春光油田井筒和集輸管線腐蝕影響因素分析研究

羅全民, 牛耀玉, 顧宇鵬, 呂應超, 庹 濤

(1.中國石油化工股份有限公司河南油田分公司新疆采油廠,新疆 奎屯 833200; 2.中石化中原石油工程設計有限公司,河南 鄭州 450003)

春光油田于2012年投產,2014年就出現管線腐蝕穿孔現象,且穿孔次數逐年遞增。目前采取的對策是打卡子或更換管線,2017年新疆采油廠熱采區塊因管線腐蝕穿孔而產生的維修費用高達330萬元。春光油田所在區域地層產出液礦化度較高,水型為CaCl2型,pH值為6左右,且油井伴生氣中含有CO2,介質的腐蝕性較強[1]。隨著油田產出液中水含量的不斷上升,井筒和集輸管線腐蝕穿孔日趨嚴重,給油田作業管理區的安全生產和運行管理帶來較大的壓力及安全隱患。

1 產出液水質分析

嚴格按照標準SY/T 5329—2022《碎屑巖油藏注水水質指標技術要求及分析方法》和SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對產出液的水質進行分析,分析數據見表1。

表1 產出液的水質分析數據

2 腐蝕分析研究

2.1 高壓動態腐蝕評價試驗

根據井筒深度和集輸管線內介質的溫度、壓力及CO2分壓情況,模擬現場工況環境進行實驗室動態腐蝕評價,以研究井筒和集輸系統的腐蝕規律。

根據井筒不同深度(0 m,500 m和1 000 m)選取20 ℃,30 ℃和45 ℃三個溫度條件;對應的系統總壓力為1.0 MPa,5.0 MPa和10.0 MPa;試驗儀器控制的壓力精度為0.1 MPa。在介質中通入CO2,使介質中的CO2達到飽和狀態,之后密封出氣口,進行腐蝕評價試驗;試片材質為N80鋼;試驗周期為72 h;轉速為100 r/min。N80鋼的化學成分見表2。

表2 N80鋼的化學成分 w,%

根據集輸系統的總壓力將試驗壓力設定為1.0 MPa,試驗溫度為30 ℃和40 ℃,在介質中通入CO2,使介質中的CO2達到飽和狀態;試片材質為20號鋼;試驗周期為72 h;轉速為60 r/min。20號鋼的化學成分見表3。

表3 20號鋼的化學成分 w,%

高壓動態腐蝕評價試驗裝置見圖1。

圖1 高壓動態腐蝕評價試驗裝置

2.2 動態腐蝕評價試驗結果分析

動態腐蝕評價試驗結果見表4和表5。數據顯示,隨著井筒深度的增加,系統的溫度和壓力相應增加,N80鋼的腐蝕速率也會逐漸增大。集輸系統產出液在計量站經加熱爐加熱后溫度升高,腐蝕性增強,20號鋼的腐蝕速率也會增大,隨著介質輸送溫度的降低,20號鋼的腐蝕速率也會有所減小。

表4 井筒腐蝕評價試驗結果

表5 集輸系統腐蝕評價試驗結果

2.3 腐蝕影響因素分析

春光油田產出液中含有游離的CO2,產出液中溶解的CO2較多,CO2溶于水生成碳酸引起電化學腐蝕。CO2腐蝕的影響因素較多,依據現場工況環境,研究溫度和流速等因素對CO2腐蝕的影響[2-4]。

2.3.1 溫度對CO2腐蝕的影響

溫度對CO2腐蝕的影響見圖2。從圖2可以看出,隨著溫度的升高,N80鋼的腐蝕速率先逐漸增加,在80～90 ℃時出現峰值;之后隨著溫度的繼續升高,其腐蝕速率反而降低。

圖2 溫度對CO2腐蝕的影響

采用掃描電鏡對腐蝕試片表面進行觀察,其腐蝕形貌見圖3。從圖3可以看出,40 ℃下試片表面附著的腐蝕產物較少,且較為松散;80 ℃下試片表面的腐蝕產物較多,呈顆粒狀,腐蝕產物層中存在大量孔洞;140 ℃下試片表面的腐蝕產物比較致密。

