油气井下CO2动态腐蚀模拟试验装置的研制.pdf

J u 1 ． ，2 。0 1 4 000 油气井下 C O 2 动态腐蚀模拟试验装置的研制 高斐 ，楼一珊 ，李忠慧 ，浦 尚树 。韩福伟。 ，郑旋 ，常公喜 1 ．油气资源与勘探技术教育部重点实验室 长江大学 ，湖北 武汉4 3 0 1 0 0 ； 2 ．中石化河南石油工程有限公司 ，河南 南阳4 7 3 1 3 2；3 ．渤海钻探第三钻井公司 ，天津3 0 0 2 8 0； 4 ．中原油 田分公司采油五厂 ，河南 濮阳4 5 7 0 0 1 [ 摘要] c O 2 腐蚀在石油行业中普遍而严重， 室内模拟试验难度大， 现有的动态腐蚀试验装置无法真实模拟井 下流体的流动状态。研制了一种模拟性和 实用性都较 强的井下 C O 动 态腐蚀模拟试验装置。该试验装置不仅能 够真 实模拟 井下油套环空及抽油泵吸入 口附近腐蚀介质的流速和流态， 还能评价井下动液面以上、 动液面附近、 动 液面以下、 泵吸入 口附近 、 筛管以下等不同位置油套受温度、 C O 分压、 流速等 因素控制 下的腐蚀状 态。结果表明 在现场工况条件下， 试样腐蚀速率随温度、 C O 分压、 流速的增 大而增 大， 与 C o n t e s t C o ． 3 5 MP a耐腐蚀 高压釜试验 结果一致 ， 并且较后者更接近于现场挂片试验结果 ； 横向比较 井下不同位置的腐蚀状况发现 ， 泵吸入 口附近套管的 腐蚀速率最大， 并且以局部腐蚀为主 ， 腐蚀形貌与现场套管腐蚀 穿孔特征相吻合。该装置结构合理， 性能稳定 ， 为 研究井下 C O ， 腐蚀机理及影响 因素提供 了新的测试手段和研究方法， 具有很好的应用前景。 [ 关键词] 井下 C O 腐蚀 ；模拟试验装置；工况条件 ；流动状态 [ 中图分类号]T G 1 7 2 ． 8 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 1 1 5 6 0 2 0 1 4 0 7 0 0 4 8 0 4 0 前言 在石油和天然气开采过程 中， 油套管处 于井下气、 水 、 烃、 固体颗粒多相流和高温或高压环境下 ， 受 C O 腐蚀严重， 从而会缩短油气井的寿命。目前， 对油 田 C O ， 腐蚀机理的研究方法主要有现场挂 片和室内模 拟 试验两种。前者 受环境 因素 的影响较大 ， 试验结果分 散， 重现性差， 且周期较长， 挂片容易失落； 后者则需精 确模拟实际介质、 环境或特定 的介质条件。 目前 ， 常用 的 C O 动态腐蚀仪为反应釜试验装置 ， 具有设备简单 、 价格低 、 测试 用液量小 、 试验 周期 短等特点 _ l ， 但难 以控制介质的流动特性 、 不能准确地模拟实际工况 ， 无 法得到准确 的管道腐蚀数据。为此， 本工作将井下抽 油泵的生产工况和实际油套管柱结构结合起来， 研制 了一种井下 C O 腐蚀 动态模拟试验装置 ， 模拟井 下油 [ 收稿 日期] 2 0 1 4一 O 1 2 8 [ 基金项 目] 国家自然科学基金 5 1 2 7 4 0 4 7 资助 [ 通信作者] 高斐 1 9 8 2一 ， 在读博士 ， 主要从事岩石力 学与钻井 工程 的研究， 电话 1 3 6 2 7 1 6 5 3 6 1 ， E ma i l f g a t 1 6 3 1 6 3 ． t o m 。 套环空及泵吸入 口附近流体的流动状态 ； 通过与 C o r r t ． e s t C o ． 3 5 M P a耐腐蚀高压釜及现场挂片腐蚀对 比， 试 验验证了其合理性、 稳定性以及可靠性。 1 模拟试验装置的构成及特色 1 ． 1 组成结构 图 1为试验装置构成 。试验装置主要 由循环 回路 系统、 控制系统两部分 组成。