東勝氣田氣井腐蝕軟件模擬研究

陳 旭

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院，河南 鄭州 450006)

東勝氣田位于內蒙古自治區(qū)伊克昭盟東勝市巴彥敖包鄉(xiāng)附近，面積9 805 km2，資源量11 345億m3，為中石化華北油氣分公司天然氣產量主力接替區(qū)，開發(fā)前景良好[1]。東勝氣田氣井普遍產水，液氣比為2.45 m3/104m3；產出氣中含有一定量CO2，其分壓約為0.001～0.14 MPa。根據Cor和Marsh的研究成果(見表1)，氣井具備發(fā)生CO2腐蝕的條件。

表1 CO2分壓與腐蝕可能性關系表

作為嚴重影響氣井生產的問題，氣井腐蝕一直備受研究者關注?？傮w來講，氣井腐蝕研究主要有理論計算法、室內實驗法及現(xiàn)場試驗法三類，其中理論計算法僅停留在定性判斷層面，而室內實驗及現(xiàn)場試驗法成本高、周期長，無法滿足氣田腐蝕研究需要[2](見表2)。隨著計算機技術的日新月異，軟件模擬法應運而生。它以理論計算法為基礎，結合現(xiàn)場經驗數(shù)據修正計算模型，可以進行定性與定量計算，避免了理論計算、室內實驗與現(xiàn)場試驗法的缺點，在油氣井腐蝕分析方面得到越來越廣泛的應用[3-7]。本文采用腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer 對東勝氣田氣井腐蝕特征進行模擬計算，并結合現(xiàn)場試驗結果，研究東勝氣田腐蝕規(guī)律。

表2 氣井腐蝕研究方法匯總

1 OLI腐蝕模擬軟件Corrosion Analyzer簡介

1.1 軟件功能

Corrosion Analyzer 腐蝕分析系統(tǒng)是由美國OLI公司開發(fā)的預測、分析工業(yè)腐蝕問題的工具，可以對氣井腐蝕可能性、腐蝕機理、影響腐蝕因素及不同條件下腐蝕速率進行模擬分析，從定性及定量兩個層面對氣井腐蝕問題進行描述，可有效指導氣田腐蝕防護工作。

1.2 操作方法

進行腐蝕模擬前要輸入三方面的基礎數(shù)據，即流體性質參數(shù)、氣井管柱結構參數(shù)和氣井動態(tài)生產數(shù)據。流體性質參數(shù)包括氣井產出氣體各組分含量、氣井產出水相各種離子濃度、水相pH值等信息；氣井管柱結構參數(shù)包括氣井油管管徑、油套管材質等信息；氣井動態(tài)生產數(shù)據包括氣井日產氣量、日產液量、流體速度、氣井溫度、流壓等數(shù)據。根據以上數(shù)據，可對腐蝕體系熱力學穩(wěn)定性(即腐蝕可能性)、腐蝕反應機理、腐蝕影響因素及腐蝕速率進行模擬。

2 東勝氣田產出流體性質分析

2.1 東勝氣田產出氣性質

在東勝氣田投產井及試采井中選取5口氣井作為分析樣本，分別進行產出氣、水性質分析，產出氣組分見表3。

表3 東勝氣田產出氣組分

由表3數(shù)據可知，東勝氣田天然氣組分中甲烷含量較高(平均值92.66%)，為干氣類型。乙烷以上組分含量較低，有少量氮氣和二氧化碳，不含硫化氫。與腐蝕相關的二氧化碳氣體在不同氣井中含量不一，介于0.031%～1.02%之間，平均值為0.553%。根據表1數(shù)據，結合東勝氣田氣井壓力可知，東勝氣田部分氣井有可能發(fā)生二氧化碳電化學腐蝕(見表4)。

表4 樣本井CO2分壓情況

1.2 東勝氣田產出水性質

5口樣本井產出水性質見表5。

表5 東勝氣田產出水組分

由表5數(shù)據可知，東勝氣田石盒子組礦化度較低，介于35 000～54 000 mg/L，含太原組合采氣井礦化度較高，可達95 180 mg/L。理論上礦化度越高，越有助于腐蝕的發(fā)生。

3 腐蝕模擬預測結果及分析

3.1 腐蝕體系熱力學穩(wěn)定性預測

pH-電位圖分析是腐蝕電化學中判定腐蝕體系熱力學穩(wěn)定性的有效方法。通過熱力學及電化學相關計算，將圖劃分成不同的區(qū)域，分別為腐蝕區(qū)、鈍化區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。根據腐蝕狀態(tài)點的區(qū)域，從熱力學穩(wěn)定性方面定性判斷氣井腐蝕情況。圖1為J11P4H井井底附近環(huán)境條件下pH-電位圖，圖中白色區(qū)域表示腐蝕區(qū)，綠色區(qū)域表示鈍化區(qū)，灰色區(qū)域表示穩(wěn)定區(qū)。J11P4H井腐蝕狀態(tài)點(紅色圓圈)位于腐蝕區(qū)，則理論上熱力學不穩(wěn)定，有較強的腐蝕傾向[8]。圖2為錦86井井底附近環(huán)境條件下pH-電位圖，腐蝕狀態(tài)點位于綠色區(qū)域，則理論上熱力學較穩(wěn)定，有一定的腐蝕傾向。

