CO_2-EOR油井井下附件腐蚀行为_陈菊.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 1 0C O2-E O R油井井下附件腐蚀行为陈 菊1,管英柱1,王长权1,陆 梅2,张金发1,但植华1(1.长江大学石油工程学院,武汉 4 3 0 1 0 0;2.长庆油田油气工艺研究院,西安 7 1 0 0 1 8)摘 要:采用高温高压动态腐蚀试验和电化学试验,研究了3 5 C r M o、3 C r 1 3、4 5号钢三种材料在1 3 MP a、6 0,C O2含量(体积分数)为2 0%、5 0%、8 0%,井流物(地层水和原油混合物)以3 m L/m i n循环注入的模拟C O2气驱强化采油(E OR)油井环境中的腐蚀规律,并采用扫描电子显微镜(S EM)对腐蚀产物形貌进行了表征。结果表明:3 C r 1 3钢的最大腐蚀速率为0.0 0 6 mm/a,仅发生轻微C O2腐蚀,3 5 C r M o和4 5号钢的最小腐蚀速率均大于0.0 7 6 mm/a,耐C O2腐蚀效果差;低C r(09%)钢的腐蚀速率随C O2含量的增加反而降低;3 C r 1 3钢适合作为C O2-E O R油井的井下附件材料。关键词:C O2气驱强化采油(C O2-E O R);井下附件;高温高压;腐蚀速率中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 6 3-0 5C o r r o s i o n B e h a v i o r o f C O2-E O R D o w n h o l e A c c e s s o r i e s i n O i l W e l l sCHE N J u1,GUAN Y i n g z h u1,WANG C h a n g q u a n1,L U M e i2,Z HANG J i n f a1,D AN Z h i h u a1(1.C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g,Y a n g t z e U n i v e r s i t y,W u h a n 4 3 0 1 0 0,C h i n a;2.O i l&G a s T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e,C h a n g q i n g O i l f i e l d C o m p a n y,P e t r o C h i n a,X i a n 7 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f 3 5 C r M o,3 C r 1 3 a n d 4 5#s t e e l i n s i m u l a t e d C O2 d i o x i d e e n c h a n c e d o i l r e c o v e r y(C O2-E OR)o i l w e l l e n v i r o n m e n t a t 1 3 MP a,6 0,w i t h C O2 c o n t e n t(v o l u m e f r a c t i o n)o f 2 0%,5 0%a n d 8 0%a n d w e l l f l o w m a t e r i a l i n j e c t e d c i r c u l a r l y a t 3 m L/m i n w e r e s t u d i e d b y m e a n s o f h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e d y n a m i c c o r r o s i o n t e s t a n d e l e c t r o c h e m i c a l t e s t.T h e m o r p h o l o g y o f c o r r o s i o n p r o d u c t s w a s c h a r a c t e r i z e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM).T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e m a x i m u m c o r r o s i o n r a t e o f 3 C r 1 3 s t e e l w a s 0.0 0 6 mm/a,a n d o n l y s l i g h t C O2 c o r r o s i o n o c c u r r e d.T h e m i n i m u m c o r r o s i o n r a t e s o f 3 5 C r M o a n d 4 5#s t e e l w e r e b o t h g r e a t e r t h a n 0.0 7 6 mm/a,a n d t h e C O2 c o r r o s i o n r e s i s t a n c e w a s p o o r.T h e c o r r o s i o n r a t e o f s t e e l s w i t h l o w C r (0-9%)d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f C O2 c o n t e n t.3 C r 1 3 s t e e l w a s s u i t a b l e a s d o w n h o l e a c c e s s o r y m a t e r i a l o f C O2-E OR o i l w e l l.K e y w o r d s:C O2 d i o x i d e e n c h a n c e d o i l r e c o v e r y(C O2-E O R);d o w n h o l e a c c e s s o r y;h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e;c o r r o s i o n r a t e 早在2 0世纪初,国外就有了C O2气驱强化采油(C O2-E O R)这一观点,随后的三十多年间,作为全世界范围内的重要课题,C O2-E O R技术逐渐趋于成熟。