注水井套管腐蚀的致因分析及防控措施研究*

2021-10-25贾烁宇孙雅楠贾星兰

工业安全与环保 2021年10期

贾烁宇孙雅楠贾星兰

(中国石油大学机电工程学院山东青岛 266580)

0 引言

自1972年发现第一口套管损坏井以来，胜利油田套管损坏井的数量呈逐年递增的态势。目前，胜利油田共发现套管损坏井5 427口，占总井数的20%。大量套管损坏井的存在，在很大程度上制约了油田综合经济效益的提高和生产的发展。一方面，部分套管损坏井带病生产，不能满足油、气、水生产的特殊工艺措施需求；另一方面，损坏井不能及时修复，会造成层间水串、泥岩层吸水变形，进一步加剧套管损坏程度，继而形成恶性循环[1]。因此油田套管损坏井的原因分析与综合治理对于保障油田的安全生产非常重要。注水井套管由于高压注水、地层温度高、自身残余应力等原因，同时由于井内较复杂的环境，极易产生各种形式的腐蚀。所以大部分注水井套管的破裂、穿漏都与腐蚀有关。本文通过建立注水井套管腐蚀损坏的事故树图，分析得到影响套管腐蚀损伤的主要因素，为预防注水井套管腐蚀损坏提供理论依据和技术支持。

1 结构重要度计算模型

假设各基本事件的发生概率相等，仅仅从事故树的结构关系上研究各基本事件对顶事件的影响程度，称之为结构重要度分析。

1.1 基本事件的结构重要度系数

当事故树中某个基本事件的状态由不发生变为发生，除基本事件以外的其余基本事件的状态保持不变时，顶事件也由不发生变为发生的情况，则称为“危险割集”。若改变除基本事件Xi以外的所有基本事件的状态，并取不同的组合时，基本事件Xi的危险割集的总数为

(1)

式中,n为事故树中基本事件的个数，2n-1为基本事件Xi(i≠j)状态组合数；p为基本事件的状态组合序号，Xjp为2n-1状态组合中第p个状态；0i、1i为基本事件的状态值；Φ表示顶事件的状态取值。

结构重要度系数定义为

(2)

1.2 基本事件的割集重要度系数

用事故树的最小割集可以表示其等效事故树。每个最小割集对顶事件的影响是一样的，每个基本事件对割集的影响也相同。设某一事故树有k个最小割集，每个最小割集记作Er(r=1,2,…,k)，则1/k表示单位最小割集的重要系数；第r个最小割集Er中含有mr(Xi∈Er)个基本事件，则1/mr(Xi∈Er)表示基本事件Xi的单位割集重要系数。设基本事件Xi的割集重要系数为Ik(i)，则

(3)

利用式(2)、式(3)求出结构重要度的数值，可以从结构上来判定基本事件对顶事件的影响大小，这为预防事故的发生提供了有效途径。

2 套管腐蚀损坏的事故树分析

2.1 事故树的编制

根据胜利油田现场调研数据和相关文献[2-3]，可建立注水井套管腐蚀损伤的事故树图，如图1—图3所示，事故树中各个事件的实际意义见表1。

表1 图1—图3中各符号的实际意义

图1 注水井套管腐蚀损坏的主事故树

图2 CO2腐蚀子事故树

图3 H2S腐蚀子事故树

2.2 事故树的最小割集

利用布尔代数法，可以得到注水井套管腐蚀损坏事故树的9个最小割集，具体如下：

E1={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X10},E2={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X11},E3={X1,X2,X5,X6,X18},E4={X1,X27},E5={X1,X28},E6={X1,X26},E7={X2,X4,X5,X7,X8,X9},E8={X6,X12,X16,X17,X18}，E9={X15,X16,X8}

这说明，引起注水井套管腐蚀的原因组合数有9个，只要任何一个集合发生，顶事件就一定会发生。

2.3 事故树的结构重要度计算

利用式(2)、式(3)的计算方法，可计算出各基本事件的结构重要度数值，按从大到小进行排序，结果如下：

I(2)>I(8)>I(5)>I(12)=I(18)=I(19)=I(20)>I(4)=I(6)>I(1)>I(10)=I(11)>I(7)=I(9)>I(21)=I(22)=I(23)=I(26)=I(27)=I(28)>I(13)=I(14)>I(24)=I(25)>I(15)=I(16)=I(17)>I(3)

3 注水井套管腐蚀治理改进措施研究

根据注水井套管腐蚀事故树理论分析结果，结合在胜利油田胜利采油厂、东辛采油厂现场调研获取的注水井套管损坏实际资料，可以看出，在众多底事件中，对注水井套管腐蚀影响较大的因素有：温度高、O2浓度大、流速小、温度适宜细菌繁殖、pH值偏小等。因此，针对不同的影响因素，建议采取如下控制措施：

(1) 温度高：失重腐蚀的化学反应速度随温度的升高而加快，随温度的降低而变慢。因此，在潮湿、溶液的pH值异常、高温等环境使用的金属套管，尽可能采用特殊防腐处理，如经过高温处理、抗酸碱腐蚀、减少机械伤痕等，还可以降低井内温度。降低井内温度的措施有：①提高注水速度，注水速度越高，井内温度越低。另外注水速度高，则水流速度快，有利于减弱CO2腐蚀和细菌腐蚀；②降低注入水的温度；③在同一注水时间的条件下，选择一个较合理的关井时间。

(2) O2浓度大：O2也是CO2腐蚀、溶解氧腐蚀、铁细菌腐蚀等多种腐蚀发生的必要条件。所以注入水中一定要控制O2浓度。主要措施有：①化学除氧，方法主要有钢屑除O2、亚硫酸钠除O2和联氨除O2；②注入水中加入除氧剂，可以采用亚硫酸钠作为除氧剂。

(3) 流速小：注水流速太小，套管腐蚀时间延长，加剧了注水井套管的腐蚀速率，因此注水速度应保持在合理范围。

(4) 温度适宜细菌繁殖：细菌一般在24℃左右活性较大，腐蚀能力强，所以注入水温度要避开此温度。另外注入水在注入前应该经过杀菌处理，从而减少细菌的数量。

(5) pH值偏低：注入水呈酸性是造成井内环境pH值偏低的主要原因，所以注入水在注入前必须经过中和处理。