塔里木油田注水井井井下腐蝕防治技術(shù)研究

塔里木油田注水井井井下腐蝕防治技術(shù)研究

0注礦井井下管道防腐塔河油田的地下和地下管道水質(zhì)為cacl2，礦化度（15.14.25.104mg），氯仿含量（11.14.15.104mg）。ph值為5.6，侵蝕環(huán)境惡劣。管道中b2酸性氣體含量較高，平均為6.13%，hs酸氣體含量較高，平均為30629mg。由于在井內(nèi)注水過(guò)程中水質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈氧化，導(dǎo)致井內(nèi)自來(lái)水腐蝕和鉆孔。在高氯離子和酸性氣體腐蝕環(huán)境下，管道中的固定量管道呈現(xiàn)出不適應(yīng)，腐敗問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重。同時(shí)，存在一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要采取預(yù)防措施。近年來(lái)眾多學(xué)者針對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)在油氣田管道防腐中的應(yīng)用開(kāi)展了大量研究工作,對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)管道防腐機(jī)理及原理有了深入的認(rèn)識(shí),并在油氣田井下管道防腐及地面管道外壁防腐中取得了大量的成果。但是對(duì)塔河油田注水井井下防腐研究方面涉及較少,還未形成有效的防腐對(duì)策,尤其對(duì)地面金屬碳鋼管道內(nèi)壁的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)在防腐中的應(yīng)用還未進(jìn)行深入的研究。因此,本研究針對(duì)塔河油田注水井井下及地面管線腐蝕問(wèn)題,結(jié)合腐蝕因素、注水工況特點(diǎn)分析,開(kāi)展技術(shù)實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)防腐效果,設(shè)計(jì)了犧牲陽(yáng)極防護(hù)裝置并提出防腐建議。1注水及地板管道的腐蝕1.1鹽水腐蝕和自催化反應(yīng)目前塔河油田進(jìn)入中后期,注水開(kāi)發(fā)為主要的增產(chǎn)措施之一,注水開(kāi)發(fā)水源主要是通過(guò)鹽水車?yán)\(yùn)和注水管網(wǎng)供水,兩種供水方式都存在暴氧問(wèn)題,注水管網(wǎng)末端的井口落地罐為開(kāi)式敞口構(gòu)造,罐內(nèi)水會(huì)與空氣直接接觸發(fā)生暴氧,而鹽水車?yán)\(yùn)水則在裝車和拉運(yùn)的過(guò)程中均發(fā)生與空氣接觸,也易發(fā)生暴氧,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)兩種鹽水溶解氧含量檢測(cè),溶解氧含量為0.05~2mg/L,均值為0.6mg/L,因此,在注水井注水層位附近管道腐蝕嚴(yán)重,形成大量的向管體縱向發(fā)展的點(diǎn)腐蝕坑甚至發(fā)生穿孔。管道的腐蝕過(guò)程大致為:腐蝕坑不斷向基體內(nèi)部擴(kuò)展,使得鈍化膜破壞及腐蝕抑制作用減弱,坑底部的金屬不斷“掏坑”溶解。當(dāng)含有溶解氧的介質(zhì)時(shí),在坑的外表面為陽(yáng)極,發(fā)生吸氧反應(yīng):O2+4e-→2O2-,同時(shí),溶解氧會(huì)使FeCO3膜發(fā)生反應(yīng):2FeCO3+O2→Fe2O3+2CO2,Fe2O3疏松多孔,破壞了FeCO3膜的保護(hù)作用,坑內(nèi)氧不斷消耗造成金屬鈍化變緩,抑制腐蝕作用減弱,與坑外富氧形成濃度差,存在電位差,隨著孔內(nèi)陽(yáng)離子增多,氯離子遷移,不斷進(jìn)入到坑內(nèi)維持電中性以至于坑內(nèi)濃度非常高,同時(shí)伴隨著金屬離子的水解,坑內(nèi)不斷酸化,pH值降低,氫離子與氯離子不斷造成金屬溶解電位降低,發(fā)生自催化反應(yīng)。