圖3 不同溫度下的試片表面腐蝕形貌

分析認為,當溫度低于60 ℃時,在試片表面形成少量松軟且不致密的FeCO3膜,這種膜既容易生成也容易脫落,附著力較差,基本不具有保護性,因此N80鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高而增大。在80～100 ℃的中溫區,腐蝕產物為FeCO3粗大結晶,易剝落產生坑蝕,此時N80鋼的腐蝕速率達到最大值;當溫度升到140 ℃時,在試片表面形成薄而致密的FeCO3保護膜,使N80鋼的腐蝕速率明顯降低。

2.3.2 CO2對腐蝕的影響

CO2對腐蝕的影響見圖4。從圖4可以看出,在相同溫度條件下,充飽和CO2時N80鋼的腐蝕速率遠高于不充CO2時N80鋼的腐蝕速率。不充CO2條件下20～60 ℃時N80鋼的腐蝕速率 小于0.100 mm/a,屬于輕度腐蝕;充入飽和CO2后,除了20 ℃條件下N80鋼的腐蝕程度屬于中度腐蝕以外,其他條件下N80鋼的腐蝕速率均大于 0.254 mm/a,屬于嚴重腐蝕。由此可知,CO2對產出液的腐蝕性影響較大。

圖4 CO2對腐蝕的影響

2.3.3 流速對CO2腐蝕的影響

采用高壓釜進行腐蝕評價試驗,通過調節攪拌軸的轉速來控制介質流速,考察介質流速對CO2腐蝕的影響,研究N80鋼在不同轉速下的腐蝕速率的變化規律。設置試驗條件為溫度60 ℃,壓力10 MPa,轉速分別為100 r/min,200 r/min和300 r/min,試片材質N80鋼,試驗周期72 h,試驗介質充CO2達到飽和,試驗結果見圖5。

圖5 轉速對二氧化碳腐蝕的影響

試驗結果表明,隨著轉速的增加,N80鋼的腐蝕速率也相應增大,由于介質流速與攪拌軸的轉速成正比,當攪拌軸的轉速提高時,介質流速增大,N80鋼的腐蝕速率也會增大。介質快速流動時不僅可以促進腐蝕性介質向試片表面的輸送,而且能夠加速腐蝕產物脫離試片表面,使試片表面很難形成保護膜,再加上介質對試片表面的沖刷,N80鋼很容易產生局部腐蝕,因此,流速的增加能使N80鋼的腐蝕速率增大。

2.3.4 SRB對腐蝕的影響

聯合站和油井產出液中均含有SRB,SRB是造成管線和設備腐蝕的又一個重要因素[5]。

試驗前,培養基先經過1.4 kg/cm2蒸汽滅菌處理30min后冷卻,再將已經過紫外線消毒處理 15 min 的硫酸亞鐵銨加入其中,然后通氮除氧,當溶解氧質量濃度不大于60 μg/L時,可以進行腐蝕掛片試驗。試驗所用的瓶和塞均經紫外線消毒后備用。試驗條件:產出液溫度為 30 ℃,40 ℃和50 ℃,試驗時間分別為14 d和 28 d。試驗的主要目的在于考察產出液中引入SRB后對N80鋼的腐蝕速率所產生的影響以及溫度變化對SRB腐蝕的影響,試驗結果見表6。

表6 SRB對腐蝕的影響

從表6試驗結果可以看出,當溫度為30～50 ℃ 時,SRB的存在促進N80鋼腐蝕;當溫度在 40 ℃ 時,最適合SRB的生長,N80鋼腐蝕速率最高。SRB在管線或設備某處聚集后,現場介質可以為SRB的繁殖提供適宜的條件,使SRB迅速繁殖,從而對鋼材造成嚴重的腐蝕。

3 結 論

(1)造成井筒和集輸管線腐蝕的主要影響因素為CO2和SRB。二氧化碳腐蝕主要受溫度和CO2分壓等因素影響。

(2)沿井口往下油井內溫度逐漸升高,CO2分壓也會有相應的增加,因此,一般隨著井筒深度的增加,其腐蝕速率呈現增大的趨勢。在集輸系統溫度較高的部位,其腐蝕速率較大。

(3)SRB容易在管壁和設備等液體滯留位置聚集并迅速繁殖,引起垢下腐蝕,因此應當采取相應的細菌防治措施。