延长油田高含水油井井筒腐蚀影响因素分析及防护措施*

2022-10-19杨荣国庞静孟杰李鑫

能源化工 2022年4期

杨荣国，庞静，孟杰，李鑫

(延长油田股份有限公司七里村采油厂，陕西延长 717199)

随着我国各大油田石油资源的不断勘探与开发，大部分早期开发的油田已经进入中高含水期的开发阶段，油井采出液中含水率的急剧升高会对井筒腐蚀产生较严重影响，随着腐蚀环境的不断恶化，高含水油井井筒腐蚀问题逐渐成为影响油田安全生产开发的难题[1-2]。油井套管、油管、管柱、钻杆、抽油泵以及其他相关井下设备产生的腐蚀穿孔以及断裂失效等问题会造成油井井筒、管柱及设备的腐蚀失效事故，不仅会对油田的正常生产造成不利影响，还会带来一定的安全隐患和大量的经济损失[3-5]。

经过长时间的注水开采后，延长油田某区块大部分的油井已经进入高含水或者特高含水阶段，油井采出液中游离水相的质量分数较高，部分井含水率(w)可以达到90%左右。由于油井采出液的成分较为复杂，腐蚀性能较强，引发的井筒腐蚀问题不断加剧，区块内的大部分油井检修周期大幅缩短，作业频繁，使得生产成本急剧升高，严重影响了该区块的正常生产。因此，为解决延长油田高含水油井井筒腐蚀问题，笔者以该区块内油井井筒钢材和井筒采出液为研究对象，通过大量室内试验，评价了油井采出液含水率、试验时间、试验温度、溶解氧(ρ)以及采出液pH值对井筒钢材腐蚀速率的影响，并根据试验结果，有针对性的优选出了性能较优的缓蚀剂HSR-2，为提高延长油田高含水油井井筒的抗腐蚀性能提供一定的技术支持。

1 试验部分

1.1 主要试验材料及仪器

油井采出液，取自目标油田现场；浓盐酸、氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；高纯氧气(φ=99.999%)，陕西裕隆气体有限公司；脂肪酸类咪唑啉缓蚀剂HSR-1、HSR-2和HSR-3，季铵盐类咪唑啉缓蚀剂HDM-1和HDM-2，5种缓蚀剂的有效质量分数均为85%，自制。

高温陈化釜，青岛海通达专用仪器有限公司；DZF-6050型恒温干燥箱，上海恒科学仪器有限公司；RS232型电子分析天平，苏州顺强机电设备有限公司；PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 腐蚀试验评价方法

参照GB 10124—1988《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，采用挂片失重法进行腐蚀试验，评价不同因素对延长油田高含水油井井筒钢材腐蚀速率的影响。试验用钢片使用目标油田油井井筒钢材加工而成，钢材材质为N80，钢片尺寸为30 mm×15 mm×4 mm，腐蚀介质为延长油田高含水油井采出液。

1.2.2 缓蚀剂性能评价方法

参照SY/T 5273—2014《油田采出水处理用缓蚀剂性能指标及评价方法》，以缓蚀效率为评价指标，对不同类型缓蚀剂的效果进行了评价。

2 结果与讨论

2.1 井筒腐蚀影响因素

2.1.1 含水率的影响

按照1.2.1中的试验方法，腐蚀试验时间为72 h，温度为45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)为5 mg/L，pH值为6，考察了油井采出液含水率对井筒钢材腐蚀速率的影响，试验结果见图1。

由图1可见：随着油井采出液中含水率的逐渐升高，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率逐渐升高，当含水率(w)升高至90%时，腐蚀速率可以达到0.5 mm/a以上。这是由于随着油井采出液中含水率的增大，腐蚀介质逐渐从油包水状态转变为水包油状态，在腐蚀试验过程中金属钢材表面与水相接触的面积逐渐增大，进而导致钢片的腐蚀速率逐渐增大。

2.1.2 试验时间的影响

按照1.2.1中的试验方法，腐蚀试验温度为45 ℃，采出液中含水率(w)为80%，溶解氧(ρ)为5 mg/L，pH值为6，考察了试验时间对井筒钢材腐蚀速率的影响，试验结果见图2。

由图2可见：随着腐蚀试验时间的逐渐延长，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率呈现逐渐降低的趋势，当试验时间为24 h时，腐蚀速率高达0.594 mm/a，而当试验时间延长至168 h时，腐蚀速率则降低至0.315 mm/a。这是由于在腐蚀试验的初期阶段，金属钢材表面尚未形成有效的保护膜，腐蚀介质中去极化物质对腐蚀过程起到了较强的促进作用，使得腐蚀速率较高；而当腐蚀试验时间较长时，两极反应会消耗掉大部分的去极化物质，腐蚀介质中去极化物质的含量逐渐减少，此时会在金属钢材表面形成一层较厚的保护膜，阻止腐蚀反应的继续进行，降低腐蚀速率。

2.1.3 试验温度的影响

按照1.2.1中的试验方法，腐蚀试验时间为72 h，采出液中含水率为80%，溶解氧(ρ)为5 mg/L，采出液pH值为6，考察了试验温度对井筒钢材腐蚀速率的影响，试验结果见图3。

