人工运移井套管防腐蚀研究及寿命预测

蔡锁德,赵国仙,缪 建,刘思佳

(1. 中国石化西南油气分公司，成都 610081； 2. 西安摩尔石油工程实验室股份有限公司,西安 710065)



人工运移井套管防腐蚀研究及寿命预测

蔡锁德1,赵国仙2,缪 建1,刘思佳1

(1. 中国石化西南油气分公司，成都 610081； 2. 西安摩尔石油工程实验室股份有限公司,西安 710065)

通过模拟人工运移井封堵完好和封堵泄漏两种腐蚀工况，评价不同添加量下两种缓蚀剂HYF-01和HSJ-JL-01对N80套管钢的缓蚀效果，并计算了N80套管耐腐蚀寿命，筛选出满足套管15 a封堵年限要求的缓蚀剂及最佳添加量。结果表明：封堵完好情况下，HYF-01和HSJ-JL-01两种缓蚀剂的添加量为0.1%(质量分数，下同)时，缓蚀效果相对较好；封堵泄漏情况下，HYF-01和HSJ-JL-01两种缓蚀剂的添加量为1.0%时，缓蚀效果相对较好。经过计算可知：添加0.5%和1.0%的HYF-01均能满足套管15 a封堵年限要求。

缓蚀剂；套管钢； 均匀腐蚀；寿命预测

为提高产气量，某气田采取自流注气的增产措施，即：利用气藏层之间的压差，将能量较高的天然气通过人工运移井直接注入到能量较低的气藏层(开采层)中，达到补充地层能量的目的,见图1。

自天然气生产井生产时，人工运移井将暂时封堵，封堵年限要求为15 a。不同储层连通后，为了保证地下流体不往上窜，弃井作业非常关键，在油气藏枯竭后，需要重新找回原来的井眼，进行永久性弃井作业。因此，人工运移井暂时封堵时，需确保封堵井筒的完整性。国内外实践经验表明，加注缓蚀剂是经济可靠又十分灵活的腐蚀控制方法，在油气井中应用广泛[1-4]。因此，为确保封堵期间井筒的完整性需对井筒加注缓蚀剂。本工作采用高温、高压腐蚀模拟试验[5-6]，评价不同种类缓蚀剂的缓蚀效果，并结合腐蚀速率与套管受力，预测套管的腐蚀寿命，旨在为套管防腐蚀及现场缓蚀剂的筛选和应用提供技术支撑。

1　试验

1.1试验材料及缓蚀剂

试验材料为N80套管钢，其化学成分(质量分数/%)为：C 0.33，Mn 1.41，Mo 0.002，Cr 0.010，Ni 0.008，Cu 0.007，Si 0.26，P 0.014，S 0.006，满足API SPEC 5CT-2012标准要求，组织为回火索氏体，将试验钢加工成尺寸为50 mm×10 mm×3 mm的试样。

选用的腐蚀介质为某油田现场取回的海水。选用的缓蚀剂为HYF-01和HSJ-JL-01，添加量(体积分数，下同)分别为0.1%，0.5%，1.0%。

1.2试验设备

高温、高压腐蚀试验选用C276磁力驱动高温高压反应釜，用BS124S电子天平(精度0.1 mg)称取试样腐蚀前后的质量，JSM-6390A扫描电镜观察试样微观形貌。

1.3试验方法

试验前，分别用320号至1 200号砂纸逐级打磨试样表面以消除机加工的刀痕，然后试样依次经清洗、除油、冷风吹干后测量尺寸并称量，再将试样相互绝缘,安装在特制的试样架上，放入高压釜内的腐蚀介质中。高压釜先通入高纯氮气2 h除氧，然后，升温到要求值，通入试验要求的气体到设定值。试验结束后，将试样表面用蒸馏水冲洗去除腐蚀介质,无水乙醇脱水后，冷风吹干，用滤纸包起，放入干燥皿中待用。

用清洗液将试样表面的腐蚀产物去除。其中，空白试样的清洗液由盐酸(密度1.19 g/cm3)1 L、三氧化二锑20 g、氯化亚锡50 g[7]组成。添加缓蚀剂后试样的清洗液为盐酸(分析纯)100 mL、六亚甲基四胺(分析纯)5～10 g,加水稀释到1 000 mL[8]。

酸洗后的试样立即在自来水中冲洗，并在饱和碳酸氢钠溶液中浸泡2～3 min进行中和处理，之后用自来水冲洗并用滤纸吸干,再置于无水乙醇或丙酮中浸泡3～5 min脱水。试样脱水后，冷风吹干，用BS124S电子天平(精度0.1 mg)称量并用式(1)计算其腐蚀速率。

