基于灰色关联分析的大牛地下古生界含硫气井腐蚀因素研究

罗 曦

(中石化华北油气分公司石油 工程技术研究院,郑州 450006)

0 引言

受地质沉积和成藏模式的影响,大牛地下古气藏[1]虽整体含硫低微但单井含硫浓度差异大,且气组分中同时含有CO2,导致管材的腐蚀主控因素不明。截止到2020年6月大牛地下古生界气藏101口投产气井中检测出58口含有不同浓度的H2S。通过腐蚀流体监测,常规产出液参数如总矿化度及Cl-含量相比上古生界气藏均偏高且p H 值较低,同时产出气CO2浓度较高。这“一硫三高一低”的特性决定该气藏的流体介质具有很强的腐蚀性,对井筒管柱的安全造成严重影响。如何明确大牛地下古生界含硫气井的主要腐蚀因素成为控制腐蚀需要解决的首要问题。国外内学者大量开展CO2对气井油管腐蚀的相关研究[2-6],文献调研发现,PRABAKARAN M P[6]等人用灰色关联方法研究奥氏体不锈钢(AISI316)和低碳钢在经过激光处理后的耐腐蚀性能,李忠涛[7]等用灰色关联的方法研究海上油井腐蚀影响因素,赵景茂[8]等人用灰色关联的方法研究气井腐蚀的影响因素,但研究的都是仅在CO2腐蚀下的规律,对CO2/H2S共存的酸性环境下油管腐蚀规律的研究较少,而用灰色关联分析开展的相关研究更是少之又少。

该文依据现场监测挂片的实际腐蚀数据,采用灰色关联分析法对CO2/H2S共存复杂酸性环境下的井筒管材(N80,P110)开展腐蚀影响因素定量分析研究,结合SEM,EDS,XRD 等方法对腐蚀产物进行分析验证,为灰色关联分析法在含硫气井管材腐蚀研究中的广泛应用打下良好基础。

1 灰色关联理论方法

灰色关联分析[9-13]是定量分析系统中不同因子之间关联程度的方法,在明确系统中某一行为特征为母因素,其他行为为子因素的基础上,通过采用均值化法分别对子因素和母因素数据作无量纲化处理求出关联系数[14-16](见式(1),式(2)和式(3)),用关联系数的算术平均值作为关联度(式(4))。关联度构成的序列描述了各影响因素对结果的影响情况。关联度的计算值为0～1,数值越大,影响越大[17-18]。

无量纲化处理公式为:

式中:fi为子因素曲线Yi对母因素曲线Y0的关联度。

2 腐蚀因素的灰色关联分析

大牛地下古生界气藏含硫浓度为0～1×10-3,考虑到H2S安全临界浓度为20×10-6、危险浓度为1×10-4,结合选取具体井况,选取S1～S4代表不同含硫区间的气井开展腐蚀挂片监测现场试验。根据现场获取的数据,以腐蚀速率为井筒腐蚀的行为特征,选择温度、Cl-含量、总压、CO2分压、H2S分压、CO2/H2S分压比共6个因素为影响井筒腐蚀行为特征的有效因素,对其腐蚀影响因素进行灰色关联分析。由现场挂片试验数据,整理出N80,P110管材的腐蚀数据见表1。

表1 4口含硫气井腐蚀挂片数据Table 1 Four sulfur-containing gas well corrosion coupon data

由于每个因素的量纲不一样,在进行灰色关联分析前需对母因素序列和子因素序列数据无量纲化处理。根据式(1)和式(2),得到N80,P110管材的均值化变换结果,见表2和表3。

表2 N80管材均值化变换结果Table 2 N80 pipe average transfor mation results

表3 P110管材均值化变换结果Table 3 P110 pipe average transfor mation results

在序列无量纲化基础上,由式(3)求出各比较序列的差序列和关联系数,最后由式(4)对关联系数求平均值得到每个腐蚀因素的关联度,结果见表4和表5。

表4 N80管材关联度计算结果Table 4 Descending order of grey correlation degree of N80 pipe corrosion factors

管材的关联分析结果表明:1)影响N80管材腐蚀的主要因素依次为CO2分压、CO2/H2S分压比、总压、氯根含量,因为以上因素的关联度大于0.6;而H2S分压、温度对腐蚀速率的关联度小于0.6,其对井筒的腐蚀较小。从以上的分析也可看出,在大牛地奥陶系风化壳气藏酸性环境下,对于N80管材来说,主要会发生CO2腐蚀和CO2/H2S共同作用下的腐蚀;2)影响P110管材腐蚀的主要因素依次为CO2分压、氯根含量、温度,因为以上因素的关联度大于0.6;而CO2/H2S分压比、总压、H2S分压对腐蚀速率的关联度小于0.6,其对井筒的腐蚀较小。

