塔河油田注气井井筒氧腐蚀机理研究

祁丽莎，陈明贵，王小玮，何梦莹，汪伟英，张公社

1.中国石油新疆油田勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000

2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100

3.中国石油新疆油田工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000

塔河油田注气井井筒氧腐蚀机理研究

祁丽莎1，陈明贵2，王小玮3，何梦莹2，汪伟英2，张公社2

1.中国石油新疆油田勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000

2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100

3.中国石油新疆油田工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000

塔河油田缝洞型油藏采用氮气驱可有效提高剩余油的采出程度，但注入的氮气中含2%～5%的氧气，使得井筒腐蚀严重。采用失重法、EIS极化曲线法和电化学阻抗法研究了塔河油田在注氮气提高采收率条件下的氧腐蚀特点，得到了腐蚀速率、腐蚀阻抗谱和腐蚀动力学曲线。研究表明，腐蚀速率随着温度和压力的增加而增加，腐蚀速率在井深2 500 m处达到了0.446 mm/a；注气柱塞泵下入井深1 818 m时，泵经过117 h工作后已经被腐蚀产物全充满，这与现场的检泵周期基本吻合。据此建议塔河油田注气抽油泵下入深度应不超过2 500 m；注气井筒在焖井过程中应加入除氧剂，并可以考虑用稀油代替水作为顶替液。

氮气驱；氧腐蚀；注气柱塞泵；抽油泵

塔河油田缝洞型油藏单井定容体残丘高部位富集大量剩余油，注氮气能有效提高这部分剩余油的采出程度，应用前景广阔[1]。现场使用的氮气通过膜吸附分离空气得到，其中含有2%～5%的氧，采用气水混注的方式注入。现场应用表明井筒腐蚀严重，油套管发生穿孔断裂，不仅破坏了井筒的完整性，还严重影响管材设备的使用寿命。塔河油田地层水为CaCl2水型，具有高Cl-、高矿化度、低pH值的特征，腐蚀性强，随着溶解氧含量的升高，腐蚀速率呈现指数上升趋势。关于氧腐蚀及腐蚀结垢预测方法的研究目前国内外尚少见文献详细报道，为了降低腐蚀风险，研究塔河地层条件下氧腐蚀特点，为现场防腐提供指导，具有重要意义[2]。

1 氧腐蚀机理

氧在质量浓度非常低的情况下（＜1 mg/L）就能引起金属严重腐蚀[3]。氧的腐蚀机理如下：

阳极反应：

阴极反应：

氧能急剧加速腐蚀，原因有两个：

（1）由于氧气的去极化作用，容易与阴极附近的氢离子结合，消耗掉阴极附近的电子使反应速率加快。

（2）当pH大于4时，亚铁离子易氧化形成氧化物保护膜将金属保护起来，但是注入水中的Cl-发生式（2）反应，导致pH值降低，干扰了保护膜的形成，腐蚀速率大大加快，造成腐蚀穿孔。腐蚀速率将随着氧气浓度的增大而继续加快[4-5]。

2 腐蚀试验方法

2.1 静态失重法

根据JB/T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》、NACE TM-01-71《高压釜腐蚀试验方法》、中国石油行业标准SY/T5273-2014《油田采出水处理用缓蚀剂性能指标及评价方法》进行试验。腐蚀速率的计算公式如下：

式中：Vcorr为腐蚀速率，mm/a；W1、W2为腐蚀前后的钢片质量，g；A为试样的暴露面积，cm2；t为试验时间，h；ρ为试样的密度，g/cm3，P110S钢片的密度取值7.85 g/cm3。

2.2 电化学测试法[6]

电化学测试采用CS350电化学工作站，采用传统的三电极体系。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，工作电极为P110S挂片加工而成。将电化学测试用四口烧瓶放入恒温磁力搅拌器上，装上三电极测试系统和通氧系统，调节磁力搅拌器转速为40 r/min[7]。极化曲线的生成使用电化学工作站自带的Corrtest软件，选择动电位扫描法功能，扫描幅度为-150～+150 mV，采样频率2 Hz。待体系的自腐蚀电位稳定后，记下自腐蚀电位，开始电位扫描，扫描速度为0.166 mV/s，使用pH-3C型pH计检测体系，腐蚀测试中使用质量浓度为0.1 mol/L的乙酸或0.1 mol/L的碳酸钠溶液维持体系的pH值，为6.2。

3 试验结果与讨论

3.1 不同温度下的腐蚀速率

由图1的通氧条件下腐蚀速率EIS电化学极化曲线看出，腐蚀电流随着温度的增加而增加，在60℃出现拐点，腐蚀速率增大。结合电化学腐蚀阻抗图2中60℃金属腐蚀阻抗图出现两个容抗弧的事实，说明体系发生了新的化学反应。试验中观察到腐蚀挂片上生成黑色的垢，这是由地层水中的硫化氢形成的硫化亚铁，它加快了腐蚀电化学反应速度。

图1 常压下不同温度地层水中腐蚀速率EIS曲线

图2 常压下不同温度地层水中腐蚀阻抗Nyquist图

3.2 不同井深下井筒的腐蚀速率

取塔河油田井温梯度2.2℃/100 m，地面温度20℃进行井深折合计算。从高温高压腐蚀数据看（见表1），腐蚀速率在井深2 500 m以后剧增，井越深腐蚀程度越大。为了减少抽油泵的腐蚀，塔河注气抽油泵下入深度应不超过2 500 m。。

