由于CO2具有良好的驅(qū)油效果和廣泛的適應性,并且CO2驅(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體的地下封存,具有環(huán)保效益,國內(nèi)各油田相繼開展了規(guī)模不同的先導試驗,探索了不同類型油藏CO2驅(qū)的可行性,現(xiàn)場試驗表明,國內(nèi)適合CO2驅(qū)的儲量豐富,應用前景廣闊。腐蝕控制是油田CO2驅(qū)的關鍵技術,國內(nèi)外都開展了有針對性的腐蝕機理與腐蝕控制技術研究。國外自上世紀八十年代就進入了規(guī)模應用,腐蝕控制技術成熟。國內(nèi)目前還處于探索階段,現(xiàn)場實驗取得了良好效果。從國內(nèi)外CO2驅(qū)的腐蝕控制技術來看是基本一致的,但對于腐蝕速率的控制,國內(nèi)外做法具有明顯的不同。開展腐蝕控制研究,確定合理的腐蝕速率控制值對于降低油田開發(fā)成本,保證CO2驅(qū)油田生產(chǎn)順利進行具有重要意義。
圖注:CO2驅(qū)油田注采井油套管腐蝕速率控制值的探討
1 CO2驅(qū)油田腐蝕速率控制值現(xiàn)狀
國內(nèi)外CO2驅(qū)油田普遍采用普通碳鋼(J-55、N-80等)油套管通過添加緩蝕劑的措施來控制腐蝕。中石油的吉林油田在黑59、黑79試驗區(qū)在油層部位還使用了不銹鋼套管。
通過公開發(fā)表的文獻檢索分析以及與國外資深專家交流情況來看,在使用緩蝕劑控制碳鋼腐蝕速率方面,國外并無統(tǒng)一或明確的腐蝕速率控制標準值,他們的做法是通過實驗選擇最優(yōu)的緩蝕劑。
與國外不同的是,我國在腐蝕速率控制方面普遍采用了0.076mm/a作為開發(fā)方案設計控制值、緩蝕劑篩選評價值或腐蝕控制效果評價值。這一數(shù)值從工程安全和成本上是否是最優(yōu)的,仍需要進一步探討。
2 關于腐蝕速率0.076mm/a的探討
平均腐蝕速率0.076mm/a來自于《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》(SY/T5329-2012)中的推薦注水水質(zhì)的控制指標。這一指標的確定方法是,當水質(zhì)滿足了其它指標后,檢測試樣水對現(xiàn)場用鋼(一般選碳素鋼如Q235)的腐蝕速率,測試時間為30±2天,得出最大腐蝕速率小于0.076mm/a。該數(shù)值是基于水質(zhì)的其它控制指標達到標準后的一個必然數(shù)值。
上述標準中主要考慮的腐蝕源不同于CO2驅(qū)油田的實際。標準中CO2是輔助性控制指標,是腐蝕的次要因素。一方面,水中的細菌作為主要腐蝕因素在標準中是主要控制指標,而CO2濃度是作為輔助性控制指標。另一方面,標準中規(guī)定CO2濃度為-1.0≤ρCO2≤1.0㎎/L,且在早期的標準版本中規(guī)定PH值為7±0.5,研究表明,CO2腐蝕依賴于PH值,在注入水為中性的條件下,CO2引起的腐蝕基本是可以忽略的。
上述標準中的腐蝕環(huán)境與CO2驅(qū)油田的腐蝕環(huán)境也是大不相同的。CO2驅(qū)油田的注入井在氣水交替初期,或采油井產(chǎn)出液中含水和CO2較高的井,其水中溶解的CO2濃度往往達到飽和狀態(tài)。研究表明,在常壓下,油田水中CO2的飽和濃度約為270㎎/L,注采井隨井深的增加,溫度和壓力上升,雖然溫度升高會降低CO2的溶解度,但壓力升高又提高了CO2的溶解度,因此,井下環(huán)境中CO2濃度遠遠超過1.0㎎/L。另外,標準中的腐蝕速率0.076mm/a是未加緩蝕劑條件下產(chǎn)生的,而油田井下一般通過添加緩蝕劑來控制CO2的腐蝕。
