徐深气田含二氧化碳深层气井防腐技术_工程实践

摘要

摘要：松辽盆地徐深气田所产天然气普遍含有CO2，气井具有井深、温度高、不同井区CO2含量变化较大等特点，导致气井CO2腐蚀情况较为复杂，气井腐蚀非常严重。为此，分析了徐深气田CO2腐

摘要：松辽盆地徐深气田所产天然气普遍含有CO₂，气井具有井深、温度高、不同井区CO₂含量变化较大等特点，导致气井CO₂腐蚀情况较为复杂，气井腐蚀非常严重。为此，分析了徐深气田CO₂腐蚀环境特点和因素，评价了各种防腐技术在深层气井中的适用性，开展了4种管材、4种缓蚀剂的优选评价，完成了完井管柱设计以及工艺优化，确实了合理产能的范围，为不同类型含CO₂深层气井防腐方案的制订提供了技术支撑。对类似含CO₂腐蚀气井开发提供了借鉴。

关键词：松辽盆地；徐深气田；深层气井CO₂腐蚀；耐蚀合金；缓蚀剂；工艺管柱；防腐

松辽盆地徐深气田产出天然气中普遍含有CO₂，其中升平开发区CO₂体积分数为2.38%～5.40%，兴城开发区CO₂体积分数为0.19%～24.55%，已完钻的几十口获工业气流的深层气井中，CO₂分压在严重腐蚀界限(0.2MPa)以上的有20口井，占总井数的40%，油、套管在生产过程中受到严重腐蚀损坏，最为典型的是升深2井，通过观察气井现场取出的报废油管，发现部分油管蚀坑已穿过管壁，连为一体，呈现不规则的沟槽状，从腐蚀形貌分析，属于典型的CO₂腐蚀。因此，CO₂腐蚀成为制约徐深气田开发的主要问题之一。

1 气井CO₂腐蚀环境特点

1.1 气井井深，地层温度高、压力高，有利于CO₂腐蚀的发生

徐深气田气井较深，最深深度近4500m；地层温度高，温度梯度为4.0℃/100m左右，实测最高温度为169℃。这种井况条件下，有利于CO₂腐蚀的发生，其原因是：①温度是CO₂腐蚀的一个重要影响因素，尤其在60～100℃的中温区，由于腐蚀产物膜FeCO₃是粗松的结晶体，因而会出现严重的局部腐蚀。而徐深气田气井温度为67～136℃(勘探井最高达到169℃)，包含了严重腐蚀的温度区域。②由于井深，地层压力较高，生产井井口压力多在20MPa以上，即使CO₂体积分数只有1%，其CO₂分压也大于严重腐蚀界限的0.2MPa。③目前生产井的产出水多为凝析水，不含凝析油等有助于防腐的成分且产水量不大，在管壁上易形成坑蚀等局部腐蚀。

1.2 不同井区CO₂体积分数变化较大，单井CO₂体积分数呈动态变化

通过统计徐深气田天然气中CO₂含量，发现火山岩储层天然气中的C0₂含量在不同井区变化较大，如徐深1井区C0₂体积分数为0.33%～3.92%，徐深8井区CO₂体积分数为14.60%～24.55%。与此同时，随着开发时间的延长，个别井CO₂含量变化逐年增加，例如，对升深2井CO₂含量取样分析，发现CO₂体积分数从0.6%升到5.5%，导致CO₂分压增高到1.3MPa。

2 CO₂防腐工艺研究

目前，在C0₂腐蚀环境下，国内外应用较成功的防腐技术主要有5类(见表1)。不同防腐技术的防腐效果、成本、作业的难易程度和相关风险都有所不同^[1～6]。通过对各种防腐技术在徐深气田深层气井的适用性分析，发现13Cr管材和缓蚀剂防腐技术可满足徐深气田的防腐需要，因此将上述两种方案作为备选技术方案，开展了管材优选和缓蚀剂优选室内研究，并选择了与之配套的完井管柱及合理的产能制度。