循环 回路 系统 主要 由单 活塞柱塞泵 、 高压双层 软管、 主立管 、 筛管、 油管 、 缓 冲 容器等构成 ； 其 中筛管和油管安装在主立管内， 主立管 由若干立管单体连接而成 ， 每一个根 立管单体 内均设 计有安装试样的试样槽 。控制 系统 主要 是 由分压阀 、 压力表和温度控制调节器组成， 通过调节分压阀和温 度控制调节器来控制系统中 C O 分压和温度， 实现不 同腐蚀条件的控制。装置采用了与现场油套环空结构 及尺寸一致 的管柱组合 ， 结合单活塞柱塞泵 间歇性 的 输液方式 ， 真实模拟采油过程 中井下流体 的流动状态 。 腐蚀介质与试样间的相对运动方式采用管流式， 将试 样嵌在立管单体内的聚四氟乙烯衬套凹槽 内， 使试样 内表面与管道内表面平齐， 保证试样在流体介质中仅 慑 第 4 7 蛹 压力表 排气阀／ 法 兰 试样槽 主立管 油管 接头 筛管 加气阀 缓冲容器 气压装置I 阻流隔牺 压力表 高压双层软管 截止阀 加液阀 回液管／且、 }1 泵 ， 一f v 图 1 井 F c o 动态腐蚀模拟试验装置 受切向力的作用， 模拟套管内的腐蚀状态。为了避免 流体扰动造成较 大的误差 ， 在缓 冲容器 内设置 了阻流 隔板 ， 消除流体在泵送过程 中产生的漩涡 ， 模拟地层流 体进入井筒的层流流动状态 。 试验完成之后 ， 可 观察 到筛管孔 眼、 油管 、 试样 的 腐蚀状况， 根据需要可对抽油泵吸人 口处、 动液面和筛 管以下等处试样进行相关的测试分析。整个试验过程 完全可控 ， 保证了试验的有效性和可靠性。 1 ． 2 主要技术参数 柱塞式计量泵型号为 J D 4 0 0， 试环尺寸为 外 1 3 9 ． 7 m m 西 内 1 2 4 ． 3 m m1 6 ． 0 m m； 模拟油管尺寸 为 咖 外 7 3 m m 内 6 2 m m； 模拟套管尺寸为 外 2 1 9 ． 0 m i ll 咖 内 1 2 4 ． 3 m m； 模拟筛管尺寸为 外 7 3 m m咖 内 6 2 m m； 聚 四氟衬套 尺寸 为 外 1 5 2 ． 5 m m x 内 1 2 4 ． 3 m m 5 9 ． 5 m m； 工作 温度 为 0～1 2 0 ℃ ， 压力为 0～ 2 ． 5 MP a ， 流速为 0～ 5 m ／ s 。 1 ． 3 特色 传统的 C O 动态腐蚀模拟试验装置主要存在 以下 不足 1 室内模拟 的试验环境与井下实际工况相差较 大， 如旋转反应釜模拟试验装置 中的流态 与实际工况 存在明显差异， 试验结果与现场油套管柱的实际腐蚀 类型和程度差别较大 ； 2 试样与流体间的相对流速一般较低 ， 且难 以控 制。旋转反应釜搅拌时 ， 给流体施加一个离心力 ， 使得 其流经试样表面时既有环向运动 ， 又有径 向运动 ， 无法 真实模拟腐蚀介质在管道中的流态； 3 试样通常安装在转盘或者 圆筒上， 旋转的过程 中， 试样的多个 面都受到流体冲蚀 ， 每个 面的腐蚀情况 不同， 同时试样对流场起 到干扰作用 ， 与实际情况不吻 合 ， 试验结果的可靠性差 ； 4 不能同时测量井下不同位置 的腐蚀状态。 针对以上问题 ， 研制 的试验装置通过 以下方 法来 解决 1 采用单活塞柱塞泵模拟抽油泵非连续性 的输 液方式 ， 实现泵 吸入 口附近及油套环空 中流体 的流动 状态与现场保持一致 ； 2 采用与现场尺寸一致 的油套管柱结构 以及管 流法 ， 使反应介质流经试样表面 ， 并且通过调节泵 的排 量来改变环空 中流体的流速和流态； 3 为防止发生电偶腐蚀， 克服试样对流体的阻碍 作用 ， 在立管单体内壁上设置有 聚四氟乙烯衬套 凹槽 ， 使试样的内表面与管道内表面平齐， 模拟了现场工况 下流体流经试样表面时仅受切 向力的作用 ， 模拟 了套 管内腐蚀的状况 ； 4 主立管由若干立管单体叠加而成， 通过调节立 管单体的位置来研究井 下不同部位 的腐 蚀状况 ， 且一 次试验能测定动液面以上、 动液面 附近 、 动液面 以下 、 泵吸人 口附近、 筛管以下等不同位置 的腐蚀状况 ， 可 以 进行横纵向比较。 