柴貿杰（紐芬蘭紀念大學 工程與應用科學學院，圣約翰斯市 加拿大）

火燒油層油井腐蝕要素分析及技術防護對策

柴貿杰（紐芬蘭紀念大學 工程與應用科學學院，圣約翰斯市 加拿大）

火燒油層作為稠油蒸汽吞吐開發(fā)后期經濟有效的接替技術，在其開發(fā)試驗及工業(yè)化推廣過程中，暴露出油井管柱等井下管材腐蝕較為嚴重，影響油井日常生產。在現場調研、剖析基礎上，指出該工藝技術下油井腐蝕的主要原因及影響因素，提出了火燒油層開采方式下油井防腐蝕的方法，對于減少油井腐蝕情況的發(fā)生具有一定的指導作用。

火燒油層；油井；腐蝕；硫化氫

火燒油層是一種具有明顯技術優(yōu)勢和潛力的熱力采油方法，具有驅油效率高、油藏適應范圍廣、能量利用高等特點，綜合了熱水驅、氣驅、混相驅和非混相驅的驅油機理【1】。火驅技術近幾年在國內外室內實驗及現場試驗均取得了長足的進步與發(fā)展，但從火驅生產作業(yè)現場來看，注氣管柱、采油管柱及抽油泵等腐蝕狀況不容樂觀。

1 火驅油井腐蝕因素分析

一般油井生產過程中存在腐蝕的主要因素，綜合起來主要是物理方面（如：壓力、溫度、流速、偏磨等）、化學方面（如：氧氣、硫化氫、二氧化碳等）及生物方面（如滋生的硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細菌、腐生菌）。

從國外火燒油層油井腐蝕案例來看，火燒油層試驗及開發(fā)過程中普遍存在油井腐蝕問題【2】。分析產生腐蝕的要因應從火燒油層開發(fā)機理、生產過程入手。在火驅生產過程中，許多因素會造成生產井腐蝕，這些因素包括水、C02、H2S、O2、CO、H2、低pH值和高溫等。除被注入氣體驅替的地層水以外，燃燒反應會產生CO2和水；原生水因火焰前緣加熱而汽化；溫度增高造成原油中硫醇、硫醚等有機硫化物及地層中的含硫礦物在高溫下反應生成H2S；一些O2經火餡前緣竄流到生產井等，這些因素都會加劇井下管柱的腐蝕。在火燒原油過程中，高溫火焰和套管接觸傳熱，鋼管的溫度可高達500℃，高溫不僅會使材料軟化，且使鋼管氧化變薄，高溫氧化和酸性腐蝕使井下管柱和工具局部產生腐蝕坑，長期作用導致管材腐蝕穿孔甚至斷裂。

1.1 硫化氫(H2S)

硫化氫主要來自含硫油裂解和伴生氣在水中的溶解，采出水中硫化氫的含量較高，致使油管、套管和采油泵腐蝕嚴重。H2S在水中的溶解度隨溫度升高而降低。干燥的H2S對金屬材料無腐蝕破壞作用，只有溶解于水中才具有腐蝕性，一旦溶于水便立即電離，釋放出的氫離子是強去極化劑，極易在陰極奪取電子，促進陽極鐵溶解反應而導致鋼鐵的全面腐蝕。H2S還有另一種腐蝕破壞形式，能使金屬材料破裂。H2S對鋼材電化學腐蝕產生氫，氫原子向鋼鐵內部滲透，從而導致氫損傷，在很低的拉應力下就可能發(fā)生破裂，因此在H2S腐蝕嚴重地區(qū)，抽油桿斷裂會更頻繁。

1.2 溶解氧（O2）

大量實驗表明，室溫下碳鋼在無氧純水中的腐蝕速率小于0.04mm/a，腐蝕幾乎觀察不到，而當水中溶有氧后則腐蝕速率成倍增加。在高礦化度污水中，當溶解氧由0.02增加到0.65mg /L時，腐蝕速率增加5倍；當溶解氧含量達到1.0mg/L時，腐蝕速率則增加20倍。在火驅開采中，油井采出水中含有的O2主要是由注入空氣未完全燃燒或氧化所致，能引起金屬腐蝕的氧只有溶解狀態(tài)的氧，溶解氧對腐蝕的影響非常大，濃度在0.1mg/ L左右就能引起嚴重的腐蝕。從腐蝕形態(tài)上看，溶解氧引起的腐蝕絕大多數是危害更大的局部腐蝕。另外，溶解氧引起的特殊腐蝕就是垢物及腐蝕產物下氧濃差腐蝕，它是局部腐蝕最為常見的一種形式，比起均勻腐蝕更為嚴重，也更具威脅性。

