杨 雪 峰

（长江大学地科院石油地质，湖北 荆州 434023 ）

注空气辅助蒸汽吞吐油套管安全性研究与应用

杨 雪 峰

（长江大学地科院石油地质，湖北 荆州 434023 ）

注空气辅助蒸汽吞吐是一种有效的采收率技术，同时与注氮气、CO2相比是一种气源来源广泛又较为经济的驱油技术。在辽河油田大规模的现场应用中取得了较为理想的经济效益。同时，空气的腐蚀作用也不容忽视。通过介绍空气及其产物的腐蚀机理，给出具体实施过程中的防范措施。

空气； 腐蚀； CO2； 钢铁； 防范措施

稠油注空气辅助蒸汽吞吐采油技术应用于稠油、超稠油中后期开发补充地层能量，具有明显改善开发效果和较高的经济效益。但是开发过程中常出现注空气管柱在注空气或蒸汽过程中出现井内管柱脱落及严重变形等现象。而周围生产井出现抽油泵及抽油管柱腐蚀断脱现象，从而影响了原油的正常生产，不利于本项技术的推广与应用。造成此现象的主要因素是CO2、氧气、油藏的pH值等。因此有必要对其腐蚀机理及其防护措施进行研究。

1 原油反应特性试验

曙光油田稠油为研究对象，通过高温高压反应釜静态模拟实验，研究了注空气低温氧化过程中的氧含量及其它气体产物的变化情况。不同温度和压力下空气与稠油静态反应3 d后产出气体的组成见表1。

表1 不同温度和压力下稠油与空气反应3天后产出气体的组成Table 1 Composition of gas from reaction of heavy oil with air for 3 days under different temperature and pressure

试验发现：曙光油田稠油低温氧化反应[1]的温度低于300 ℃，峰值温度为250 ℃；反应气体产物主要是余O2、CO2和CO，并有少量烃气、SO2和H2S生成，余氧浓度一般低于4%。

2 腐蚀机理

2.1 O2腐蚀机理

影响注空气腐蚀的有注入空气压力、流速及其温度等主要因素[2]由表2可见,注入空气参数对N80挂片腐蚀速率有较显著影响。促进腐蚀作用有空气注入流速和压力, 在常压状态下，当空气流速由0突增为1.5 L/min时,腐蚀速率则从0.021 mm/a猛增到1.000 mm/a,增加了46.6倍。当空气注入压力由常压增到5.0 MPa时,腐蚀速率则从0.021 mm/a激增至1.840 mm/a, 每年增加了1.819 mm。当空气温度为50℃时，压力变化对试验材料的腐蚀速率影响不显著；当温度和压力同时增加, 腐蚀速率略有增加,氧在腐蚀介质中的扩散速率加快与氧分压的增大有关。

表2 空气注入对N80挂片腐蚀速率的影响Table 2 Effect of air injection on corrosion rate of N80 coupon

2.1.1 空气湿度对腐蚀的影响

水蒸汽在空气中的含量，对钢材的腐蚀影响较大。由图1可见, N80挂片随空气中水含量增加，腐蚀速度同时也在加快；当含水量超过50 mL后的腐蚀速率由弧线转为直线上升；当空气中水含量达到饱和后，腐蚀速率达到最大为0.173 m/a, 比在干燥空气环境中的腐蚀速率 0.003 mm/a 增大 0.170 mm/a。

图1 湿度对腐蚀的影响Fig.1 The influence of humidity on corrosion

2.2 CO2腐蚀机理

钢铁在CO2水溶液中的腐蚀总反应[3]可表示为∶

CO2+H20+Fe ⇄ FeCO3+H2

据有关试验表明,二氧化碳腐蚀通常表现为沉积物底部的局部腐蚀和全面腐蚀两者共存。结垢物CaCO3及腐蚀产物 FeCO3或在钢铁表面不同区域有不同的生成物膜且覆盖度不同,在不同覆盖度的区域之间形成具有很强自催化特性的腐蚀电偶, 自催化腐蚀电偶作用导致CO2的局部腐蚀。

2.2.1 二氧化碳腐蚀的影响因素

（1）二氧化碳腐蚀的受影响的一个十分重要影响因素是温度,依据CO2产生腐蚀机理将其温度区间[4]分为三个∶

当温度小于60 ℃时，由于产物是不致密腐蚀膜,所以随温度的增加腐蚀速率而增大。中温区为100 ℃上下的,由于产生粗松的 FeCO3结晶膜,所以使导致更加严重局部腐蚀,腐蚀速率达到该条件下的极大值。当温度高于150 ℃为高温区,由于产生了细致紧密且附着力强的的 FeCO3和 Fe3O4膜,从而弱化了腐蚀的进行,腐蚀速率大大降低。

（2）二氧化碳分压的影响

二氧化碳分压是影响 CO2腐蚀的一个主要参数。据有关试验表明PCO2＞ 0.2 MPa腐蚀环境 为二氧化碳。稠油和超稠油生产过程中温度均在100 ℃及以上范围内因此本文只考虑中高温度的CO2腐蚀情况。当处在在中温区域时, 腐蚀速度的加快是二氧化碳分压的增大导致的结果,这是因为虽然此时膜形成,但是因为此时膜质地厚而松疏,没有防护性。据有关试验表明在高温区域,∶当PCO2= 3. 0 MPa时的腐蚀速率要比PCO2= 0. 1 MPa时的腐蚀速率慢很多,这是由于FeCO3保护膜的形成，在高的二氧化碳分压下最为有利。