1 ． 4 功能 研制的模拟试验装置可以实现 以下功能 1 通过不 同温度或 C O 分压下 C O 腐蚀试验 ， 确 定温度或 C O 分压对 C O 腐蚀速率的影响， 从而确定腐 蚀严重部位 ， 进行重点监测和防护 ； 2 通过不同流速下 C O 腐蚀试验， 确定流速对腐 蚀速率的影响， 实现腐蚀性流体的冲蚀过程 ， 从而为工 艺条件设计提供参考数据 ； 3 可 以评 价 油 田常用 的 J 5 5 ， N 8 0 ， P 1 1 0 ， L 8 0 ， 3 C r ， 9 C r ， 1 9 C r 等套 管在 C O 腐蚀 环境 中的耐腐蚀性 ， 为油 田套管选材提供图版依据 ； 4 同一条 件下 同时测定 动液面 以上 、 动液 面附 近、 动液面 以下 、 泵吸人 口附近 以及筛管以下等不 同位 置的腐蚀速率及腐蚀状况 ； 5 通过缓蚀条件下的腐蚀试验， 来确定现场使用 的缓蚀剂类型和用量 ， 评定缓蚀剂的性能。 2 模拟及现场挂片腐蚀 2 ． 1 腐蚀条件及过程 1 现场 条件某 油 田油井 x 6井 日产液量 为 ； v o L 4 7 N o , 7 J u ， 嗍4 l 5～ 3 0 In ／ d ， 井 I I C O 2 分压为 0 ． 1 0 ． 2 MP a ， 套管腐蚀 穿孔位置温度为 6 08 0 o C。N 8 0套管钢化学成分 质量 分数 0 ． 2 4 0 ％C， 0 ． 2 2 0 ％S i ， 1 ． 1 9 0 ％Mn ， 0 ． 0 1 3 ％P ， 0 ． 0 0 4 ％ S， 0 ． 0 3 6 ％ C r ， 0 ． 0 2 1 ％ Mo ， 0 ． 0 2 8 ％ Ni ， 0 ． 0 0 6％ N b ， 0 ． 0 1 7 ％V， 0 ． 1 1 0 ％T i ， 0 ． 0 1 9 ％C u 。油层采 出水 为 C a C 1 2 型 ， 总矿化度为 2 9 2 5 5 ． 9 g ／ L ， 含 1 6 9 9 5 ． 1 g ／ L C 1 一 ， 4 6 9 ． 9 g ／ L H C O f， 5 4 7 ． 4 g ／ L s O ； 一 ， 1 1 0 ． 3 g ／ L M g “， 8 3 7 ． 6 g ／ L C a “ ， 1 0 2 9 5 ． 7 g ／ L N a K ， 8 5 ． 0 g ／ L总 铁； 采出水 p H值为 6 ． 0 。 2 井下 C O 动态腐蚀模拟腐蚀温度为 6 0， 7 0 ， 8 0 o C； C O 2 分压为 0 ． 1 0， 0 ． 1 5 ， 0 ． 2 0 M P a ， 13产液量为 1 5 ， 2 0， 2 5 ， 3 0 I n ／ d ， 对 应 的流 速 为 0 ． 0 2 1 ， 0 ． 0 2 9 ， 0 ． 0 3 6 ， 0 ． 0 4 4 m ／ s 。试样为 咖 外 1 3 9 ． 7 m m咖 内 1 2 4 ． 3 m m 1 6 ． 0 mm的 1 ／ 4圆弧 N 8 0钢挂片。试验前 用砂纸逐级打磨至 1 0 0 0号 ， 用丙酮 、 无水 乙醇清洗除 油脱水 ； 为消除 与聚 四氟 乙烯 间 的缝 隙腐蚀 影响 ， 用 3 0 ％硝酸 6 O℃钝化 1 h ， 干燥 ； 用 电子 天平测量 质量 精确至0 ． 0 0 0 1 g ， 置于干燥皿中备用。试验时， 用 1 0 0 0 号金相砂纸研磨掉试样表面的钝化膜 ， 安放到试 样槽 中， 使试样工作面与上下管柱面平齐 ， 垫上聚四氟 乙烯垫片， 连接并封固好法兰。