表1 不同深度井筒的腐蚀速率

3.3 井筒中注气泵的工作时间

试验表明，腐蚀产物一部分生成致密的铁锈附着于P110S挂片表面，另一部分形成黄色的水垢沉积在水溶液中，试验中发现腐蚀产物占腐蚀结垢产物的1/5。定义泵的充满系数η，见公式（6）。

当泵的充满系数η＜1时，认为泵可工作，在60℃、20 MPa条件下（折合井深1 818 m） 注气泵的腐蚀结垢趋势见图3。

图3 在60℃、20 MPa条件下注气泵的腐蚀结垢趋势

从图3可看出，在塔河注气条件下，柱塞泵下入1 818 m时，泵经过117 h工作后已经被腐蚀产物全充满。这与现场的检泵周期5～7 d基本吻合。随着井深增加，腐蚀速率增加，为了使泵的活塞能正常工作，注气泵下入井筒中的工作时间就要缩短。

3.4 腐蚀产物分析

对塔河注气井筒中腐蚀结垢产物进行X射线衍射分析，XRD谱图[4]见图4，絮状的腐蚀产物主要由FeO（OH）、Fe3O4、α-Fe2O3和FeS组成。该腐蚀产物为疏松多孔的物质，与基体的附着能力差，易被腐蚀介质穿透。

图4 井筒内腐蚀产物XRD谱图

3 结论与建议

（1）塔河油田注气井氧腐蚀严重，电化学腐蚀的EIS曲线表明，腐蚀随着温度的增加而增加，在60℃以上时腐蚀电化学反应加快。

（2）塔河注气氧腐蚀随着压力的增加而增加，腐蚀速率在井深2 500 m以下剧增，井越深腐蚀程度越大。为了减少抽油泵的腐蚀，塔河注气抽油泵下入深度应不超过2 500 m。

（3）结合塔河注气条件下腐蚀动力学计算，柱塞泵下入1 818 m时，泵经过117 h后已经被腐蚀产物全充满，这与现场的检泵周期5～7 d基本吻合。

（4）在注气结束后需要用水做顶替液，焖井过程中氧在水相环境下与油管接触，促进了腐蚀结垢。因此建议注气井筒在焖井过程中加入除氧剂，并可以考虑用稀油代替水作为顶替液。

[1]惠健，刘学利，汪洋，等.塔河油田缝洞型油藏注气替油机理研究[J].钻采工艺，2013，36（2）：55-57.

[2]王娜，卢志强，石鑫，等.塔河油田氧腐蚀防治技术[J].腐蚀研究，2013，27（8）：48-50.

[3]王磊，明锐，王新虎，等.S135钻杆钢在钻井液中的氧腐蚀行为[J].石油机械，2006，34（1）：1-4.

[4]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].3版.北京：化学工业出版社，2008.

[5]CHOI YS，DUAN D，NESIC S，et al.Effect of Oxygen and Heat Stable Salts on the Corrosion of Carbon Steelin MDEA-Based CO2Capture Process [J].Corrosion，2010，66（ 12）：125004-1-10.

[6]XIANG Y，CHOI Y S，YANG Y，et al.Corrosion of Carbon Steel in MDEA-BasedCO2Capture PlantunderRegenerator Condition：Effect of O2and HSS[J].Corrosion，2015，71（1）：30-37.

[7]ROSLIN，CHOIY，YOUNG D.Impact of Oxygen Ingress in CO2Corrosion of Mild Steel[C]//NACE Corrosion Conference，March 9-13，2014.San Antonio，Texas，U.S.A.：NACE，2014：Paper No.4299.

Study of Oxygen Corrosion Mechanism in Wellbore Tube for Gas Injection in Tahe Oilfield

QILisha1，CHEN Minggui2，WANG Xiaowei3，HE Mengying2，WANG Weiying2，ZHANG Gongshe2
1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China
2.College of Petroleum Engineering，Yangtz University，Wuhan 430100，China
3.Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China

Due to 2% ～5%oxygen content in injection nitrogen gas for EOR of fracture-cavity type reservoir in Tahe Oilfield，wellbore tube suffers heavy corrosion.Weight-loss method，EIS polarization curve method and electrochemical impedance method are applied in studying the oxygen corrosion characteristics.And the corrosion rate curves，corrosion resistance spectrum and corrosion dynamic curve are obtained.The research results show that the corrosion rate increases with the increment of temperature and pressure，and reaches 0.446 mm/a in the wellbore depth of 2 500 m；After working for 117 h in the wellbore depth of 1 818 m，the piston pump is fully filled with corrosion products，which is basically in coincidence with the pump inspection period.It is suggested that the working depth of the piston pump used in Tahe Oilfield should not be more than 2 500 m；Deoxidizer should be added into the gas injection wellbore during soaking process，and thin oilcan be considered to replace water as displacement liquid.

nitrogen flooding；oxygen corrosion；gas injection piston pump；oilpump

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.016

中石化西北局“缝洞型油藏注气提高采收率技术研究”，编号：2014H1121；国家自然青年科学基金“Gemini表面活性剂对原油-水界面性质的影响”，编号：51404039；国家自然青年科学基金“基于温敏聚合物的水基钻井液体恒流变特性研究”，编号：51404040。

祁丽莎（1988-），女，河北行唐人，助理工程师，2014年毕业于长江大学油气田开发工程专业，硕士，现主要从事油田提高采收率方面的科研工作。Email：592826441@qq.com

2016-07-15