用同樣方法共分析5口井的熱力學穩(wěn)定性，結果見表6。2口井(錦58、錦86)處于鈍化區(qū)，2口井(ES4、J11P4H)處于腐蝕區(qū)，1口井(錦26)處于腐蝕區(qū)與鈍化區(qū)交界處?？傮w來講，上述氣井都有發(fā)生腐蝕的可能性。

表6 東勝氣田氣井腐蝕熱力學穩(wěn)定性軟件模擬結果

3.2 腐蝕反應機理預測

可以通過Corrosion Analyzer計算得到極化曲線，極化曲線中在腐蝕狀態(tài)點相交的兩個半反應即為腐蝕反應機理[9]。

圖3和圖4分別為J11P4H井和錦58井的極化曲線。由圖3可知，距離腐蝕狀態(tài)點最近的兩條半反應曲線分別為鋼材失電子轉化為金屬離子，以及水生成氫氣和氫氧根的反應，因此這兩個反應主導氣井腐蝕過程，J11P4H井腐蝕機理為高溫下鋼材析氫腐蝕。由圖4可知，距離腐蝕狀態(tài)點最近的兩條半反應曲線分別為鋼材失電子轉化為金屬離子，以及碳酸電離的反應，因此這兩個反應主導氣井腐蝕過程。錦58井腐蝕機理為高溫下二氧化碳電化學腐蝕。

用同樣的方法，共分析5口氣井腐蝕機理，結果見表7。2口氣井(J11P4H、錦26)為高溫下鋼材析氫腐蝕，3口氣井為高溫下二氧化碳電化學腐蝕(ES4、錦58、錦86)。就目前結果來看，東勝氣田腐蝕機理為鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學腐蝕，模擬結果與理論判定結果一致。

表7 東勝氣田氣井腐蝕機理軟件模擬結果

3.3 主要影響因素分析

氣井腐蝕是一個復雜的過程，溫度、壓力、pH值、礦化度、氣體流速等都會影響氣井腐蝕程度[10]。但在正常穩(wěn)定生產過程中，產出液特征及氣體流速變化不大，而沿井筒溫度及壓力變化較大，因此溫度、壓力為氣井腐蝕主要影響因素。

圖5及圖6分別為錦58井溫度、壓力對腐蝕速率影響關系圖。由圖中曲線可知，在東勝氣田井筒溫度、壓力變化范圍內，隨著溫度、壓力的增加，氣井腐蝕速率也呈增加趨勢，但溫度影響遠大于壓力影響。這是因為溫度增加，腐蝕化學反應速率增加；壓力增加，二氧化碳分壓增加，二氧化碳電化學腐蝕加劇。

用同樣的方法共分析5口樣本氣井溫度、壓力對腐蝕速率的影響，得到同樣的結論。因此，在東勝氣田溫度、壓力范圍內，隨深度增加，氣井腐蝕速率變大。

3.4 腐蝕速率預測

以東勝氣田5口井氣、液測試數(shù)據為樣本，結合氣井管柱結構、生產數(shù)據，利用軟件模擬計算了氣井井底腐蝕速率，結果見表8。

表8 東勝氣田腐蝕速率模擬結果

由結果可知，東勝氣田氣井腐蝕速率較低，井底附近井筒腐蝕速率介于0.001 48～0.003 69 mm/a之間，屬于輕度腐蝕。

4 現(xiàn)場掛片試驗結果及分析

氣井井下掛片[11]是測定井筒腐蝕速率最直接、最準確的方法。結合現(xiàn)場生產情況，選取J11P4H井及錦11井進行現(xiàn)場掛片試驗，為期三個月，相關設計參數(shù)見表9，試驗結果見表10。

由試驗前后掛片外觀可知(見圖7、圖8)，試驗前掛片顏色光亮，有金屬光澤。

表9 現(xiàn)場掛片試驗設計參數(shù)

表10 現(xiàn)場掛片試驗結果

試驗后掛片表面灰暗，均表現(xiàn)為均勻腐蝕，無點蝕情況存在。由表10中錦58井掛片試驗數(shù)據可知，隨著氣井深度增加，即溫度、壓力增加，腐蝕速率不斷增大，與軟件模擬結果一致。J11P4H井、錦58井現(xiàn)場掛片腐蝕速率分別為0.017 911 mm/a、0.001 519 5 mm/a，軟件模擬結果分別為0.001 63 mm/a、0.003 56 mm/a，對比可知OLI軟件模擬結果與實際存在一定偏差，但由于東勝氣田腐蝕速率較小，腐蝕速率模擬結果仍可作為參考。

5 結論與建議

1)軟件模擬結果表明，東勝氣田氣井存在腐蝕可能，腐蝕機理為高溫下鋼材析氫腐蝕及二氧化碳電化學腐蝕，與理論分析結果一致；

2)隨著氣井深度增加，軟件模擬得到的氣井腐蝕速率增大，與現(xiàn)場掛片試驗結果一致；

3)軟件模擬得到的氣井腐蝕速率與現(xiàn)場掛片存在一定偏差，但結果仍可作為參考；

4)建議對現(xiàn)場掛片腐蝕產物進行分析，明確腐蝕機理，進一步驗證模擬軟件的準確性，并根據氣井不同腐蝕機理，優(yōu)選不同類型的緩蝕劑進行氣井腐蝕防護；

5)建議利用現(xiàn)場掛片試驗數(shù)據，對模擬得到的腐蝕速率進行修正，提高軟件定量模擬計算的準確性。