同時(shí)坑內(nèi)礦化度高,閉塞電池的電阻小,電化學(xué)腐蝕不斷加劇。1.2外腐蝕和內(nèi)腐蝕對(duì)于地面集輸管道而言,74%的管道為20#鋼,點(diǎn)腐蝕嚴(yán)重,主要集中在含水高(綜合含水64%)、高程變化及管道分層明顯的管段,常見(jiàn)的點(diǎn)腐蝕沿管體重力方向內(nèi)延伸,主要為底部穿孔,且管道內(nèi)腐蝕占塔河油田腐蝕總數(shù)的99%,由于塔河油田絕大部分管道采用外防腐保溫和外加電流陰極保護(hù),外腐蝕不常見(jiàn)。地面管道輸送介質(zhì)主要含有酸性H2S/CO2腐蝕氣體,與注水管道點(diǎn)腐蝕過(guò)程類似,但其陰極反應(yīng)為析氫腐蝕,點(diǎn)腐蝕過(guò)程為氣相H2S/CO2遇水形成酸,酸電離出的H+的濃度較大并被還原成H原子,在坑的外表面為陽(yáng)極,發(fā)生吸氧反應(yīng):2H++2e-→H2,FeS、FeCO3的腐蝕產(chǎn)物膜破損或脫落形成點(diǎn)蝕坑。隨著坑內(nèi)H2S/CO2消耗殆盡,點(diǎn)蝕坑內(nèi)金屬陽(yáng)離子不斷增多,其水解作用導(dǎo)致氫離子活度增加,即發(fā)生酸化作用,pH值降低。為了維持點(diǎn)蝕坑內(nèi)溶液的電中性,點(diǎn)蝕坑外部的陰離子將向點(diǎn)蝕坑內(nèi)遷移,尤其是腐蝕介質(zhì)中的Cl-將優(yōu)先擴(kuò)散到點(diǎn)蝕坑內(nèi)部并富集,造成界面濃度差的電偶腐蝕及點(diǎn)蝕坑內(nèi)酸度增加,同時(shí)腐蝕產(chǎn)物聚集及鹽度增大均會(huì)造成擴(kuò)散不暢,阻礙鈍化膜形成,點(diǎn)蝕坑內(nèi)腐蝕反應(yīng)加劇。2管道電壓保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和評(píng)估2.1元突出陽(yáng)極保護(hù)管道電化學(xué)保護(hù)技術(shù)分為外加電流陰極保護(hù)技術(shù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)。外加電流陰極保護(hù)法由于成本高、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題很少應(yīng)用于油井井下管道的防腐;油井防腐的陰極保護(hù)技術(shù)是犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù),通過(guò)電位更負(fù)的犧牲陽(yáng)極與金屬本體連接,使得金屬與犧牲陽(yáng)極在腐蝕介質(zhì)中,犧牲陽(yáng)極失去電子發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng),金屬本體得到保護(hù)。因此犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)可以自生電流,免于維護(hù),成本低,易于安裝,不受完井方式的限制。三元犧牲陽(yáng)極是利用Zn-Al-Mg合金澆鑄而成,以鋅為主要成分,鋅基陽(yáng)極比重大,發(fā)生電量小,對(duì)鋼鐵的驅(qū)動(dòng)電位不高,電流效率高,使用壽命長(zhǎng),適合應(yīng)用在電阻率低的油田采出水環(huán)境中。往往在極化的初期所需的極化電流較大,鋅中加入少量的鎂和鋁的目的就是在極化初期提供一個(gè)較大的電流,當(dāng)極化穩(wěn)定后,所需的保護(hù)電流小,主要由發(fā)生電量小的鋅供給,如此既能避免過(guò)保護(hù),又能延長(zhǎng)陽(yáng)極的使用壽命。為了防止?fàn)奚?yáng)極塊的脫落,該系列產(chǎn)品采用束籠式,在陽(yáng)極的內(nèi)部引入了網(wǎng)狀骨架,具有表面溶解均勻、消耗率低的優(yōu)點(diǎn),油管犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的設(shè)計(jì)壽命在4年以上。