由于CO2具有良好的驅(qū)油效果和廣泛的適應(yīng)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(guó)內(nèi)各油田相繼開(kāi)展了規(guī)模不同的先導(dǎo)試驗(yàn)，探索了不同類(lèi)型油藏CO2驅(qū)的可行性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，國(guó)內(nèi)適合CO2驅(qū)的儲(chǔ)量豐富，應(yīng)用前景廣闊。腐蝕控制是油田CO2驅(qū)的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了有針對(duì)性的腐蝕機(jī)理與腐蝕控制技術(shù)研究。國(guó)外自上世紀(jì)八十年代就進(jìn)入了規(guī)模應(yīng)用，腐蝕控制技術(shù)成熟。國(guó)內(nèi)目前還處于探索階段，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)取得了良好效果。從國(guó)內(nèi)外CO2驅(qū)的腐蝕控制技術(shù)來(lái)看是基本一致的，但對(duì)于腐蝕速率的控制，國(guó)內(nèi)外做法具有明顯的不同。開(kāi)展腐蝕控制研究，確定合理的腐蝕速率控制值對(duì)于降低油田開(kāi)發(fā)成本，保證CO2驅(qū)油田生產(chǎn)順利進(jìn)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(guó)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(guò)添加緩蝕劑的措施來(lái)控制腐蝕。中石油的吉林油田在黑59、黑79試驗(yàn)區(qū)在油層部位還使用了不銹鋼套管。

　　通過(guò)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)檢索分析以及與國(guó)外資深專家交流情況來(lái)看，在使用緩蝕劑控制碳鋼腐蝕速率方面，國(guó)外并無(wú)統(tǒng)一或明確的腐蝕速率控制標(biāo)準(zhǔn)值，他們的做法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇最優(yōu)的緩蝕劑。

　　與國(guó)外不同的是，我國(guó)在腐蝕速率控制方面普遍采用了0.076mm/a作為開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)控制值、緩蝕劑篩選評(píng)價(jià)值或腐蝕控制效果評(píng)價(jià)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(jìn)一步探討。

　　2 關(guān)于腐蝕速率0.076mm/a的探討

　　平均腐蝕速率0.076mm/a來(lái)自于《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》(SY/T5329-2012)中的推薦注水水質(zhì)的控制指標(biāo)。這一指標(biāo)的確定方法是，當(dāng)水質(zhì)滿足了其它指標(biāo)后，檢測(cè)試樣水對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用鋼(一般選碳素鋼如Q235)的腐蝕速率，測(cè)試時(shí)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(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后的一個(gè)必然數(shù)值。

　　上述標(biāo)準(zhǔn)中主要考慮的腐蝕源不同于CO2驅(qū)油田的實(shí)際。標(biāo)準(zhǔn)中CO2是輔助性控制指標(biāo)，是腐蝕的次要因素。一方面，水中的細(xì)菌作為主要腐蝕因素在標(biāo)準(zhǔn)中是主要控制指標(biāo)，而CO2濃度是作為輔助性控制指標(biāo)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定CO2濃度為-1.0≤ρCO2≤1.0㎎/L,且在早期的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1.0㎎/L。另外，標(biāo)準(zhǔn)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(guò)添加緩蝕劑來(lái)控制CO2的腐蝕。

　　從測(cè)試環(huán)境、主要考慮的腐蝕源和腐蝕環(huán)境來(lái)看，將《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中規(guī)定的0.076mm/a這個(gè)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(biāo)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(guò)強(qiáng)度計(jì)算反推平均腐蝕速率控制值

　　通過(guò)加注緩蝕劑減緩CO2對(duì)碳鋼的腐蝕或選擇耐腐蝕材料,其目的是保護(hù)井下油套管，保證采油設(shè)施和各種采油作業(yè)的正常、安全運(yùn)行，只要井下油套管的剩余強(qiáng)度達(dá)到需求，其壽命期間的控制腐蝕速率就應(yīng)該是合理的。

　　下面分析找出注采井的危險(xiǎn)工況，然后計(jì)算其所需強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出合理的控制腐蝕速度。由于CO2驅(qū)大多應(yīng)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(qiáng)度，對(duì)于采油井來(lái)說(shuō)，低滲透油藏的壓裂改造作業(yè)是最危險(xiǎn)的工況。實(shí)際上，低滲透油藏開(kāi)發(fā)井一般在投產(chǎn)時(shí)或投產(chǎn)初期即進(jìn)行壓裂，進(jìn)行重復(fù)壓裂的井是很少的，且壓裂也不會(huì)安排在20年末進(jìn)行，況且，為了防止低滲透油藏CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)井發(fā)生氣竄，油井可能不進(jìn)行壓裂，對(duì)于腐蝕后的剩余強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，壓裂作業(yè)并不是最危險(xiǎn)工況。采油生產(chǎn)過(guò)程中，套管最危險(xiǎn)處是水泥返高處，當(dāng)動(dòng)液面低于這個(gè)深度時(shí)，套管就受到了管外地層靜壓力的擠壓，此為工況Ⅰ;對(duì)于注氣井來(lái)說(shuō)，最危險(xiǎn)的工況莫過(guò)于出現(xiàn)井口失控，注入氣氣化噴出后井筒掏空，此時(shí)套管的危險(xiǎn)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(jìn)行計(jì)算條件假設(shè)：油層中深H=3000m，水泥返高h(yuǎn)=2000m，套管外徑D=139.7㎜，套管壁厚δ=9.17㎜，油層部位套管鋼級(jí)P110(758MPa)，其它部位套管鋼級(jí)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(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