表1 防腐技术在徐深气田深层气井的适用性分析表

防腐技术	优点	缺点	适用性分析
耐蚀合金钢管材	简化了缓蚀剂的繁杂添加工艺基本不需要腐蚀监测在整个生产过程中很可靠且稳定	一次性投入很大与碳钢管连接时存在电偶腐蚀现象	适合在苛刻的腐蚀环境下使用
缓蚀剂	可以用于油套管静态环境和油管内腐蚀环境向腐蚀介质中添加少量的缓蚀剂就能使金属腐蚀速率显著降低初期投资少	防止套管外腐蚀效果不好工艺较复杂，对生产影响较大	适合在腐蚀不苛刻，且产能较低的气井使用
涂层	具有良好的耐腐蚀性	成本较高。接头处保护不完善。不耐磕碰	由于不耐磕碰，涂层脱落处腐蚀加速，不宜使用
渗氮技术	管道内外表面形成一层厚的十几微米的氮化层和扩散层对腐蚀介质的侵蚀有很好的防护作用	渗氮层韧性较差，不合适在大应力条件下使用在H₂S环境中可能会产生微裂纹	由于深层气井管柱处于大应力环境，其产生的裂纹处易加速腐蚀，不宜使用
双层复合管(玻璃钢内衬等)	具有优异的耐腐蚀性	有温度使用范围需特殊的接头连接	玻璃钢不适应深层气井的高温条件，不宜使用

2.1 实验条件的确定

根据徐深气田4口气井(徐深1-1、徐深1、徐深5、徐深6井)的水质特征，配制了实验溶液。通过实验发现：随着温度的升高，CO₂腐蚀速度增加，当达到80℃时，腐蚀速度达最大值；超过80℃后，可能形成的腐蚀产物更加致密，从而导致腐蚀速度逐渐减小；到160℃后，腐蚀速度更小(见图1)。根据上述实验结果，制定了徐深气田徐家围子区块腐蚀环境参数实验条件：温度80℃，CO₂分压2.0MPa。实验采用了美国Cortest公司生产的动态高压釜，流速2.5m/s，经过24h、48h和96h动态实验，利用失重法计算试片腐蚀速率。

2.2 抗CO₂腐蚀的管材优选

采用配制的实验溶液和制定的实验条件，对N80、J55、P110、13Cr 4种材质进行耐蚀性评价，实验结果见图2、3，可得出如下管材防腐性能结论：

1) 在苛刻的实验条件下，碳钢(N80、J55、P110)的腐蚀速度很大。N80试片表面有腐蚀，腐蚀比较均匀，而J55、P110试片表面严重腐蚀，有明显蚀坑。

2) 通过实验后试件分析，13Cr含有Cr元素，耐蚀性较碳钢材质好，实验后试片光亮，没用点蚀现象发生。

3) 从4种材质的初步评价结果来看，耐蚀性顺序为：13Cr＞N80＞P110＞J55，优选推荐采用13Cr管材。

2.3 缓蚀剂的优选

在同样实验条件下进行缓蚀剂优选实验。分别选取了4家科研单位研制的4种缓蚀剂，为了改善性能，首先对4种缓蚀剂进行复配改性，形成4种新型缓蚀剂，代号分别为1、2、3、4。然后分别对4种缓蚀剂进行缓蚀效率评价，结果见表2。实验时缓蚀剂浓度为100mg/L，时间为24h，实验温度为80℃，实验所用管材均为现场用普通N80管材。

表2 缓蚀剂优选评价结果表

缓蚀剂编号	实验温度：80℃		经170℃老化处理后
缓蚀剂编号	腐蚀速度(mm/s)	缓蚀率(%)	腐蚀速度(mm/s)	缓蚀率(%)
1	0.384	91.7	缓蚀剂分层，有恶臭，未进行实验
2	0.524	88.7	0.429	90.7
3	0.107	97.7	0.0671	98.6
4	0.176	96.2	0.0843	98.2
空白			缓蚀速度为4.621mm/a