3 腐蚀产物分析验证

借助电子扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等方法对含硫气井挂片腐蚀产物进行分析,从侧面验证灰色关联分析方法的可行性[19-20]。

以S2井为例进行腐蚀产物膜分析,对于N80挂片如图1所示。SEM 形貌观察发现该挂片表面覆盖着层层堆叠的疏松的腐蚀产物,层与层间距较大,并存在不规则蘑菇状腐蚀产物,而且腐蚀产物已经明显脱落成不规则片状;腐蚀产物膜的EDS图谱分析结果显示,N80挂片腐蚀产物膜中C,O,S和Fe等元素含量较高,腐蚀产物膜的XRD图谱分析表明N80挂片的腐蚀产物主要由FeCO3和FeS两种物质组成,这与EDS结果中C,O,S和Fe等元素含量较高相吻合。

图1 N80管材SEM,EDS,XRD腐蚀产物分析Fig.1 Analysis of SEM,EDSand XRDcorrosion products of N80 pipes

P110的挂片如图2所示。SEM 形貌观察该挂片表面被一层较薄但结构致密、强度高的腐蚀产物膜所覆盖,腐蚀产物之间无缝隙存在,说明存在轻度局部腐蚀。腐蚀产物膜的EDS图谱分析结果显示,P110挂片腐蚀产物膜的主要元素是C,O,Fe,腐蚀产物膜的XRD 图谱分析表明P110挂片的腐蚀产物主要是FeCO3,这与EDS结果中C,O,Fe等元素含量较高相吻合。

图2 P110管材SEM,EDS,XRD腐蚀产物分析Fig.2 Analysis of SEM,EDSand XRDcorrosion products of P110 pipes

4口井S1,S2,S3和S4的腐蚀产物分析结果见表6。可以看出,在大牛地下古生界腐蚀环境下,N80管材挂片的腐蚀产物都含有FeCO3,其中3口含硫气井中形成的腐蚀产物都显疏松且含有FeS;P110管材挂片的腐蚀产物也都含有FeCO3,但只有1口含硫气井中形成的腐蚀产物显疏松且含有FeS。说明大牛地下古生界环境下的电化学腐蚀是以CO2腐蚀为主,P110管材主要会发生CO2腐蚀,而N80管材还会发生CO2/H2S腐蚀。这与灰度关联分析中得出的N80管材腐蚀因素排序为CO2分压＞CO2/H2S分压比＞总压＞氯根含量,P110管材腐蚀因素排序为CO2分压＞氯根含量＞温度的结论相吻合。间接说明在大牛地下古生界环境下P110管材抗H2S腐蚀能力大于N80管材。

表6 4口含硫气井腐蚀产物分析表Table 6 Analysis of corrosion product of four sulfur-containing gas wells

4 结论

1)灰色系统理论用于含硫气井腐蚀因素分析,通过将各种腐蚀因素对腐蚀速率的影响程度进行量化,明确主要腐蚀因素:在大牛地下古生界腐蚀环境下,对于N80管材,其主要腐蚀因素排序为CO2分压(0.7738)＞CO2/H2S分压比(关系系数0.614 9)＞总压(关系系数0.613 3)＞氯根含量(关系系数0.603 3);对于P110管材,其主要腐蚀因素排序为CO2分压(关系系数0.690 5)＞氯根含量(关系系数0.665 8)＞温度(关系系数0.614 7)。

2)从灰色关联分析的量化结果来看,CO2分压对N80,P110管材的腐蚀关联度最高分别为0.773 8,0.690 5,说明CO2对于N80,P110管材的电化学腐蚀起主导作用,与4口含硫气井的腐蚀挂片实测数据吻合。

3)从腐蚀挂片产物分析来看,大牛地下古生界环境下P110管材主要会发生CO2腐蚀,而N80管材还会发生CO2/H2S腐蚀。这与灰度关联分析中得出的N80管材腐蚀因素排序为CO2分压＞CO2/H2S分压比＞总压＞氯根含量,P110管材腐蚀因素排序为CO2分压＞氯根含量＞温度的结论相吻合。表明灰色系统理论分析结果与室内腐蚀产物分析验证的情况一致,该方法有效可靠。