打开加液阀 ， 启动电机 和泵 ， 注人油 田采 出水至动液 面附近后 ， 关闭加液 阀， 通入高纯 9 9 ． 9 ％ C O 2 h除去安装试样 过程中混人 的氧气。升高温度， 调整 C O 压力阀和泵的排量， 使装 置 内的压力值 忽略试验过程 中水蒸气压力 的影响 和流速达到设计值 ， 试验周期为 1 5 d 。 3 C o r r t e s t C o ． 3 5 MP a 耐腐蚀高压釜腐蚀试验 方法参考文献 [ 6 ] 试材为 3 0 mm1 5 m m 4 mm N 8 0 钢 ， 用砂纸逐级打磨至 1 0 0 0号 ， 测量尺寸 ， 用丙酮和无 水乙醇 除油 清洗 ， 吹 干后 用 电子 天 平称 重 精 确 到 0 ． 0 0 0 1 g ； 安装试验挂片后 ， 向釜内加入地层采出水 ， 加盖密封 ， 并通人高纯氮气除氧 I ． 5 h之后 ， 升温 、 加 压 ， 调节旋转装置 ， 分别模拟温度为 6 0 ， 7 0 ， 8 0 o C， C O 分压为 0 ． 1 0， 0 ． 1 5 ， 0 ． 2 0 Mp a ， 液相介质流速为 0 ． 0 2 1 ， 0 ． 0 2 9， 0 ． 0 3 6 ， 0 ． 0 4 4 m ／ s 条件下动液面至泵 之间油套 环空套管的腐蚀 。 4 X 6井现场挂片X 6井深 2 0 1 7 ． 0 I n ， 生产过 程中动 液 面 位 置 为 1 6 0 2 ． 0 m， 地 温 梯 度 为 2 ． 9 6 o c ／ 1 0 0 m， 抽油泵悬挂深度 为 1 7 0 4 ． 5 m， 泵吸人 口深 度为 1 7 1 0 ． 5～1 7 1 2 ． 5 m， 泵长 6 ． 0 m， 筛管长度为 2 ． 0 IT I ； 套管钢材质为 N 8 0 ， 现场挂片安装结构见图 2 ， 时间 为 1 5 d 。 挂片器 聚四氟乙烯螺钉 试样 7 6mm1 9mm 3mm 聚四氟乙烯垫圈 螺孔 图2 现场挂片试验安装结构 2 ． 2腐蚀结果分析 按照 N A C E S t a n d a r d R P 0 7 7 5 2 0 0 5与 B ／ T 7 9 0 1 2 0 0 1 处理腐蚀试样， 采用失重法计算抽油泵吸入口处 等不同位置的套管平均腐蚀速率。观察试样宏观腐蚀 形貌 ， 采 用 N o v a N a n o S E M 4 5 0型 场 发 射 扫 描 电 镜 S E M 观察腐蚀产物膜的微观形貌。 3 结果与讨论 表 1 、 表 2 为井下 C O 动态腐蚀模拟装置及 C o r r t - e s t C o ．3 5 MP a 耐腐蚀高压釜 中不 同条件下套管 的腐 蚀速率。 表 1 井下 C O 动态腐蚀模拟试验装 置中 不同条件下套管的腐蚀速率 o l g 7 No ． 7 J u 1 ． 2 0 1 4 1 0 0 9 O 、8 0 ‘ g 7 0 6 o 一5 O 4 o q 3 O 2 0 1 0 2 0 6 o l o o 1 柏1 8 0 t 腐蚀 ／ mi n a2 0 0 r ／ mi n 1 0 0 9 0 _ 、 8 O 。 g 7 0 6 o 、 _ ， 5 O 4 J0 q 3 O 2 O 1 0 t 腐蚀 ／ rai n b3 0 0 r ／ mi n t 腐蚀 ／ mi n c 4 o o r ／ m i n 图 4 不同转速 F 复合涂层的腐蚀磨损失重 曲线 性高， 耐蚀性得到提高； 复合涂层以化学结合为主， 结 合强度较大 ， 耐磨损性能好。 腐蚀磨损的实质为磨损加速腐蚀及腐蚀加速磨 损 J 。当工件转速为 2 0 0 r ／ m i n时 ， 1 5 0 min后基体和 涂层 的失重分别为 9 1 ． 6 6 6 7 。 3 5 ． 3 2 4 8 g ， 此 时主要为 磨损加速 了腐蚀 。 