　　式中：

　　Pj—套管的抗外擠強(qiáng)度，MPa

　　σs—屈服應(yīng)力，MPa。

　　假定腐蝕僅從內(nèi)部發(fā)生，抗擠毀強(qiáng)度安全系數(shù)取1.125 。首先計(jì)算以上二種危險(xiǎn)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

　　表1 二種工況下套管允許腐蝕速率計(jì)算結(jié)果

　　3.2　現(xiàn)場(chǎng)使用緩蝕劑取得的控制腐蝕速率值

　　為了控制CO2腐蝕，科學(xué)工作者針對(duì)不同油田的腐蝕環(huán)境，開(kāi)發(fā)出了多種類(lèi)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(zhǎng)鏈脂肪酸)，如胺類(lèi)、酰胺類(lèi)、亞胺類(lèi)、咪唑啉等有機(jī)長(zhǎng)鏈化合物，還有有機(jī)磷酸鹽。緩蝕劑全面地減緩了CO2對(duì)碳鋼的腐蝕，緩蝕率一般達(dá)到80%以上，優(yōu)選的緩蝕劑的緩蝕率可達(dá)90%以上。

　　緩蝕劑在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(kāi)始CO2驅(qū)試驗(yàn),注入方式為水氣交替注入，綜合含水率51%。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)出HS-20型CO2高效緩蝕劑并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,濃度為50～200μL/L。監(jiān)測(cè)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(yàn)區(qū)，注CO2前產(chǎn)出水對(duì)碳鋼的腐蝕速率就達(dá)到0.5～0.7mm/a，通過(guò)緩蝕劑優(yōu)選和加注工藝優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(gè)主力氣田均存在較為嚴(yán)重的腐蝕，其天然氣中含CO2 0.1%～ 4. 69%，通過(guò)井下加注緩蝕劑防腐，監(jiān)測(cè)腐蝕速率為0.0066～0.0081 mm/a。

　　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，通過(guò)優(yōu)選、復(fù)配適用的緩蝕劑,配套優(yōu)化緩蝕劑加注工藝，CO2對(duì)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(duì)于發(fā)生均勻腐蝕的材料來(lái)講，通過(guò)選取最危險(xiǎn)工況條件下油套管的強(qiáng)度計(jì)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(duì)于發(fā)生非均勻腐蝕的普通碳鋼來(lái)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(lái)作為選擇緩蝕劑的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，CO2對(duì)碳鋼的腐蝕形態(tài)主要是點(diǎn)蝕、臺(tái)地腐蝕和全面腐蝕，在腐蝕較嚴(yán)重的環(huán)境，點(diǎn)蝕的平均腐蝕坑深是平均腐蝕速度的10倍以上，臺(tái)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(diǎn)蝕或臺(tái)地腐蝕的發(fā)生。按照上述實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合表1中的計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)蝕的數(shù)學(xué)累積深度分別會(huì)達(dá)到29.5mm(采油井)/21.8mm(注氣井)，這顯然會(huì)造成油套管的早期腐蝕穿孔。

　　如前所述，現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)地使用緩蝕劑能夠使CO2對(duì)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(qiáng)度計(jì)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(guò)程對(duì)油套管的強(qiáng)度需求。按照點(diǎn)蝕坑深是平均腐蝕速度的10倍來(lái)計(jì)算，20年的最大坑深的數(shù)學(xué)累積深度為2mm，也不會(huì)造成管材腐蝕穿孔。實(shí)驗(yàn)室篩選緩蝕劑，模擬現(xiàn)場(chǎng)腐蝕最嚴(yán)重的工況，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，所獲得的腐蝕速率會(huì)較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的真實(shí)腐蝕速率高。因此，就CO2緩蝕劑優(yōu)選來(lái)講，沒(méi)有一個(gè)合適的、可以作為標(biāo)準(zhǔn)的控制腐蝕速率值，從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和安全性三個(gè)方面綜合考慮，優(yōu)選出最優(yōu)的緩蝕劑更為恰當(dāng)。

　　4 結(jié)論

　　0.076mm/a 來(lái)自于標(biāo)準(zhǔn)SY/T5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，它是基于水質(zhì)的其它控制指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后的一個(gè)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(biāo)是不合理的。

　　對(duì)于發(fā)生均勻腐蝕的材料，通過(guò)最危險(xiǎn)工況條件下油套管的強(qiáng)度計(jì)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(méi)有必要設(shè)定一個(gè)平均腐蝕速率標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)作為CO2驅(qū)油田腐蝕環(huán)境下優(yōu)選、評(píng)價(jià)緩蝕劑的衡量指標(biāo)。從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和安全性三個(gè)方面綜合考慮科學(xué)選用緩蝕劑,更具有實(shí)際意義。
 

責(zé)任編輯：田雙

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