CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)采出井中抽油桿的腐蝕規(guī)律及腐蝕預(yù)測

田 剛,易勇剛,韓 雪,蔡樂樂,于會永,曾德智

(1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，克拉瑪依 834000；2.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

高溫復(fù)合蒸汽驅(qū)過程中伴注CO2，能夠充分發(fā)揮CO2溶解降黏的機理，從而改善稠油油藏的開采效果[1-2]。目前，注CO2驅(qū)油項目呈逐年增加的趨勢，CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)技術(shù)可適用的油藏參數(shù)范圍較寬，能大幅度提高油井的生產(chǎn)能力[3]。但是，該技術(shù)還存在著許多有待解決的問題，如：采出液中含有的CO2和氯離子會導(dǎo)致采出井管柱發(fā)生腐蝕。因此，較多文獻報道了管柱在高溫高壓下的腐蝕行為，但在腐蝕預(yù)測評估方面還不夠完善，在預(yù)測采出井抽油桿腐蝕速率時，應(yīng)盡可能保證預(yù)測的準(zhǔn)確性。

國際上流行的預(yù)測腐蝕模型有BP公司的Cassandra模型、挪威的NORSOK模型和殼牌實驗室的De Waard模型等[4]。BP公司的Cassandra模型僅考慮了溫度和壓力兩個腐蝕因素，該模型預(yù)測基于大量的試驗測試數(shù)據(jù)，具有試驗周期長、費用成本高等缺點[5]。NORSOK和De Waard模型考慮了溫度、CO2逸度和pH，但模型中CO2逸度和pH在現(xiàn)場不易測得[6]?？梢?，現(xiàn)有模型的應(yīng)用范圍具有一定的局限性，未考慮到溫度，CO2分壓，氯離子濃度等腐蝕因素帶來的影響。

為了解決上述問題，本工作通過研究溫度、CO2分壓、氯離子含量對CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)采出井D級抽油桿腐蝕規(guī)律的影響，找到了影響其腐蝕的主控因素，并且為采出井的腐蝕控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)測圖版，準(zhǔn)確預(yù)測了管柱剩余壽命。

1 試驗

選用CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)用D級抽油桿為試驗對象，其材料為20CrMoA鋼，化學(xué)成分見表1。將試驗材料加工成掛片試樣，尺寸為30 mm×15 mm×3 mm。先將掛片用濾紙擦凈，然后先后放入石油醚與無水乙醇中進行脫油和脫水，取出試片放在濾紙上，用冷風(fēng)吹干，再用濾紙將其包好，貯于干燥器中備用。

表1 D級抽油桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

參照JB/T 6073-1992《金屬覆蓋層 實驗室全浸腐蝕試驗》標(biāo)準(zhǔn)，在高溫高壓釜中模擬采油井的腐蝕工況，對掛片進行腐蝕試驗。試驗前向釜內(nèi)通入氮氣30 min進行驅(qū)氧，使水中氧含量符合要求，再通入CO2氣體(CO2分壓分別為0.1、0.2、0.3 MPa)，并繼續(xù)通入氮氣使試驗總壓保持不變。試驗溶液為模擬采出水的NaCl水溶液，其氯離子質(zhì)量濃度分別為1、2、3 g/L；試驗溫度分別為60、75、90、10、120 ℃。

試驗結(jié)束后，用石油醚與無水乙醇對掛片進行進一步去污、脫脂和脫水，用酸洗液清除表面腐蝕產(chǎn)物，再用自來水沖洗并立即將試片浸入60 g/L NaOH溶液中，30 s后再用自來水沖洗，放入無水乙醇中清洗脫水，冷風(fēng)吹干后稱量。用失重法按式(1)計算腐蝕速率，結(jié)果取3個掛片的平均值。采用掃描電鏡觀察掛片腐蝕后的微觀形貌。

(1)

式中：vcorr為腐蝕速率，mm/a；Δm為腐蝕試驗前后掛片的質(zhì)量差，g；ρ為掛片密度，g/cm3；A為掛片表面積，cm2；Δt為腐蝕時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對腐蝕的影響

由圖1可見：當(dāng)CO2分壓為0.1 MPa，氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L時，隨著溫度的升高，掛片的腐蝕速率增大先后減小，溫度為90 ℃時腐蝕速率最大，達0.939 1 mm/a；60 ℃時，腐蝕速率最小，為0.222 7 mm/a。在高溫高壓CO2腐蝕環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)物膜很容易形成，這層腐蝕產(chǎn)物膜一旦形成就能顯著改變材料的平均腐蝕速率。膜的完整性、致密性以及膜與基體金屬間的結(jié)合力等因素決定了腐蝕產(chǎn)物膜對基體保護作用的好壞[7]。

