注氮气井井下设备腐蚀原因分析及相应对策

2017-10-14,,,,

腐蚀与防护 2017年10期

关键词：金属表面缓蚀剂结垢

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(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，乌鲁木齐 830011)

注氮气井井下设备腐蚀原因分析及相应对策

许艳艳,侯帆,丁保东,肖雯雯,刘冬梅

(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，乌鲁木齐830011)

塔河油田采用注氮工艺后井下设备发生了严重腐蚀。为确定造成腐蚀的主要原因，采用扫描电镜、X射线衍射仪和能谱仪等对井下腐蚀产物进行分析。结果表明：腐蚀产物中的元素以Fe和O为主，主要成分为Fe3O4，注氮工艺过程中夹带的氧气是造成腐蚀的主要因素；根据氧的腐蚀机理，提出了针对氧腐蚀的对策，如改变制氮方式控制氧含量，选择合适材料，对井下金属设备采用涂层、缓蚀剂、阳极保护等防腐蚀方法。

注氮气；腐蚀；氧；防护

Abstract： The down-hole device was corroded seriously after application of nitrogen injection technology in Tahe oil field. In order to determine the corrosion reasons, the down-hole corrosion products were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show that the main elements of corrosion product were Fe and O, and the main composition was Fe3O4. Oxygen carried in nitrogen injection process was the main corrosion reason of the device. According to the corrosion mechanism of oxygen some countermeasures to control oxygen corrosion were proposed, such as changing the nitrogen production method to control the content oxygen, choosing proper materials, and corrosion protection of coating, inhibitor and anodic protection.

Keywords： nitrogen injection; corrosion; oxygen; protection

注氮工艺是提高采收率的主要方法之一。从2013年6月开始，塔河油田大规模采用了注氮工艺来提高产量，此工艺的实施使塔河油田的石油采收率获得了不断的提升。但在此工艺实施及后续生产过程中，井下油管、柱塞和抽油杆等设备出现不同程度的腐蚀结垢现象，这不仅影响油田正常生产，也增加了生产成本，腐蚀已成为该技术在现场应用中急需解决的问题。

1 塔河油田注氮气工艺概况

塔河油田注氮工艺主要应用膜制氮设备，注气压力23 MPa，井口温度30 ℃，氮气纯度约为95%，氧含量约为5%(质量分数)。图1为塔河油田制氮、注氮工艺流程图。

由于单独注氮气时压力过高，因此在高压汇管处以三通接入盐水，进行气水混注，以保证注入压力在安全范围之内。平均单井注气量为50×104m3，气水体积比为 300∶1～600∶1，注入的盐水具有高矿化度、高Cl-含量、低pH等显著特点，且具有较强的腐蚀性。注入盐水的离子分析数据见表1，pH为6.0。

表1 注入盐水的离子含量Tab. 1 Ion concentrations in injected brine mg/L

2 腐蚀原因分析

在分析井下设备腐蚀结垢产物的基础上，结合注氮工艺现场工况条件，对腐蚀原因进行综合分析。

2.1 腐蚀产物分析

2.1.1 宏观形貌观察

实施氮气和盐水混注工艺的某单井，油管和抽油杆表面发生了较严重的腐蚀结垢现象，如图2所示。产物以黑色、红褐色为主，且油管内壁被黑色腐蚀结垢堵塞。

图2 注氮气井发生腐蚀结垢的油管Fig. 2 The corroded tubing in nitrogen injection well

取油管内壁腐蚀产物进行分析，结果表明，此腐蚀产物主要为黑色无定形的碎块状物，表面被原油覆盖，洗油后为灰黑色碎块和粉末状物，形貌如图3所示。

图3 某井腐蚀结垢产物洗油前后形貌Fig. 3 Morphology of corrosion product before and after washing off oil

2.1.2 微观形貌观察

采用扫描电镜观察洗油后腐蚀产物的微观形貌。结果表明，洗油后腐蚀产物不同部位的结构稍有不同，有的呈不规则的碎块状，有的呈层叠状，如图4所示。

(a) 碎块状结构

(b) 层叠状结构图4 洗油后腐蚀产物SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of corrosion product after washing off oil: (a) fragmental structure; (b) laminated structure

2.1.3 能谱分析

由表2所示EDS能谱分析结果可见：腐蚀产物以O、Fe、C为主，并含少量Cl、Ca、Mn、Si、Na等元素，腐蚀产物中氧元素含量较高，说明在高温高压的条件下，溶解氧是造成腐蚀的主要因素。

表2 油洗后腐蚀产物EDS能谱分析结果Tab. 2 EDS analysis results of corrosion product after washing off oil

2.1.4 X射线衍射分析

对洗油后腐蚀产物进行XRD分析，并计算各相含量，结果如表3所示。从表3可见，腐蚀产物中含有Fe3O4，石盐(NaCl),石英(SiO2)及少量方解石(CaCO3)。其中，Fe3O4的质量分数占61%，腐蚀产物主要以铁的氧化物形式存在说明腐蚀是在低氧环境中发生的[1]。

表3 腐蚀产物XRD分析结果(质量分数)Tab. 3 XRD analysis results of corrosion product (mass) %

2.2 氧腐蚀影响研究

由于注入的氮气中氧含量较高(质量分数约5%)，在与高矿化度盐水共存的环境中，氧进入水溶液并迁移到金属表面发生还原反应。这一过程包括以下四个步骤(如图5所示)：氧穿过气/液界面进入水溶液；在水溶液对流作用下，氧迁移到金属(阴极)表面附近；在扩散层范围内，氧在浓度梯度作用下扩散到金属表面；在金属表面氧分子发生还原反应(即氧的离子化反应)。