圖1 氧氣分壓和溶解氧含量對N80、P110管材腐蝕速率的影響

1.3 二氧化碳（CO2）

在火驅開采中，油井采出的CO2主要是由注入空氣燃燒的產物，CO2在水中的溶解度隨壓力的增加而增加，隨溫度的升高而降低。油田水中如果含有過量的CO2，會對金屬設備造成嚴重的腐蝕。CO2腐蝕主要是氫去極化腐蝕，當水中有游離CO2存在時，消耗掉的氫離子會被弱酸的繼續(xù)電離所補充，CO2使水呈酸性，破壞保護膜，并且鋼材受CO2腐蝕而生成的腐蝕產物都是易溶的，腐蝕的特征往往是金屬表面沒有腐蝕產物。

1.4 溫度

溫度對腐蝕速度的影響象大多數化學反應一樣，可以加速電化學反應的速度，因而加速腐蝕。腐蝕速率隨水溫度的升高而成比例的增加，一般情況下，水溫度每升高10℃，鋼鐵的腐蝕速度約增加30%。因此，在一些高溫油井中，尤其是火驅這樣開采方式，溫度是影響井下設備腐蝕的主要因素。

2 火驅油井防腐蝕方法

國外火驅現場油井防腐的主要技術措施如表1，采用的主要方法有選用耐腐蝕材料、表面處理、化學緩蝕劑等。國內應根據火驅油井生產的實際，經濟合理地選擇不同方式對油井進行防腐蝕，綜合起來，主要包括源頭防腐、動態(tài)防腐等。

圖2 氧分壓0.5MPa條件下管材的對比優(yōu)選

圖3 氧分壓0.02MPa條件下管材的優(yōu)選

2.1 源頭防腐蝕

（1）中國新疆油區(qū)紅淺1井區(qū)火驅開發(fā)固井優(yōu)選了耐高溫抗二氧化碳腐蝕的水泥漿體系【4】。水泥石試樣經高溫養(yǎng)護后,室內測試最小抗壓強度為13.8 MPa,經二氧化碳腐蝕后水泥石形態(tài)致密,結構比較均勻,仍具有較高的強度,其性能能夠滿足火驅開發(fā)高溫作業(yè)的要求。現場測試合格率為100%,優(yōu)質率達77.8%,取得了較好的應用效果,保證了火燒油層井的固井質量及生產安全。

表1 國外火驅現場油井防腐蝕措施Tab.1 On-site anti-cororsion methodsa broad

（2）管柱防腐蝕技術：對油管進行耐高溫防腐蝕處理，采用適用于210～610℃以下高溫防銹防腐涂料，使其具有優(yōu)越的高溫抗氧化防腐蝕性能，及良好的機械性能和耐冷熱溫差驟變性能，或選用13Cr、304不銹鋼、316不銹鋼等高端耐腐蝕鋼管系列產品，具有較強的耐蝕性（圖2、圖3所示），但13Cr鋼油套管的價格是碳鋼的3-5倍。

（3）選用合金鋼配套井下工具：使用耐高溫防腐蝕抽油泵代替普通抽油泵；采用耐高溫防腐蝕材料制造油管、氣錨、分流器等，實現高溫環(huán)境下的正常舉升。

2.2 火驅過程動態(tài)防腐蝕

（1）針對火驅油井的生產現狀和特點，確定當油井發(fā)生明顯的腐蝕時，生產井環(huán)空可以采用封隔器或者用防腐措施加以防護；同時應重新選擇井口、油管、封隔器、合成橡膠以及其它裝置，結合防腐措施，使油井的腐蝕減至最少。

（2）高溫防腐劑：篩選配套油井防腐劑，定期向高溫井添加防腐劑。

圖4 潤滑脂涂膜的表面保護作用對比

3 結語

火燒油層開發(fā)方式下點火井及油井發(fā)生腐蝕現象的因素很多，結合現場實際，分析影響腐蝕成因的主要因素是硫化氫、二氧化碳、氧氣及溫度等。防護技術措施上應根據火驅井生產的實際，經濟合理地選擇不同方式對油井進行防腐蝕，主要包括源頭防腐、動態(tài)防腐等，其中源頭防腐是關鍵，起到根本性保障作用；過程防腐是被動且不得已而為之的。應結合經濟狀況合理選用，有效防止或減少油井腐蝕情況的發(fā)生，避免因腐蝕導致的各種事故的發(fā)生，延長油井設備的使用壽命，保證油井的正常生產。

[1]張敬華，楊雙虎，王慶林.火燒油層采油[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:160-226.

[2]《油氣田腐蝕與防護技術手冊》編委會油氣田腐蝕與防護技術手冊（上）【M】北京：石油工業(yè)出版社，1999:43-152.

[3]王彌康，張毅，黃善波.火燒油層熱力采油[M].東營:石油大學出版社,1985：83-261.

[4]尹虎，劉輝，李黔等《石油天然氣學報》，2012,34（8）:120-122.

柴貿杰（1994-），男，現加拿大紐芬蘭紀念大學石油工程專業(yè)碩士研究生在讀。