磨损的作用减薄或破坏 了试件表面 的钝化膜 或去 除 了表面产 物而裸露 出新鲜 的金属表 面， 转动的腐蚀介质加速了腐蚀产物的脱落， 使腐蚀介 质与新鲜的试样表面继续相互作用 ， 从 而加速 了腐蚀 。 当转速为 4 0 0 r ／ min时 。 1 5 0 ra i n后基体和涂层的失重 分别为 1 1 2 ． 8 9 7 1 ， 9 0 ． 5 0 0 0 g ， 以腐蚀加速磨损为主， 这是由于腐蚀后材料表面疏松、 多孔， 很容易因摩擦或 流动的液流造成材料 的流失 。当转速为 3 0 0 r ／ m i n时， 腐蚀和磨损达到了一种交互作用状态， 二者的交互作 用加速了试样的质量流失， 使得腐蚀磨损的总失重量 大于单纯腐蚀和单纯磨损的失重量之和 J 。 3 结论 1 以粉煤灰为主要原料 ， 添加少量 的 A l ， A I 0 ， S i 0 ， M s o和钠长石 ， 混合后涂覆 于 Q 2 3 5钢表面 ， 并 于 9 5 0 c I 固化 ， 制备了玻璃／ 陶瓷复合涂层 ， 涂层中生成了 C a 2 A 1 2 S iO 7 ， F e A 1 l3 ， Mg 3 P O 4 2 等新相 。 2 复合涂层的腐蚀磨损性能优异， 在 2 0 0 ， 3 0 0 ， 4 0 0 r ／ ra i n 转速下腐蚀磨损 1 5 0 m in后， 耐腐蚀磨损性 相对基体分别提高 2 ． 6 2 ， 2 ． 1 2 ， 1 ． 2 6倍。复合涂层与 基体结合良好， 以化学结合为主， 并伴有机械结合。 [ 参考文献 ] [1] 马壮 ， 陶莹， 董世知， 等． 煤炭固体废弃物在金属材 [ 2] [3] [ 4] [5] [ 6] 料加工领域的应用[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 4 ， 3 9 1 3 2～ 3 9 ． 汤皎宁， 龚晓钟， 柳文军， 等． 脉冲和直流电镀镍层磨损 及腐蚀磨损性 能研究 [ J ] ．材 料保护 ， 2 0 0 1 ， 3 4 7 1 2一 _l 3． 苏昊林 ， 王立久， 汪振双．C A S系粉煤灰微晶玻璃制备工 艺试验研究[ J ] ． 功能材料， 2 0 1 1 ， 4 2 7 1 3 4 2～1 3 5 0 ． 康进兴 ， 赵文轸， 朱金华． 材料抗冲蚀性的研究进展[ J ] ． 材料保护 ， 2 0 0 1 ， 3 4 1 0 2 2～ 2 4 ． 王吉会 ， 姜晓霞， 李曙， 等． 腐蚀磨损过程中材料的环 境脆性[ J ] ． 材料研究学报 ， 2 0 0 3 ， 1 7 5 4 4 9 4 5 8 ． 庞佑霞 ， 陆由南．WC加入量对 N i 6 0自熔合金喷焊层冲 蚀磨损特性的影响[ J ] ． 材料保护， 2 0 0 7 ， 4 0 3 7 1～ 7 2 ． [ 编校 严灿] 上接第 5 l页 性能稳定可靠 ， 操作简单方便 ， 能够充分模拟油井生产 过程中流体的流动状态 ， 试验结果更真实可靠 ， 为研究 不同温度 、 分压 、 流速等条件下井下 C O 腐蚀 机理及状 态提供了新 的测试手段和研究方法。 [ 参考文献 ] [1] 姜胜利 ， 郑玉贵， 乔岩欣．高速喷射式冲刷腐蚀实验装置 的研制及其实时动态电化学测试[ J ] ． 腐蚀科学与防护， 2 0 0 9 ， 2 1 5 4 8 9～ 4 9 1 ． [ 2] 郑玉贵， 姚治铭 ， 柯伟．冲刷腐蚀的研究近况[ J ] ． 材料 科学与工程， 1 9 9 2 ， 1 0 3 2 1～ 2 6 ． [3] H e i t z E ．I n v e s t i g a t i o n o f h y d r o d y n a mi c t e s 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