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      沿井筒CO2腐蝕規(guī)律研究

      2019-09-02 11:14:08楊曉鵬馮存棟朱雅婷李曉云
      石油天然氣學報 2019年4期
      關鍵詞:外緣油管井筒

      麻 濤,楊曉鵬,馮存棟,陸 昊,朱雅婷,李曉云

      中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部,河北 廊坊

      1.引言

      CO2注入井底可以降低原油黏度及油水界面張力、提高地層滲透率、改善油水流度比,從而提高原油采收率[1][2],尤其對稠油油藏、低滲油藏、高含水油藏以及深層油藏具有良好的應用效果[3][4][5]。由于注入CO2中含有少量水分,試驗過程中發(fā)現(xiàn)注CO2井筒的腐蝕現(xiàn)象嚴重,不同井深的腐蝕狀況也有所不同。因此,研究沿井筒的CO2腐蝕規(guī)律,采取相應防腐措施,對延長設備壽命、降低生產(chǎn)成本、提高油田開發(fā)經(jīng)濟性具有重要意義。

      2.井筒流動傳熱模型

      2.1.井筒物理模型

      注CO2井筒由油管、套管和水泥環(huán)依次嵌套構成,建立井筒中溫度場、壓力場計算模型??紤]井筒中流動傳熱的復雜性,做如下假設:① CO2的注入速率、壓力保持不變;② CO2在井筒內(nèi)流動為一維流動,同一截面溫度、壓力相同;③ 從油管到水泥環(huán)外緣間的熱量傳遞為穩(wěn)態(tài)傳熱,水泥環(huán)外緣到地層

      間為不穩(wěn)定傳熱且不考慮沿井深方向的傳熱;④ 忽略地層導熱系數(shù)以及地層溫度梯度沿井深方向的變化;⑤ 忽略CO2相態(tài)變化,恒為氣態(tài)。

      2.2.井筒傳熱模型

      井筒傳熱過程分為內(nèi)管中心距水泥環(huán)外緣的穩(wěn)態(tài)傳熱和水泥環(huán)外緣至地層的非穩(wěn)態(tài)導熱。

      1)油管中心距水泥環(huán)外緣的穩(wěn)態(tài)傳熱

      穩(wěn)定傳熱關系式如下:

      式中:Ts為CO2流體溫度,K;Th為水泥環(huán)外緣溫度,K;R為總傳熱熱阻,m·K/W;dz為單位井筒長度,m;dQ為單位長度dz上的熱損失,W。

      若以內(nèi)管外半徑r為基準,熱阻R關系式如下:

      式中:h1為流體與內(nèi)管的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);r1為油管內(nèi)半徑,m;λtub為油管導熱系數(shù),W/(m·K);r2為油管外半徑,m;hc為環(huán)空內(nèi)自然對流換熱系數(shù),W/(m2·K);hr為環(huán)空內(nèi)輻射換熱系數(shù),W/(m2·K);λcas為套管的導熱系數(shù),W/(m·K);rco為套管外徑,m;rci為套管內(nèi)徑,m;λcem為水泥環(huán)導熱系數(shù),W/(m·K);rh為水泥環(huán)外緣半徑,m。

      2)水泥環(huán)外緣至地層的非穩(wěn)態(tài)導熱

      屬于不穩(wěn)定傳熱,故熱損失隨著時間變化而變化。

      式中:Te為初始地層溫度,K;Ts為地表溫度,K;λe為地層導熱系數(shù),W/(m·K);f(t)為無量綱地層導熱時間函數(shù);t為注多元熱流體時間,h。

      2.3.壓力場、溫度場模型

      1)壓力場模型

      根據(jù)質(zhì)量守恒與動量守恒方程,注CO2過程壓力分布關系式如下:

      式中:p為注CO2過程中的壓力,MPa;d為注氣管道內(nèi)徑,m;v為管內(nèi)流速;m/s;f為摩擦阻力因數(shù),1;ρm為混合煙氣的密度,kg/m3;Re為雷諾數(shù),1;g為重力加速度,9.8 m/s2。

      2)溫度場模型

      單位長度上垂直井筒內(nèi)的能量守恒方程關系式為:

      式中:q為單位場地井筒徑向熱流密度,J/s;h為單位質(zhì)量流體的熱焓,J/s。

      由式(3)算得

      聯(lián)合式(5)、式(6)得:

      式中:Cp為定壓熱容,J/K;μj為焦耳-湯姆森系數(shù),K/MPa。

      根據(jù)式(7)和井口初始參數(shù),利用4階Runge-Kutta公式求解不同井深CO2的溫度、壓力。

      2.4.計算實例

      Table 1.The wellbore parameters表1.井筒參數(shù)

      當CO2注入流量為40 t/d,注入溫度為20℃,壓力為8 MPa時,沿井筒深度的溫度場、壓力場分布如圖1、圖2所示。可以看出,由于重力壓降大于摩阻壓降,隨著井筒深度的增加,CO2壓力呈增大趨勢,同時地層溫度大于流體溫度,從地層向流體進行熱傳導,CO2溫度也隨井深的增大而增大。

      Figure 1.The distribution of wellbore pressure圖1.井筒壓力分布

      Figure 2.The distribution of wellbore temperature圖2.井筒溫度分布

      3.CO2井筒腐蝕的試驗研究

      3.1.試驗材料

      選用油管常用材料N80鋼作為試驗材料;試驗腐蝕介質(zhì)采用油田注入的CO2(含水量小于8%);試驗裝置采用自制的高溫高壓反應裝置;試驗處理試劑石油醚、乙醇、檸檬酸銨等采用分析純標準試劑。

      3.2.試驗方法

      將試驗鋼材加工成50 mm×10 mm×3 mm板狀試樣,用絲綢、棉花等去除表面油跡,再用沸程60~90℃的石油醚清洗去油污后放入乙醇中進行脫水處理,干燥至恒重稱重備用。將處理好的掛片放入反應容器后,選取不同井深處參數(shù)(溫度、壓力),注入CO2進行腐蝕試驗,時間為120 h。試驗結(jié)束后,將試樣置于80℃的檸檬酸銨溶液中恒溫20 min去除表面腐蝕產(chǎn)物,用蒸餾水沖洗試樣,再用無水乙醇脫水烘干后即可進行測試分析。

      3.3.試驗結(jié)果及討論

      3.3.1.沿井筒腐蝕速率分析

      從N80鋼材在不同井筒深度下腐蝕的速率分布圖(見圖3)可以看出,沿井筒深度方向腐蝕速率整體呈逐漸減小趨勢。井口到500 m井深段,腐蝕速率變化不大,500 m后腐蝕速率急劇減小。結(jié)合井筒溫壓分布認為:0~500 m井深段流體溫度較低、壓力較小,試樣鋼材表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜不能提供有效的保護作用;超過500 m時流體溫度逐漸升高,壓力較大,腐蝕產(chǎn)物膜致密,可以有效阻隔腐蝕介質(zhì)與鋼材表面的接觸,腐蝕速率下降。

      Figure 3.The distribution of N80 steel corrosion rate along the wellbore圖3.N80鋼沿井筒深度的腐蝕速率分布

      3.3.2.腐蝕產(chǎn)物分析

      1)形貌分析。圖4為N80鋼材在井筒700 m井深處的SEM電鏡掃描照片??梢钥闯觯囼灪笤嚇颖砻娓街罅扛g產(chǎn)物,產(chǎn)物膜生成不均勻,易沿基體加工表面的磨痕棱處生長(見圖4(b)),經(jīng)酸化去除腐蝕產(chǎn)物后基體表面凹凸不平,并出現(xiàn)大量裂紋,表面出現(xiàn)均勻孔隙(見圖4(c))。由此可見,CO2腐蝕降低了N80鋼材強度,易產(chǎn)生穿孔等現(xiàn)象,降低管道使用壽命。

      2)物相分析。圖5為N80鋼材在700 m井深處樣品表面的X射線衍射能譜圖(XRD)。分析表明,N80鋼材在注CO2井700 m井深處產(chǎn)生的CO2腐蝕產(chǎn)物膜由FeCO3等復鹽構成。

      Figure 4.The SEM photos of corrosive samples圖4.腐蝕樣品表面SEM照片

      Figure 5.The XRD analysis of corrosive product圖5.腐蝕產(chǎn)物XRD分析

      4.結(jié)論

      1)CO2對N80鋼的腐蝕速率沿井筒深度方向呈逐漸減小趨勢,低溫低壓段腐蝕產(chǎn)物膜疏松,不能起到有效的隔離保護作用,腐蝕速率較快;高溫高壓段腐蝕產(chǎn)物膜致密,腐蝕速率較慢。

      2)CO2腐蝕易發(fā)生在基體表面不平整處,清除產(chǎn)物后基體出現(xiàn)裂紋及細小坑點,腐蝕產(chǎn)物成分主要為FeCO3等復鹽。

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