(1)

式中：vcorr为均匀腐蚀速率，mm/a；Δm为试样的质量损失，g；ρ为材料密度，g/cm3；t为试验时间，d；S为试样表面积，mm2。

缓蚀率计算公式为:

(2)

式中：η为缓蚀率；v空白为未添加缓蚀剂时材料的均匀腐蚀速率，mm/a；v加样为添加缓蚀剂后材料的均匀腐蚀速率，mm/a。

1.4试验条件

封堵完好时，井筒和环空内无腐蚀性气体；封堵泄漏时，井筒内会涌入腐蚀性气体CO2。具体试验条件如表1所示。

表1　两种试验条件下的参数

2　结果与讨论

由表2可见，封堵完好情况下，与空白试验相比，添加缓蚀剂N80套管钢的均匀腐蚀速率均明显减小，且随着缓蚀剂添加量的增大，均匀腐蚀速率并没有减小，说明当缓蚀剂体积分数为0.1%时已达到饱和状态。根据NACE Standard SP0775-2013[9]标准可以判断：在空白试验条件下，N80套管钢属于严重腐蚀，当添加0.1%的HYF-01和HSJ-JL-01后，均匀腐蚀程度均降低为轻度腐蚀。封堵完好时，两种缓蚀剂的添加量为0.1%时，N80套管钢的均匀腐蚀速率最低。

表2　不同试验条件下N80套管钢的均匀腐蚀速率和缓蚀率

由表2还可见,封堵泄漏情况下，相比空白试验，添加缓蚀剂后，N80套管钢的均匀腐蚀速率均明显减小，且随着添加量的增大，均匀腐蚀速率继续减小。根据NACE Standard SP0775-2013[9]标准可以判断：在空白试验条件下，N80套管钢的均匀腐蚀程度属于极严重腐蚀，添加1.0% HYF-01后，均匀腐蚀程度降低为中度腐蚀。封堵泄漏时，两种缓蚀剂的添加量为1.0%时，N80套管钢的均匀腐蚀速率最低。

由图2可见，封堵完好情况下，相比空白试验，添加缓蚀剂后，试样表面均匀腐蚀程度减轻，可见砂纸打磨的痕迹，但是仍存在点蚀。由图3可见，封堵泄漏情况下，相比空白试验，添加1.0% HYF-01后，试样表面均匀腐蚀明显程度减轻，可见砂纸打磨的痕迹，但有轻微点蚀，而添加1.0% HSJ-JL-01后，试样表面均匀腐蚀程度有所减轻，但仍存在严重的点蚀。

点蚀的诱发位置往往与表面结构的不均匀性有关[10]。由于金属表面腐蚀产物膜不是均匀和完整的，在较薄弱的地方，金属离子表现出较强的空余成键能力，吸附较多的Cl-，取代表面腐蚀产物膜中的阴离子，使腐蚀产物膜破裂甚至局部溶解而显露出金属基体[11]。

由于缓蚀剂的缓蚀机理在于成膜，故迅速在金属表面上形成一层密而实的膜，乃是获得良好缓蚀效果的关键。缓蚀剂含量较低时，随其添加量的增大，缓蚀剂在金属上的吸附率逐渐增大，腐蚀速率减小[12]。在封堵泄漏情况下，随着HYF-01和HSJ-JL-01两种缓蚀剂含量的增大[13-16]，N80套管钢的均匀腐蚀速率减小。

但随缓蚀剂在金属表面覆盖度(θ)的增大，吸附层粒子间的作用力有可能从引力变为斥力，即存在θ转(由引力变为斥力时的覆盖度)。当θ<θ转时，影响缓蚀剂吸附的主要因素是金属表面的不均匀性；当θ>θ转时，影响缓蚀剂吸附的主要因素为吸附分子间的相互作用力。在封堵完好情况下，随着两种缓蚀剂含量的增大，均匀腐蚀速率反而增大。这是因为缓蚀剂含量已达到饱和(覆盖率为1)，此时缓蚀剂分子之间的作用力会影响缓蚀剂分子与电极之间的吸附，因此会出现腐蚀速率增大的现象。

3　腐蚀寿命预测

套管在服役期间会接触各种流体，这些流体会对套管材料造成腐蚀，其结果是使管体有效厚度减薄，套管承载力降低，最后失效[17]。套管服役环境恶劣，腐蚀的影响因素很多，各种因素的共同及交互作用，更容易导致或加剧套管的腐蚀[18-19]。因此在计算套管寿命时不能单纯考虑腐蚀的作用，而应同时考虑受力和腐蚀因素。