圖1 溫度對掛片試樣腐蝕速率的影響

采用掃描電鏡觀察不同溫度腐蝕后掛片的微觀形貌，結(jié)果如圖2所示。在60 ℃下腐蝕后，掛片表面有立方體顆粒附著，腐蝕產(chǎn)物很少，腐蝕不嚴重。隨著溫度的升高，掛片表面的腐蝕產(chǎn)物增多。這是由于Fe2+的溶解速率隨溫度升高而加大，但此溫度下形成的腐蝕產(chǎn)物膜較疏松，不能有效阻礙腐蝕的發(fā)生，因此腐蝕速率會增大[8]。當(dāng)CO2分壓一定時，溶液中的Fe2+含量由腐蝕速率和FeCO3溶解度的高低程度決定。腐蝕速率和FeCO3溶解度越大，溶液中Fe2+含量越大。溫度和成膜緩蝕作用這兩種因素會同時影響腐蝕速率，溫度越高腐蝕速率越大，而成膜越厚和致密性越好則腐蝕速率越小，這兩個因素相互博弈的結(jié)果將會決定總腐蝕速率[9]。在90 ℃下腐蝕后，掛片表面的立方體顆粒粒徑明顯增大、堆積完全。在120 ℃下腐蝕后，掛片表面有少量的鼓包。當(dāng)溫度超過90 ℃后，溫度升高，腐蝕速率反而減小，這說明起到主要作用的是成膜緩蝕作用。隨著溫度的升高，F(xiàn)eCO3的溶解度減小，但減小的幅度可能要大于腐蝕速率減小的幅度，這樣FeCO3晶體的溶解與沉積并沒有達到動態(tài)平衡，而是沉積速率大于溶解速率[10]。

(a) 60 ℃ (b) 75 ℃ (c) 90 ℃

2.2 CO2分壓對腐蝕的影響

由圖3可見：當(dāng)溫度為90 ℃，氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L時，隨著CO2分壓的增大，掛片的腐蝕速率逐漸升高；CO2分壓為0.3 MPa時，腐蝕速率最大，為1.118 1 mm/a，CO2分壓為0.1 MPa時，腐蝕速率最小，為0.939 1 mm/a，均遠大于極嚴重腐蝕指標(biāo)(0.25 mm/a)。在較低壓力范圍內(nèi)，試驗溶液中CO2溶解度與其壓力成正比，隨著其分壓增大，有更多的CO2溶解于油田采出水中，溶液中的H2CO3含量也將隨之增加，這將促進陰極氫的去極化作用，導(dǎo)致腐蝕速率增大[11]。繼續(xù)增大CO2分壓將會增強腐蝕產(chǎn)物膜的保護性，在一定程度上抵消了CO2分壓對腐蝕的貢獻，腐蝕速率的變化幅度也隨之發(fā)生變化[12]。

圖3 CO2分壓對掛片腐蝕速率的影響

不同CO2分壓下掛片的腐蝕形貌如圖4所示。隨著CO2分壓的升高，掛片表面立方體顆粒粒徑逐漸增大，對基體形成連續(xù)覆蓋。隨著CO2分壓的升高，溶液中的CO2溶解度也隨之變大，溶液中的CO2系列離子含量升高，腐蝕反應(yīng)加快，這使得Fe2+增大，F(xiàn)eCO3溶度積變大，促進腐蝕產(chǎn)物膜更快地沉積，形成厚而致密的腐蝕產(chǎn)物膜，從而抑制腐蝕反應(yīng)的進行[13]。另一方面，CO2分壓升高將導(dǎo)致溶液pH降低，CO2溶于水后會形成碳酸，碳酸會顯著增加材料的腐蝕速率，不利于形成穩(wěn)定、致密的腐蝕產(chǎn)物膜[14-15]。

(a) 0.1 MPa (b) 0.2 MPa (c) 0.3 MPa

2.3 氯離子含量對腐蝕的影響

由圖5中可以看見：當(dāng)溫度為90 ℃，CO2分壓為0.1 MPa時，隨著氯離子含量的升高，掛片的腐蝕速率逐漸增加，氯離子質(zhì)量濃度為3 g/L時，腐蝕速率最大，為1.042 mm/a。這是因為氯離子可以穿透腐蝕產(chǎn)物膜富集在基體表面，對碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜有破壞作用，氯離子半徑較小，穿透性強。此外，當(dāng)氯離子含量較高時，氯離子可優(yōu)先吸附在金屬基體表面，大量氯離子聚集在金屬基體和腐蝕產(chǎn)物膜之間，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜在基體表面的結(jié)合力降低，易從金屬基體表面脫落，促進腐蝕[15]。