在油井泵上1-2根油管下入“犧牲陽(yáng)極保護(hù)器”,目的是保護(hù)抽油泵、電潛泵以及泵上部分油管。在井下油管間下入井下?tīng)奚?yáng)極保護(hù)器,犧牲陽(yáng)極保護(hù)器總長(zhǎng)度為1200mm,兩端是與油管進(jìn)行連接的接頭。陽(yáng)極體長(zhǎng)度為950mm,厚度為10mm,陽(yáng)極以管狀三組合形式嵌于短節(jié)上。犧牲陽(yáng)極在短節(jié)外時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)油管外壁的保護(hù);犧牲陽(yáng)極在短節(jié)內(nèi)時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)油管內(nèi)壁的保護(hù),為了防止?fàn)奚?yáng)極的腐蝕脫落可采用束籠式;在油水介質(zhì)中對(duì)油管壁的保護(hù)半徑約為200m,技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。2.2井下點(diǎn)下內(nèi)點(diǎn)兩環(huán)監(jiān)測(cè)掛環(huán)TK422井為艾協(xié)克2號(hào)構(gòu)造北側(cè)打的一口滾動(dòng)開(kāi)發(fā)井,于2000年2月29日完鉆,完鉆井深5662m,2007年9月為配合注水回灌電纜射孔,射孔層位:2060~2085m、2130~2155m、2205~2240m、2340~2375m;在解封封隔器、洗井、起原井管柱作業(yè)過(guò)程中,在井深2000~3000m之間油管內(nèi)壁及外壁有腐蝕坑,31/2″EUE油管(2895m)處發(fā)生油管斷裂,斷裂面處有明顯的腐蝕穿孔痕跡,折合最大點(diǎn)蝕速率為0.92mm/a,屬于極嚴(yán)重腐蝕。為了抑制該井在后期注水回灌過(guò)程中油管再次發(fā)生腐蝕穿孔,在該井開(kāi)展井下?tīng)奚?yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn),在井下油管不同深度下入犧牲陽(yáng)極內(nèi)外壁保護(hù)器(見(jiàn)表2)。為了評(píng)價(jià)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果,在油管上、中、下不同深度部位安裝監(jiān)測(cè)裝置(監(jiān)測(cè)掛環(huán)器)(見(jiàn)表2、圖3)4套。通過(guò)井下監(jiān)測(cè)掛環(huán)可監(jiān)測(cè)井下油管的腐蝕狀況,同時(shí)可評(píng)價(jià)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。掛環(huán)器分為不加絕緣監(jiān)測(cè)掛環(huán)器、加絕緣監(jiān)測(cè)掛環(huán)器兩種。不加絕緣掛環(huán)器主要是監(jiān)測(cè)掛環(huán)與井下油管短節(jié)直接接觸,三元犧牲陽(yáng)極在保護(hù)油管不受腐蝕的過(guò)程中也會(huì)保護(hù)掛環(huán),監(jiān)測(cè)掛環(huán)經(jīng)過(guò)腐蝕評(píng)價(jià)后的腐蝕速率值代表油管受到三元犧牲陽(yáng)極保護(hù)后的腐蝕速率;而加絕緣掛環(huán)器的監(jiān)測(cè)掛環(huán)與油管短節(jié)之間為聚四氟乙烯絕緣材料,監(jiān)測(cè)掛環(huán)未受到三元犧牲陽(yáng)極的保護(hù),監(jiān)測(cè)掛環(huán)經(jīng)過(guò)腐蝕評(píng)價(jià)后的腐蝕速率值代表油管沒(méi)有受到三元犧牲陽(yáng)極保護(hù)后的腐蝕速率。