分析实验结果，认为3、4号缓蚀剂表现出很好的缓蚀性能，其缓蚀率达96%以上。为满足徐深气田井底高温条件，对缓蚀剂进行耐温老化实验(温度170℃，时间为24h)，实验结果表明：除1号缓蚀剂外，其他几种外观均未明显变化；经过170℃老化处理，缓蚀剂的缓蚀率有所上升，原因可能是加热后溶剂挥发后，缓蚀剂中的有效浓度提高所致。

对比实验照片可知，未加缓蚀剂的N80试片腐蚀后有明显的沟槽腐蚀，这是CO₂腐蚀的典型特征，而加入缓蚀剂后，试片表面光亮，基本看不出腐蚀。

2.4 完井工艺管柱优选

优选出13Cr管材和缓蚀剂后，根据徐深气田气井的生产特点，对防腐完井管柱进行了优选设计：

1) 对于预期产气量高、腐蚀条件苛刻、生产周期长的高温高压气井，采用生产封隔器+不锈钢油管插入的方式完井(图4)，生产完井管柱组成：油管+坐落接头+油管+生产封隔器+油管+滑套+伸缩短节+油管+油管挂+井口装置。其管柱功能如下：在高压、高温生产条件下，保证管柱气密封；可满足生产过程中压井、测试、泡排工艺的需要；保证多年不动管柱，气井能长期安全生产；保护套管不受CO₂气体腐蚀。

考虑CO₂腐蚀影响因素，对井下工具的材质及型号进行了优选，钢材选用P110级13Cr不锈钢，胶筒采用Aflas材料，以满足耐温170℃，耐压50MPa的生产要求。同时在管柱设计中针对不同材质相接产生的电偶腐蚀问题，采取环空加入缓蚀剂，控制电偶腐蚀速率。

2) 对预期产量较低、腐蚀条件不苛刻、预期使用年限较短的井，则综合考虑成本，采用国外常用的毛细管注入缓蚀剂(图5)或国内的光油管注入缓蚀剂的方式进行防腐，地面采用泵注方法，根据现场监测结果，确定缓蚀剂最佳加入浓度和加入周期等参数。

2.5 合理产能制订

在气田开发初期，制订合理产能，对生产过程中的防腐具有重要意义^[7～9]。根据开发配产的需要，选择油管尺寸，使管内天然气流速控制在合理范围内，既能避免对腐蚀产物膜产生冲蚀，保护管壁不受CO₂进一步腐蚀，同时也能满足排水采气的需要，保证气井正常生产。通过对徐深气田徐深1井的产能初步预测分析，选择不同尺寸油管，其冲蚀流量和卸载流量也不相同。以井底流压20MPa为例，油管内径为50.9mm时，合理的产能范围应确定在4.60×10⁴～26.9×10⁴m³/d之间；油管内径为62mm时，合理的产能范围应确定在6.0×10⁴～31.0×10⁴m³/d之间。

3 结论与认识

1) 徐深气田气井具有井深、温度高、不同井区CO₂含量变化较大等特点，气井CO₂腐蚀较为复杂，为CO₂防腐工艺的制订提出了新的要求。

2) 针对徐深气田的腐蚀环境，进行了4种管材、4种缓蚀剂评价优选，并设计出了3种完井管柱，建立了合理的产能制度，形成了徐深气田的防腐方案。

3) 为考察防腐方案的使用效果，需加强腐蚀监测技术的研究与应用。定期分析气井流体组分变化，观察CO₂含量变化趋势；将井口腐蚀监测结果与井下腐蚀监测结果相结合，为防腐方案的制订提供准确参数。

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(本文作者：艾兴波中国石油大庆油田有限责任公司开发部)