由图3可见：随着腐蚀试验温度的逐渐升高，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率逐渐增大，当试验温度为25 ℃时，腐蚀速率低至0.1 mm/a以下，而当试验温度升高至60 ℃时，腐蚀速率则升高至0.674 mm/a。这是由于金属钢材在腐蚀介质中的腐蚀过程会受到离子扩散速率的影响，当温度升高时，腐蚀介质中的离子扩散速率显著增大，进而增大了钢材的腐蚀速率。

2.1.4 溶解氧质量浓度的影响

按照1.2.1中的试验方法，腐蚀试验时间为72 h，试验温度为45 ℃，采出液中含水率(w)为80%，pH值为6，通过在采出液中通入高纯氧气来调节其溶解氧(ρ)，考察了采出液中溶解氧(ρ)对井筒钢材腐蚀速率的影响，试验结果见图4。

由图4可见：随着油井采出液中溶解氧(ρ)的逐渐升高，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率逐渐升高，当采出液中不含溶解氧时，腐蚀速率仅为0.106 mm/a，而当采出液中溶解氧(ρ)升高至15 mg/L时，腐蚀速率则增大至0.972 mm/a。这是由于金属钢材在腐蚀介质中的腐蚀过程同样会受到介质中溶解氧扩散速率的影响，当腐蚀介质中溶解氧(ρ)较高时，其扩散速率就越快，此时溶液中的溶解氧极易与金属钢材表面产生严重的电化学腐蚀现象，造成腐蚀速率增大。

2.1.5 pH值的影响

按照1.2.1中的试验方法，腐蚀试验时间为72 h，试验温度为45 ℃，采出液中含水率(w)为80%，溶解氧(ρ)为5 mg/L。通过在采出液中加入浓盐酸或氢氧化钠溶液来调节其pH值，考察了采出液pH值对井筒钢材腐蚀速率的影响，试验结果见图5。

由图5可见：随着采出液pH值的逐渐升高，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率呈现出逐渐降低的趋势，采出液pH值由3增至10时，腐蚀速率则由0.841 mm/a降至0.157 mm/a，降低幅度明显。这是由于在酸性腐蚀介质中，H+的含量较多，其还原能力较强，导致腐蚀速率较大；而在碱性腐蚀介质中，无机盐离子会产生一定的沉积，使腐蚀介质的腐蚀能力发生变化，另外，pH值越高，H+的含量则越低，进而降低了腐蚀速率。

2.2 腐蚀防护措施研究

综合上述试验结果，并结合延长油田高含水油井现场实际情况，拟采取添加缓蚀剂的方式来降低井筒的腐蚀速率，进而延长井筒的使用寿命。根据前期相关研究成果，咪唑啉类缓蚀剂能够在高含水油井井筒采出液中发挥较好的缓蚀性能，因此，对几种不同类型的咪唑啉类缓蚀剂进行了优选评价，主要包括脂肪酸类咪唑啉缓蚀剂HSR-1、HSR-2和HSR-3，以及季铵盐类咪唑啉缓蚀剂HDM-1和HDM-2。

2.2.1 缓蚀剂类型优选

按照1.2.2中的试验方法，试验介质为含水率(w)80%的采出液，腐蚀试验时间为72 h，试验温度为45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)为5 mg/L，pH值为6，缓蚀剂的加量(ρ)均为500 mg/L，考察了几种不同类型缓蚀剂对延长油田高含水油井井筒钢材缓蚀效率的影响，试验结果见图6。

由图6可见：不同类型的缓蚀剂对延长油田高含水油井井筒钢材的缓蚀效率不同，其中缓蚀剂HSR-2的缓蚀效率最高，当其加量(ρ)为500 mg/L时，对延长油田高含水油井井筒钢材的缓蚀效率可以达到85%以上，缓蚀效率明显高于其他类型的缓蚀剂。因此，选择缓蚀剂HSR-2继续进行缓蚀剂加量优选试验。

2.2.2 缓蚀剂加量优选

按照1.2.2中的试验方法，试验介质为含水率(w)80%的采出液，腐蚀试验时间为72 h，试验温度为45 ℃，采出液中溶解氧(ρ)为5 mg/L，pH值为6，考察了缓蚀剂HSR-2不同加量条件下对延长油田高含水油井井筒钢材缓蚀效率的影响，试验结果见图7。

由图7可见：随着缓蚀剂HSR-2加量的不断增大，缓蚀效率逐渐升高，当缓蚀剂HSR-2的加量(ρ)增大至800 mg/L时，其对延长油田高含水油井井筒钢材的缓蚀效率可以达到95%以上，再继续增大缓蚀剂的加量，缓蚀效率基本不再升高。因此，综合考虑缓蚀效果和经济成本等因素，推荐缓蚀剂HSR-2的最优加量(ρ)为800 mg/L，在该缓蚀剂加量条件下，延长油田高含水油井井筒钢材的腐蚀速率较低，能够有效延长其使用寿命，提高延长油田高含水油井的整体开发效率。