然而,相比于C O2-E O R技术处于领先地位的美国,国内的技术存在不足。随着C O2-E O R技术的不断发展和完善,该技术受到各国政府和企业的大力支持1-2。截至2 0 2 1年4月1 4日,某油田试验区累计注入并封存液态C O2超过1万吨,增油收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 7基金项目:国家自然科学基金(5 1 4 0 4 0 3 7)通信作者:管英柱(1 9 7 2-),副教授,博士,主要从事油气田开发相关研究,1 3 8 7 2 3 2 1 8 7 8,g u a n y z hy a n g t z e u.e d u.c n1.3万吨,预测较水驱采油提高采收率1 5.1%。但是,目前大部分油田已步入中高含水期,C O2注入地层会与地层产出水反应生成碳酸,对井下附件造成严重腐蚀,这不但会增加成本,更会造成不可逆的安全隐 患,是 长 期 影 响 油 田 正 常 生 产 的 关 键 问题3-6。井下附件工具是油气田开采的重要组成部分,对油气田的高效开发起着支撑作用,常用工具有气锚、气举阀、泄油器、抽油泵、抽油杆等,常用的组件材 料有3 5 C r M o、4 2 C r M o、3 C r 1 3、4 0 C r、4 5号钢等7-8。试验区块主要采用C O2-E O R技术,C O2不仅会对井下工具造成腐蚀影响其使用寿命,更易引发井下事故造成严重经济损失,因此需要综合考虑36第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2C O2腐蚀、成本和安全隐患等问题。含M o、N i、C r等元素的材料在腐蚀环境中具有较好的防护作用,在高温环境中,N i元素能与腐蚀性气体生成具有吸附性、易富集的产物,有效隔绝溶液;C r元素易在金属表面形成富C r内层膜,起到保护作用,提高耐蚀性,且C r含 量 越 高,材 料 的 耐C O2腐 蚀 性 能 越好9-1 2。4 5号钢价格低廉且易加工,是井下附件常用材质;3 C r 1 3钢的耐C O2腐蚀性及使用寿命较普通碳钢更好,在无硫环境中成为了普通碳钢的替代品;3 5 C r M o钢能长时间服役于高温、高压、腐蚀和磨损的苛刻工作环境中1 3-1 4。因此,本工作选用井下附件用材料3 5 C r M o(常用于气锚接头)、3 C r 1 3(常用于拉管、阀杆)、4 5号钢(常用于柱塞闭式阀罩)作为研究对象,研究了其在C O2-E O R油井环境中的腐蚀规律,以期为该区块的井下附件选材提供理论依据。1 试验1.1 试样及溶液试验材料为3 5 C r M o、3 C r 1 3、4 5号钢,采用线切割将其加工成尺寸为5 0 mm1 0 mm3 mm的试样,试样上方留有6 mm孔用于悬挂,将挂片试样清洗、烘干、称量(记为m)、记录外观尺寸并拍照后置于干燥皿中待用。三种材料的化学成分见表1。表1 试样的化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f s a m p l e s%试样wCwM nwS iwC rwN iwM owSwPwF e3 5 C r M o钢0.3 90.5 50.3 01.0 00.0 20.2 00.0 2 50.0 3余量3 C r 1 3钢0.3 00.6 50.6 51 3.20.3 50.5 00.0 30.0 2余量4 5号钢0.4 50.5 80.2 70.0 80.2 0-0.0 2 50.0 2 5余量 试验溶液由目标区块含气原油与模拟地层水(油田采出水)组成,该混合液的含水率为8 0%,其中:原油伴生气中C1质量分数为6 1.2 8%,C2和C3的质量分数分别为1 7.5 5%和1 2.6 1%,C4+质量分数为5.6 8%,非烃类气体主要有N2、C O2等,质量分数分别为2.5 9%和0.2 9%,相对密度为0.8 3,地层水为高矿化度C a C l2型,组成如下:N a+1 3 2 8 7.3 6 m g/L,K+1 0 9 3 3.5 2 m g/L,M g2+1 4 7 0.4 1 m g/L,C a2+1 7 7 1.4 m g/L,C l-4 9 7 3 6.9 5 m g/L,HC O3-2 0.4 9 m g/L,S O42-3 9 1.2 3 m g/L,矿 化 度7 7 6 1 1.3 6 m g/L。注入气为工业用高纯C O2,纯度(质量分数)为9 9.9 9 9%。1.2 试验方法1.2.1 动态腐蚀评价试验使用S A-I型高温高压动态腐蚀结垢仪(高温高压釜),模拟实际生产井中C O2驱油从井底到井口的动态腐蚀环境,再增设平流泵、中间容器和气瓶构成动态循环,如图1所示。取3片挂片悬挂在挂片架上,将试验溶液以3 m L/m i n注入高压釜中,试样完全浸泡于试验溶液中。密封反应釜并抽空处理,升温至6 0 并恒定试验压力为1 3 MP a,试验溶液中的C O2体积分数设为2 0%、5 0%和8 0%,同时打开旋转电机,转速为2 0 0 r/m i n,以