從測試環(huán)境、主要考慮的腐蝕源和腐蝕環(huán)境來看,將《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》中規(guī)定的0.076mm/a這個數(shù)值直接作為CO2驅(qū)油田腐蝕環(huán)境下的選材與腐蝕控制衡量指標是不合理的。
3 合理的CO2驅(qū)油田腐蝕控制速率探討
3.1 通過強度計算反推平均腐蝕速率控制值
通過加注緩蝕劑減緩CO2對碳鋼的腐蝕或選擇耐腐蝕材料,其目的是保護井下油套管,保證采油設施和各種采油作業(yè)的正常、安全運行,只要井下油套管的剩余強度達到需求,其壽命期間的控制腐蝕速率就應該是合理的。
下面分析找出注采井的危險工況,然后計算其所需強度,進而計算出合理的控制腐蝕速度。由于CO2驅(qū)大多應用于低滲透油藏,下面的分析以低滲透油藏為例。
油井完井后的套管強度,對于采油井來說,低滲透油藏的壓裂改造作業(yè)是最危險的工況。實際上,低滲透油藏開發(fā)井一般在投產(chǎn)時或投產(chǎn)初期即進行壓裂,進行重復壓裂的井是很少的,且壓裂也不會安排在20年末進行,況且,為了防止低滲透油藏CO2驅(qū)開發(fā)井發(fā)生氣竄,油井可能不進行壓裂,對于腐蝕后的剩余強度來說,壓裂作業(yè)并不是最危險工況。采油生產(chǎn)過程中,套管最危險處是水泥返高處,當動液面低于這個深度時,套管就受到了管外地層靜壓力的擠壓,此為工況Ⅰ;對于注氣井來說,最危險的工況莫過于出現(xiàn)井口失控,注入氣氣化噴出后井筒掏空,此時套管的危險井段是油層部位,套管需要承受地層的靜壓力的外擠,此為工況Ⅱ。
根據(jù)以上的分析進行計算條件假設:油層中深H=3000m,水泥返高h=2000m,套管外徑D=139.7㎜,套管壁厚δ=9.17㎜,油層部位套管鋼級P110(758MPa),其它部位套管鋼級N80(552MPa)。油層靜壓Pr=40MPa,沿井筒平均地層壓力系數(shù)1.2,油井壽命20年。
套管抗外擠強度經(jīng)驗計算公式為:

式中:
Pj—套管的抗外擠強度,MPa
σs—屈服應力,MPa。
假定腐蝕僅從內(nèi)部發(fā)生,抗擠毀強度安全系數(shù)取1.125 。首先計算以上二種危險工況下套管的允許極限剩余壁厚,然后求出20年平均腐蝕速率,計算結(jié)果見表1。
表1 二種工況下套管允許腐蝕速率計算結(jié)果
工況 | 原始壁厚 mm |
剩余壁厚 mm |
被腐蝕厚度 mm |
20年平均腐蝕速率 mm/a |
工況Ⅰ | 9.17 | 6.22 | 2.95 | 0.1475 |
工況Ⅱ | 6.99 | 2.18 | 0.109 |
3.2 現(xiàn)場使用緩蝕劑取得的控制腐蝕速率值
為了控制CO2腐蝕,科學工作者針對不同油田的腐蝕環(huán)境,開發(fā)出了多種類型緩蝕劑,包括通常采用的油溶性、水分散劑型緩蝕劑(常用長鏈脂肪酸),如胺類、酰胺類、亞胺類、咪唑啉等有機長鏈化合物,還有有機磷酸鹽。緩蝕劑全面地減緩了CO2對碳鋼的腐蝕,緩蝕率一般達到80%以上,優(yōu)選的緩蝕劑的緩蝕率可達90%以上。
緩蝕劑在現(xiàn)場應用中也表現(xiàn)了較好的效果。
草舍油田泰州組油藏于2005年7月開始CO2驅(qū)試驗,注入方式為水氣交替注入,綜合含水率51%。通過室內(nèi)實驗,評價出HS-20型CO2高效緩蝕劑并在現(xiàn)場應用,濃度為50~200μL/L。監(jiān)測結(jié)果表明,井下油管腐蝕速率為0.01~0.001mm/a。
