPEC 5CT-2012標準要求，組織為回火索氏體，金相組織照片如圖2所示。試樣尺寸為50×10×3mm。

圖2 N80金相顯微組織形貌（500×）

選用的腐蝕介質為某油田現(xiàn)場取回的海水。選用的緩蝕劑為HYF-01和HSJ-JL-01，添加濃度分別為0.1%、0.5%和1.0%。

1.2 試驗設備

高溫高壓腐蝕試驗選用C276磁力驅動高溫高壓反應釜，用BS124S電子天平（精度0.1mg）稱量，JSM－6390A掃描電鏡觀察試樣微觀形貌。

1.3 試驗方法

（1）試驗前，分別用320#、600#、800#、1200#砂紙逐級打磨以消除機加工的刀痕；

（2）將試樣清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱重；

（3）將試樣相互絕緣地安裝在特制的試樣架上，放入高壓釜內的腐蝕介質中；

（4）試驗前，先通入高純氮2h除氧，然后，升溫到要求值，通入試驗條件中要求的氣體到設定值；

（5）試驗結束后，將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質、無水乙醇脫水后，冷風吹干，用定性濾紙包起，放入干燥皿中待用；

（6）用清洗液將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物去除，（空白試樣的清洗液[4]配方為：鹽酸（1.19）1L、三氧化二銻20g、氯化亞錫50g。添加防腐液后試樣的清洗液[5]配方為：鹽酸（分析純）100mL、六亞甲基四胺（分析純）5～10g、加水到1000mL。）

酸洗后的試樣立即在自來水中沖洗，并通過在飽和碳酸氫鈉溶液中浸泡約2～3min進行中和處理，之后用自來水沖洗并用濾紙吸干后置于無水乙醇或丙酮中浸泡3～5min脫水。

（7）試樣脫水后，冷風吹干，用BS124S電子天平（精度0.1mg）稱重并計算其腐蝕速率。

均勻腐蝕速率的計算方法為：

式中：

vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；

Δg為試樣失重，g；

γ為材料比重，g/cm3；

t為試驗時間，d；

S為試樣表面積，mm2。

緩蝕率計算公式如下：

式中：

η為緩蝕率；

v空白為未添加防腐液材料的均勻腐蝕速率，mm/a；

v加樣為添加防腐液后材料的均勻腐蝕速率，mm/a。

2 試驗條件

封堵完好時，井筒和環(huán)空內無腐蝕性氣體。封堵泄漏時，井筒內會涌入腐蝕性氣體CO2。根據(jù)現(xiàn)場工況調研結果，實驗模擬條件如表1所示，選取最苛刻的腐蝕環(huán)境進行模擬腐蝕試驗，試驗溫度為82℃，目前最大地層壓力為12MPa，最大CO2含量為72.4%，則CO2分壓為8.6MPa。

表1 模擬試驗條件

3 試驗結果和討論

圖3和圖4分別為防腐液HYF-01和HYF-02在封堵完好和封堵泄露腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%和1.0%緩蝕劑后的均勻腐蝕速率和緩蝕率。由圖3可見，封堵完好時，相比空白試驗，添加兩種不同濃度的緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均明顯減小，隨著添加濃度的增大，均勻腐蝕速率并沒有減小，說明防腐液濃度在0.1%時已達到飽和狀態(tài)。根據(jù)NACE Standard SP0775-2013[6]標準判斷：空白試驗的均勻腐蝕速率屬于嚴重腐蝕，分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYF-01和HYF-02后，均勻腐蝕程度均降低為輕度腐蝕。

圖3 在封堵完好腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02均勻腐蝕速率和緩蝕率

由圖4可見，封堵泄漏時，相比空白試驗，添加兩種不同濃度的防腐液后，均勻腐蝕速率均明顯減小。根據(jù)NACE Standard SP0775-2013[6]標準判斷：空白試驗的均勻腐蝕速率屬于極嚴重腐蝕，添加1.0%的HYF-01后，均勻腐蝕程度降低為中度腐蝕，添加0.1%、0.5%和1.0%的HYF-02后，均勻腐蝕程度稍微嚴重，屬于中度腐蝕。

圖4 在封堵泄露腐蝕工況下，分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02均勻腐蝕速率、緩蝕率

圖5為封堵完好時，空白、分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02試樣表面微觀形貌。由圖可見，封堵完好時，相比空白試驗，分別添加0.1%HYF-01和0.5%HYF-02后，試樣表面均勻腐蝕程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但是仍存在點蝕。

圖5 封堵完好時，空白與分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYH-01和HYF-02試樣表面微觀形貌

圖6為封堵泄漏時，空白、分別添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-01和HYF-02試樣表面微觀形貌。相比空白試驗，添加1.0%HYF-01后，試樣表面均勻腐蝕明顯程度減輕，可見砂紙打磨的痕跡，但有輕微點蝕；添加1.0%HYF-02后，試樣表面均勻腐蝕程度有所減輕，但是仍存在嚴重的局部腐蝕。