圖5 氯離子含量對掛片腐蝕速率的影響

由圖6可見：當(dāng)氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L時，掛片表面的腐蝕產(chǎn)物無明顯堆積現(xiàn)象；當(dāng)氯離子質(zhì)量濃度為2 g/L時，掛片表面被立方體顆粒狀腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋；當(dāng)氯離子質(zhì)量濃度為3 g/L時，表面的立方體顆粒明顯增大。FeCO3在含Cr鋼中的臨界飽和度遠大于其在普通碳鋼中的[16]。氯離子含量升高，Cl-穿透鈍化膜，導(dǎo)致陰極吸氧反應(yīng)速率加快，陽極電流密度增大，同時表面鈍化膜因溶解而減薄，更容易被擊穿，基體表面出現(xiàn)Cl-的吸附斑，促使點蝕的發(fā)生，并加速點蝕的進行[17-18]。因此，當(dāng)氯離子含量較高時，應(yīng)注意控制氯離子引起的點蝕問題。

(a) 1 g/L Cl- (b) 2 g/L Cl- (c) 3 g/L Cl-

2.4 腐蝕主控因素分析

在CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)環(huán)境中，抽油桿主要受溫度、CO2分壓和氯離子含量的影響。為定量分析溫度、CO2分壓、氯離子含量這三種因素對腐蝕速率的影響程度，引入腐蝕因素影響指數(shù)，見式(2)[19]。

(2)

式中：I為腐蝕因素影響指數(shù)；vi,max為抽油桿在某一工況下的最大腐蝕速率；vt,max為抽油桿在不同溫度下的最大腐蝕速率；vp,max為抽油桿在不同CO2分壓下的最大腐蝕速率；vCl-,max為抽油桿在不同氯離子含量下的最大腐蝕速率。

當(dāng)CO2分壓為0.1 MPa，氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L時，在60～120 ℃的溫度范圍內(nèi)抽油桿的最大腐蝕速率為0.939 mm/a；溫度為90 ℃，氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L時，在0.1～0.3 MPa的CO2分壓范圍內(nèi)抽油桿的最大腐蝕速率為1.118 mm/a；溫度為90 ℃，CO2分壓為0.1 MPa時，在1～3 g/L的氯離子質(zhì)量濃度范圍內(nèi)抽油桿的最大腐蝕速率為1.042 mm/a。利用抽油桿在各影響因素下的最大腐蝕速率，根據(jù)式(2)計算抽油桿的腐蝕因素影響指數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 抽油桿在各影響因素下的腐蝕因素影響指數(shù)

由圖7可見，溫度、CO2分壓和氯離子含量都會影響D級桿的腐蝕，其中，CO2分壓對D級桿腐蝕的影響作用最為顯著。

2.5 腐蝕速率預(yù)測

利用MATLAB軟件對不同溫度、CO2分壓以及氯離子含量下的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到相應(yīng)的關(guān)系式，結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 抽油桿腐蝕速率與溫度的擬合曲線

圖9 抽油桿腐蝕速率與CO2分壓的擬合曲線

由圖8～10可知：不同溫度、CO2分壓和氯離子含量下抽油桿的腐蝕影響規(guī)律與試驗值較好吻合。有研究認為，氯離子含量升高會使CO2在溶液中的溶解度降低，導(dǎo)致溶液的腐蝕性降低，并且隨著氯離子含量的升高，腐蝕速率會出現(xiàn)一個極小值[20]。但在本試驗的研究范圍內(nèi)，未出現(xiàn)這個極值。

圖10 抽油桿腐蝕速率與氯離子含量的擬合曲線

根據(jù)上述擬合曲線和擬合公式，利用MATLAB軟件預(yù)測在兩種腐蝕因素同時影響下抽油桿的腐蝕速率，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 溫度和氯離子含量影響下抽油桿腐蝕速率的預(yù)測圖版

圖12 溫度和CO2分壓影響下抽油桿腐蝕速率的預(yù)測結(jié)果

由圖11和圖12可知：在不同影響因素下抽油桿的腐蝕速率預(yù)測值與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，誤差較小，得到的腐蝕預(yù)測圖版可行性較高，用該圖版可以很好地預(yù)測CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)采出井的腐蝕。

3 結(jié)論

(1)模擬采出井筒工況下，D級抽油桿發(fā)生了極嚴重腐蝕。隨溫度(60～120 ℃)的升高，抽油桿的腐蝕速率先升高后降低，溫度為90 ℃時，達到最大值(0.939 1 mm/a)；隨著CO2分壓(0.1～0.3 MPa)和5氯離子含量(1～3 g/L)的升高，抽油桿的腐蝕速率均逐漸增大。

(2)給出了綜合考慮溫度、CO2分壓、氯離子含量等因素對腐蝕速率影響程度的定量計算公式，明確了CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)采出井工況下抽油桿的腐蝕主控因素為CO2分壓。

(3)基于腐蝕速率結(jié)果，通過MATLAB軟件擬合建立了抽油桿腐蝕速率預(yù)測數(shù)學(xué)模型，繪制了綜合考慮多因素的腐蝕速率預(yù)測圖版，為CO2復(fù)合蒸汽驅(qū)采出井筒的腐蝕預(yù)測提供了技術(shù)支撐。