（3）氧气的影响

据有关试验表明, 在二氧化碳和氧气的共同存条件下，会加快氧化腐蚀速度，不利于原油正常生产，使生产成本有所提高，增加了作业频率。在二氧化碳腐蚀过程中，氧气起到很大的催化作用。当保护膜未在钢铁表面形成时, 腐蚀速度随 O2的含量增加而加速,当保护膜在钢铁表面已生成时, 腐蚀速度与氧气的含量多少关系不大,几乎起不到什么作用。而在氧的饱和溶液中，CO2主要起催化作用会使腐蚀速率大大提高。

2.3 空气与原油反应对原油酸值影响

稠油经氧化后, 从反应后尾气组成成份来看,尾气中氧含量降低,稠油氧化后，氧在尾气中含量最低, 可见稠油与氧气的反应是吸氧反应, 稠油被氧化为相应的醇、醛、酮及其羧酸衍生物, 消耗了空气中的O2,使稠油的酸值增加。如下表所示随着反应时间的延长及反应温度的长升提高原油的酸值提高了（如表3所示）。

表3 注入时间和温度对酸值的影响Table 3 The effect of the injection temperature and time on the acid value

3 防范措施

3.1 设计阶段

在选择措施井时候对井下油藏连通情况进行初步了解，对容易发生气窜的油井，作出告知或者避开易窜油井。如果避不开就要对其中的容易气窜的油井作为重点井进行监控，并采取必要发防护措施。

3.2 注空气本井

（1）通过优化设计使注空气对注气管柱影响最小；注空气井在注入阶段采用射流携液器将金属催化剂及缓蚀剂注入到油层中，解决了由于相渗差异导致空气去向与催化剂、缓蚀剂去向不完全一致、催化剂利用率低、缓蚀效果差等难题，影响空气调剖效果；同时在金属催化剂或缓蚀剂中加入助剂使之原油中的醇、醛、酮及其羧酸衍生物反应生成表面活性剂，对原油起到一定的降粘作用，以降低原油的酸值，减少其对油藏中管柱的腐蚀。

（2）在空气雨季湿度较大的时，对空气采取除温措施以减少注气过程中对注气管柱的腐蚀；

（3）对部分周围监测井中氧气及二氧化碳超标的井采用加缓蚀剂（咪哇琳衍生物与硫脉复合剂）的方法，由套管阀门注入，在井底经抽油泵将混合均匀带有缓蚀剂原油从抽油泵返出，使其在油管的内外壁及套管内壁均匀分布，使其在钢材表面形成保护膜，可以使井下管柱与井下腐蚀介质之间相互隔绝不接触；

（4）在注空气辅助吞吐区域打新井时，新井套管采用耐腐蚀、耐高温氧化性能胜于 13Cr不锈钢、远远高于N80的镍基合金复合电镀特种油管（性价比相对较高）。

3.3 周围临井

为了保证注空气措施的安全实施，在以注空气井为中心，以100 m井距为半径划圆，100 m内的为一线井，100到200 m的为二线井，200到300 m的为三线井进行套管气含氧量监测，以防止氧气含量超标发生井筒爆炸。通过对周围一、二、三线井的套管气氧气含量监测，监测结果显示在普通过稠油区块其含量在 0.00%～0.33%之间，套压在0.00～0.000 1 MPa之间，此值均在安全范围内。为了保证生产正常进行，现场采用了套管气在线自动监测系统，对出现超过警戒值油井采取措施。在油套环形空间加入缓蚀剂，以减轻其对油套管及深井泵的影响。

3.4 注空气井生产阶段

注蒸汽后焖井放喷时，监测从油井放出流体中的O2及CO2含量，当O2含量超过3%时控制放喷速度，以防止放喷过程中由于放喷速度过大而引起油井出砂，而引起砂子与油套管壁碰撞产生火花进而引起井筒爆炸，当氧气含量降到安全值时方可下泵（采用耐腐蚀性能较高的深井泵）生产，当 O2及CO2含量较高时采用从油套环形空间注入缓蚀剂，以减轻泵的不良因素对泵的影响；

4 结 论

注空气辅助蒸汽吞吐通过大规模工业现场试验在采取采取一定的技术措施，可以减少其对管柱的不良影响，能够在注空气保证油管、套管、深井泵的安全。

［1］张守军. 超稠油注空气强化采油实验研究及现场应用以曙光油田杜 80 块为例[J].特种油气藏,2012，19（5）：143.

［2］艾俊哲,贾红霞,舒福昌,梅平. 油气田二氧化碳腐蚀及防护技术[J].湖北化工,2002(3)：3.

［3］李廷取, 吴化, 李雪松. 天然气输气管线钢的CO2腐蚀行为[J]. 腐蚀与防护,2008(5)∶262.

［4］万里平,等. 油气田开发中的二氧化碳腐蚀及影响因素[J]. 全面腐蚀控制,2003(4)∶15.

Research on the Safety of Casing in Steam-assisted Air Stimulation

YANG Xue-feng
(Institute of Petroleum Geology, Yangtze University, Hubei Jinzhou 434023, China)

Steam-assisted stimulation is an effective technique to enhance oil recovery, and compared with the nitrogen injection and CO2injection, air injection is a kind of economical flooding technology. The steam-assisted stimulation has obtained ideal economic benefit in large-scale industrial application of Liaohe oilfield. At the same time, corrosive problems of air cannot be ignored. In this paper, the mechanism and corrosion products of the air were introduced; specific prevention measures were put forward.

Air; Corrosion; CO2; Iron and steel; Preventive measures

TE 357

A

1671-0460（2015）08-2179-03

2015-05-04

杨雪峰（1994-），男，辽宁盘锦人。E-mail：yangxuefeng@126.com。