圖6 封堵泄露時，空白與分別添加0.1%、0.5%和1.0%的HYH-01和HYF-02試樣表面微觀形貌

由于緩蝕劑的緩蝕機理在于成膜，故迅速在金屬表面上形成一層密而實的膜，乃是獲得緩蝕成功之關鍵。封堵泄露時，隨著緩蝕劑添加濃度的增加，緩蝕劑在金屬表面的覆蓋率增大，腐蝕速率降低。

HYF-01和HYF-02兩種緩蝕劑在封堵完好時，添加濃度為0.1%時，均勻腐蝕速率最低，緩蝕率很高，隨著添加濃度的增大，均勻腐蝕速率增大。這是因為緩蝕劑濃度已達到飽和（覆蓋率為1），當緩蝕劑達到飽和濃度后，緩蝕劑分子之間會出現(xiàn)分子間作用力影響緩蝕劑分子與電極之間的吸附，因此會出現(xiàn)腐蝕速率增大的現(xiàn)象。

4 腐蝕壽命預測

套管在服役期間要接觸各種流體，這些流體會對套管材料造成腐蝕，其結果是使管體有效厚度減少，使套管承載力降低，最后失效[7]。套管服役環(huán)境惡劣，腐蝕的影響因素很多，各種因素的共同及交互作用，更容易導致甚至加劇套管的腐蝕[8-10]。因此在計算套管壽命時不能單純的考慮腐蝕的作用，而應同時考慮受力和腐蝕因素。

根據(jù)試驗結果，選取腐蝕嚴重的情況（封堵泄漏）進行腐蝕壽命預測。

套管水泥固井后，不考慮軸向拉伸作用，因此，在進行壽命計算時，僅考慮內壓和外擠作用。

本試驗中，在封堵井的套管內外壁均使用同樣的防腐液，所以，假設套管內、外壁同時發(fā)生均勻腐蝕，則腐蝕壽命預測時，套管壁厚減薄量以試驗結果的兩倍計算。

腐蝕壽命預測方法：

（1）計算剩余壁厚=原始壁厚-2×腐蝕速率×套管服役時間；

（2）根據(jù)剩余壁厚進行套管強度校核，計算得到抗內壓安全系數(shù)和抗外擠安全系數(shù)。若均大于標準要求值，則強度滿足要求；

（3）進行強度校核時，當抗內壓安全系數(shù)或抗外擠安全系數(shù)等于標準要求值時，此時的套管的使用時間即為套管的腐蝕壽命。

抗內壓安全系數(shù)≥1.125，抗外擠安全系數(shù)≥1.10[11]。

N80套管規(guī)格為339.725×12.7mm，下深至1500m。

根據(jù)式（1）～式（14）計算抗外擠安全系數(shù)。

（1）屈服擠毀強度值

當時(Dc/δ)≤(Dc/δ)yp時：

其中：

式中：

Dc為套管外徑；

δ為套Dc壁厚；

（Dc/δ）yp為屈擠毀與塑性擠交點的徑厚比；

p∞為抗擠強度；

Yp為屈強度。

（2）塑Yp擠毀強度值

當(Dc/δ)yp≤ (Dc/δ)≤ (Dc/δ)pt時：

其中：

式中：

（Dc/δ）yp為塑性擠毀與過渡擠交點的徑厚比。

（3）過渡擠毀強度值

當(Dc/δ)pt≤ (Dc/δ)≤ (Dc/δ)te時：

其中：

式中：

(Dc/δ)≥(Dc/δ)te為過渡擠毀與彈性擠交點的徑厚比。

（4）彈性擠毀強度值

當(Dc/δ)≥(Dc/δ)te時：

套管內和環(huán)空中加入的是海水+防腐液，因此對于套管有效外壓力為：

式中：

pce為有效外壓力；

ρ為海水密度；

h為計算點的深度；

Sc為抗外擠安全系數(shù)。

根據(jù)式（15）～式（17）計算抗內壓安全系數(shù)。

抗內壓強度值：

有效內壓力（封堵井內液體的內壓）：

式中：

Pbo為抗內壓強度；

Pbe為效內壓力；

Si為抗內壓安全系數(shù)。

圖7為根據(jù)式（1）～式（17）計算的不同緩蝕劑不同添加濃度下的腐蝕壽命。由圖7可見，添加0.5%和1.0%的HYF-01能夠滿足套管15年的腐蝕壽命要求；添加0.1%、0.5%和1.0%的HYF-02也能滿足套管15年的腐蝕壽命要求。

圖7 腐蝕壽命預測結果

5 結語

（1）封堵完好時，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均較低，增大添加濃度，均勻腐蝕速率反而增大。說明在該腐蝕環(huán)境中，添加濃度為0.1%時已達到飽和狀態(tài)；

（2）封堵泄漏時，添加兩種緩蝕劑后，均勻腐蝕速率均有所減小，且增大添加濃度，均勻腐蝕速率繼續(xù)減小；

（3）結合均勻腐蝕速率和強度，計算套管的腐蝕壽命，添加0.5%、1.0%的HYF-01和添加0.1%、0.5%、1.0%的HYF-02能夠滿足套管15年的腐蝕壽命要求，最長腐蝕壽命為添加1.0%的HYF-01。