2.3現(xiàn)場(chǎng)油管腐蝕情況2013年8月進(jìn)行修井作業(yè)對(duì)油管腐蝕及犧牲陽(yáng)極損耗情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤,油管外壁未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕,犧牲陽(yáng)極得到有效利用,利用率達(dá)到99%,其中油管內(nèi)壁及外壁未見(jiàn)明顯腐蝕(圖4),犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)在TK422注水井應(yīng)用后防腐效果顯著。TK422井2007年9月至今為注水回灌井,是通過(guò)TK422井-TK312井-TK308注水站-S23井注水管網(wǎng)提供水源(圖5),注水源為一號(hào)聯(lián)干化池污水為主,高含水及高氯離子濃度(13×104~16×104mg/L),腐蝕環(huán)境惡劣。相比其他3口注水井,該井油管加有犧牲陽(yáng)極,腐蝕得到有效抑制,在其他3口注水井的修井作業(yè)過(guò)程中提取油管進(jìn)行觀察,在油管內(nèi)外壁均發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕(見(jiàn)表3)。TK312CH井8月20日檢管作業(yè),起出原井油管,發(fā)現(xiàn)第150根(18mm×10mm)、第154根油管(12mm×10mm)穿孔,井深分別為1440m、1478m;折算腐蝕穿孔點(diǎn)腐蝕速率大于0.72mm/a,管柱最后10根出現(xiàn)明顯的腐蝕及結(jié)垢層(0~10mm不等),垢片較為松散,主要呈棕紅色,斷面呈層狀結(jié)構(gòu),厚度不一,其中最后一根油管垢層最厚,加入稀鹽酸反應(yīng)有大量氣泡及臭雞蛋氣味,加入硫氰酸鉀有紅色絡(luò)合物,證明主要為Fe2+,同時(shí)殘留物不溶于酸堿,經(jīng)實(shí)驗(yàn)初步定性分析結(jié)垢層主要以Fe2O3、FeS、FeCO3、鹽類及分析為注水過(guò)程中沉積的粘土礦物為主(見(jiàn)圖6、圖7)。腐蝕嚴(yán)重管段集中在注水層位附近。由于TK312井與TK422井注水水源均為一號(hào)聯(lián)合站污水,腐蝕介質(zhì)及工況環(huán)境類似,通過(guò)對(duì)比TK312與TK422單井現(xiàn)場(chǎng)油管的腐蝕情況,分析可知TK422井油管得到3犧牲陽(yáng)極的有效保護(hù)。通過(guò)對(duì)修井作業(yè)過(guò)程中取出的4套井下掛環(huán)器的監(jiān)測(cè)掛環(huán)進(jìn)行清洗,用3D點(diǎn)腐蝕測(cè)深儀進(jìn)行腐蝕深度檢測(cè),并計(jì)算點(diǎn)腐蝕速率(見(jiàn)表4)。對(duì)比表4中數(shù)據(jù)可知,加絕緣裝置掛環(huán)最大點(diǎn)腐蝕速率達(dá)到0.417mm/a,為極嚴(yán)重腐蝕;未加絕緣裝置掛環(huán),由于絕緣裝置掛環(huán)受犧牲陽(yáng)極保護(hù),最大點(diǎn)腐蝕速率為0.033mm/a,為輕度腐蝕,犧牲陽(yáng)極的抑制腐蝕作用(緩蝕作用)明顯,P110S材質(zhì)內(nèi)環(huán)緩蝕率約91%。由于油管底部存在封隔器,因此油管外環(huán)腐蝕均不嚴(yán)重,為輕度腐蝕,油管外壁在井下約2000m處加絕緣裝置掛環(huán)腐蝕最為嚴(yán)重,最大點(diǎn)腐蝕速率為0.028mm/a,不加絕緣裝置掛環(huán)腐蝕最大點(diǎn)腐蝕速率為0.005mm/a,其中P110S材質(zhì)外環(huán)緩蝕率約為87.5%。