吉林油田黑59塊CO2驅(qū)試驗區(qū),注CO2前產(chǎn)出水對碳鋼的腐蝕速率就達到0.5~0.7mm/a,通過緩蝕劑優(yōu)選和加注工藝優(yōu)化,現(xiàn)場應用的FRD-10型緩蝕劑將CO2腐蝕速率控制在了0.0067~0.0125mm/a 之間。
四川氣田是典型的含硫氣田,其幾個主力氣田均存在較為嚴重的腐蝕,其天然氣中含CO2 0.1%~ 4. 69%,通過井下加注緩蝕劑防腐,監(jiān)測腐蝕速率為0.0066~0.0081 mm/a。
現(xiàn)場應用表明,通過優(yōu)選、復配適用的緩蝕劑,配套優(yōu)化緩蝕劑加注工藝,CO2對碳鋼的腐蝕速率一般可控制在0.01 mm/a左右。
3.3 腐蝕速率控制值的討論
對于發(fā)生均勻腐蝕的材料來講,通過選取最危險工況條件下油套管的強度計算,所獲得的20年壽命周期內(nèi)允許的平均腐蝕速率,完全可以滿足安全生產(chǎn)需要,可以作為選材依據(jù)。
對于發(fā)生非均勻腐蝕的普通碳鋼來講,不能把獲得的20年壽命周期內(nèi)允許的平均腐蝕速率來作為選擇緩蝕劑的依據(jù)。實驗研究表明,CO2對碳鋼的腐蝕形態(tài)主要是點蝕、臺地腐蝕和全面腐蝕,在腐蝕較嚴重的環(huán)境,點蝕的平均腐蝕坑深是平均腐蝕速度的10倍以上,臺地腐蝕的平均腐蝕坑深是平均腐蝕速度的2倍以上。即使使用緩蝕劑,也不能阻止點蝕或臺地腐蝕的發(fā)生。按照上述實驗成果并結(jié)合表1中的計算結(jié)果,點蝕的數(shù)學累積深度分別會達到29.5mm(采油井)/21.8mm(注氣井),這顯然會造成油套管的早期腐蝕穿孔。
如前所述,現(xiàn)場科學地使用緩蝕劑能夠使CO2對碳鋼的腐蝕速率控制在0.01 mm/a左右。這一數(shù)據(jù)僅是強度計算所獲得的20年壽命周期內(nèi)允許的平均腐蝕速率的10%左右,顯然滿足生產(chǎn)過程對油套管的強度需求。按照點蝕坑深是平均腐蝕速度的10倍來計算,20年的最大坑深的數(shù)學累積深度為2mm,也不會造成管材腐蝕穿孔。實驗室篩選緩蝕劑,模擬現(xiàn)場腐蝕最嚴重的工況,由于實驗時間短,所獲得的腐蝕速率會較現(xiàn)場實際應用的真實腐蝕速率高。因此,就CO2緩蝕劑優(yōu)選來講,沒有一個合適的、可以作為標準的控制腐蝕速率值,從經(jīng)濟性、技術性和安全性三個方面綜合考慮,優(yōu)選出最優(yōu)的緩蝕劑更為恰當。
4 結(jié)論
0.076mm/a 來自于標準SY/T5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》,它是基于水質(zhì)的其它控制指標達到標準后的一個必然數(shù)值,直接把它作為CO2驅(qū)油田腐蝕環(huán)境下的選材與腐蝕控制衡量指標是不合理的。
對于發(fā)生均勻腐蝕的材料,通過最危險工況條件下油套管的強度計算所獲得的壽命周期內(nèi)允許的平均腐蝕速率可以作為選材依據(jù)。
沒有必要設定一個平均腐蝕速率標準值來作為CO2驅(qū)油田腐蝕環(huán)境下優(yōu)選、評價緩蝕劑的衡量指標。從經(jīng)濟性、技術性和安全性三個方面綜合考慮科學選用緩蝕劑,更具有實際意義。
責任編輯:田雙
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標簽: 腐蝕速率, CO2驅(qū)油田, 控制值

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