根据试验结果，选取腐蚀严重的情况(封堵泄漏)进行腐蚀寿命预测。套管水泥固井后，不考虑轴向拉伸作用，因此，在进行寿命计算时，仅考虑内压和外挤作用。本工作中，在封堵井的套管内外壁均使用同样的缓蚀剂，因此，假设套管内、外壁同时发生均匀腐蚀，则腐蚀寿命预测时，套管壁厚减薄量按试验结果的两倍计算。

腐蚀寿命预测方法[20-23]如下：(1) 计算剩余壁厚(原始壁厚减去2倍的腐蚀速率与套管服役时间的乘积)。(2) 根据剩余壁厚进行套管强度校核，计算得到抗内压安全系数和抗外挤安全系数。若两者均大于标准要求值，则强度满足要求，若其中一个安全系数小于标准要求值，则套管强度不满足要求。(3) 进行强度校核时，当抗内压安全系数或抗外挤安全系数等于标准要求值时，此时的套管的使用时间即为套管的腐蚀寿命。

N80套管钢规格为339.725 mm×12.7 mm，下深至1 500 m。强度校核要求：抗内压安全系数≥1.125，抗外挤安全系数≥1.10[24]。

根据式(3)～式(16)计算抗外挤安全系数。

屈服挤毁强度：

当(Dc/δ)≤(Dc/δ)yp时,

(3)

(4)

A=2.876 2+1.548 85×10-4Yp+

(5)

(6)

(7)

式中：Dc为套管外径；δ为套管壁厚；(Dc/δ)yp为屈服挤毁与塑性挤毁交点的径厚比；p∞为抗挤强度；Yp为屈服强度。

塑性挤毁强度：

当(Dc/δ)yp≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)pt时,

(8)

(9)

(11)

式中：(Dc/δ)pt为塑性挤毁与过渡挤毁交点的径厚比。

过渡挤毁强度：

当(Dc/δ)pt≤(Dc/δ)≤(Dc/δ)te时,

(12)

(13)

式中：(Dc/δ)te为过渡挤毁与弹性挤毁交点的径厚比。

弹性挤毁强度：

当(Dc/δ)≥(Dc/δ)te时，

(14)

套管内和环空中加入的是海水和缓蚀剂，因此对套管有效外压力为:

(15)

(16)

式中：pce为有效外压力；ρ为海水密度；h为计算点的深度；Sc为抗外挤安全系数。

根据式(17)～式(19)计算抗内压安全系数。

抗内压强度：

(17)

(18)

(19)

式中：pbo为抗内压强度；pbe为有效内压力，即封堵井内液体的内压；Si为抗内压安全系数。

图4为计算得到的不同条件下N80套管钢的耐腐蚀寿命。由图4可见，添加0.5%和1.0%的HYF-01能够满足套管15 a的耐腐蚀寿命要求。

4　结论

(1) 封堵完好情况下，添加两种缓蚀剂后，均匀腐蚀速率均较低，增大添加量，均匀腐蚀速率反而增大。说明在该腐蚀环境中， 添加0.1%缓蚀剂时已达到饱和状态。

(2) 封堵泄漏情况下，添加两种缓蚀剂后，均匀腐蚀速率均有所减小，且增大添加量，均匀腐蚀速率继续减小。

(3) 结合均匀腐蚀速率和强度，计算得到添加0.5%和1.0%的HYF-01能够满足套管15 a的耐腐蚀寿命要求。

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Anti-corrosion and Life Prediction of Artificial Migration Well Casing

CAI Suo-de1, ZHAO Guo-xian2, MIU Jian1, LIU Si-jia1

(1. Sinopec Southwest Branch Company, Chengdu 610081， China；2. Xi′an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co., Ltd., Xi′an 710065， China)

By stimulating plugging soundness and plugging leakage, the corrosion inhibition of two kinds of inhibitor, HYF-01 and HSJ-JL-01, in different contents was evaluated, and the anti-corrosion life of N80 casing steel was calculated to choose the inhibitor and its best content to meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years. The results show that the best content was 0.1% (mass fraction ) for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging soundness, and was 1.0% for both HYF-01 and HSJ-JL-01 in plugging leakage. Adding 0.5% and 1.0% HYF-01 could meet the requirement of anti-corrosion life of 15 years.

inhibitor； casing steel； uniform corrosion； life prediction

10.11973/fsyfh-201604015

2015-10-29

蔡锁德(1964-)，高级工程师，本科，从事油气田开发，18583378968，caisd1964@163.com

TG174

A

1005-748X(2016)04-0340-05