3地面金屬碳纖維管道壁三元環(huán)境質(zhì)量的計(jì)算通過(guò)對(duì)注水井井下?tīng)奚?yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用評(píng)價(jià)來(lái)看,腐蝕抑制效果明顯,井下油管得到犧牲陽(yáng)極的有效保護(hù),基于該技術(shù)保護(hù)管道的原理類似,但是,國(guó)內(nèi)外對(duì)于犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)在地面管道內(nèi)壁的應(yīng)用較少,主要是管道外壁的保護(hù),由于塔河油田地面集輸管道主要以管道內(nèi)壁腐蝕為主,因此設(shè)計(jì)出針對(duì)地面金屬管道的可行的犧牲陽(yáng)極保護(hù)裝置,將犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用在地面新建金屬管道工程設(shè)計(jì)中,將大大降低由于地面管道腐蝕造成的損失。犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的設(shè)計(jì)思路是,結(jié)合新建管道的規(guī)格及該區(qū)塊的腐蝕速率值計(jì)算犧牲陽(yáng)極的用量,在新建工程中的地面金屬管道安裝旁通來(lái)安裝犧牲陽(yáng)極,旁通通過(guò)非絕緣法蘭連接管道,犧牲陽(yáng)極采用束籠式附著在管道旁通內(nèi)壁,并對(duì)整條管線進(jìn)行腐蝕防護(hù),結(jié)合塔河油田投用管道腐蝕穿孔情況、打卡及原油損失費(fèi)用等開(kāi)展?fàn)奚?yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)(見(jiàn)圖8、表5)?？梢赃x取TK422井用的三元犧牲陽(yáng)極的實(shí)際電容量為2210.5A·h/kg,根據(jù)保護(hù)管道的腐蝕速率設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極用量。通過(guò)計(jì)算得出不同管徑管道每公里得到保護(hù)的犧牲陽(yáng)極用量,再根據(jù)犧牲陽(yáng)極的密度來(lái)設(shè)計(jì)旁通中犧牲陽(yáng)極的長(zhǎng)度及厚度。按照塔河油田金屬管線腐蝕規(guī)律,一般10年后腐蝕就達(dá)到峰值,設(shè)計(jì)10年?duì)奚?yáng)極用量保護(hù)DN200的管線與未加陽(yáng)極的金屬管線相比,可節(jié)約經(jīng)濟(jì)費(fèi)用約為26萬(wàn)元/km。地面金屬碳鋼管道內(nèi)壁三元犧牲陽(yáng)極保護(hù)過(guò)程為:由于旁通內(nèi)壁犧牲陽(yáng)極相比于碳鋼電位更負(fù),陽(yáng)極會(huì)發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)M-2e-→M2+,電子只在地面金屬管道內(nèi)壁進(jìn)行轉(zhuǎn)移,金屬管道腐蝕得到抑制,內(nèi)壁得到保護(hù),同時(shí)管道中流體介質(zhì)的酸性氣體(二氧化碳、硫化氫)水解出的H+發(fā)生陰極反應(yīng)2H++2e-→H2?；蛘弋?dāng)介質(zhì)中含有溶解氧時(shí),發(fā)生吸氧反應(yīng)O2+4e-→2O2-,從而含有溶解氧。此外,還可以設(shè)計(jì)在地面金屬管道犧牲陽(yáng)極保護(hù)范圍之外的部位同時(shí)安裝監(jiān)測(cè)旁通(內(nèi)壁未安裝犧牲陽(yáng)極及未做任何防腐),可定期監(jiān)測(cè)旁通的管道腐蝕狀況,進(jìn)而評(píng)價(jià)管道腐蝕狀況及犧牲陽(yáng)極保護(hù)效果。4鉆井腐蝕情況(1)注水井井下油管腐蝕嚴(yán)重部位為注水線附近,通過(guò)腐蝕產(chǎn)物分析,主要為溶解氧和二氧化碳腐蝕產(chǎn)物,點(diǎn)腐蝕達(dá)到極嚴(yán)重腐蝕程度。(2)注水井井下油管內(nèi)外壁加上犧牲陽(yáng)極,對(duì)比未加絕緣裝置掛環(huán)及加絕緣裝置掛環(huán)的腐蝕情況,未加絕緣裝置掛環(huán)受犧牲陽(yáng)極保護(hù),其中P110S材質(zhì)內(nèi)環(huán)緩蝕率約91%,腐