东胜气田气井腐蚀软件模拟研究

陈 旭

(中石化华北油气分公司 石油工程技术研究院，河南 郑州 450006)

东胜气田位于内蒙古自治区伊克昭盟东胜市巴彦敖包乡附近，面积9 805 km2，资源量11 345亿m3，为中石化华北油气分公司天然气产量主力接替区，开发前景良好[1]。东胜气田气井普遍产水，液气比为2.45 m3/104m3；产出气中含有一定量CO2，其分压约为0.001～0.14 MPa。根据Cor和Marsh的研究成果(见表1)，气井具备发生CO2腐蚀的条件。

表1 CO2分压与腐蚀可能性关系表

作为严重影响气井生产的问题，气井腐蚀一直备受研究者关注。总体来讲，气井腐蚀研究主要有理论计算法、室内实验法及现场试验法三类，其中理论计算法仅停留在定性判断层面，而室内实验及现场试验法成本高、周期长，无法满足气田腐蚀研究需要[2](见表2)。随着计算机技术的日新月异，软件模拟法应运而生。它以理论计算法为基础，结合现场经验数据修正计算模型，可以进行定性与定量计算，避免了理论计算、室内实验与现场试验法的缺点，在油气井腐蚀分析方面得到越来越广泛的应用[3-7]。本文采用腐蚀模拟软件Corrosion Analyzer 对东胜气田气井腐蚀特征进行模拟计算，并结合现场试验结果，研究东胜气田腐蚀规律。

表2 气井腐蚀研究方法汇总

1 OLI腐蚀模拟软件Corrosion Analyzer简介

1.1 软件功能

Corrosion Analyzer 腐蚀分析系统是由美国OLI公司开发的预测、分析工业腐蚀问题的工具，可以对气井腐蚀可能性、腐蚀机理、影响腐蚀因素及不同条件下腐蚀速率进行模拟分析，从定性及定量两个层面对气井腐蚀问题进行描述，可有效指导气田腐蚀防护工作。

1.2 操作方法

进行腐蚀模拟前要输入三方面的基础数据，即流体性质参数、气井管柱结构参数和气井动态生产数据。流体性质参数包括气井产出气体各组分含量、气井产出水相各种离子浓度、水相pH值等信息；气井管柱结构参数包括气井油管管径、油套管材质等信息；气井动态生产数据包括气井日产气量、日产液量、流体速度、气井温度、流压等数据。根据以上数据，可对腐蚀体系热力学稳定性(即腐蚀可能性)、腐蚀反应机理、腐蚀影响因素及腐蚀速率进行模拟。

2 东胜气田产出流体性质分析

2.1 东胜气田产出气性质

在东胜气田投产井及试采井中选取5口气井作为分析样本，分别进行产出气、水性质分析，产出气组分见表3。

表3 东胜气田产出气组分

由表3数据可知，东胜气田天然气组分中甲烷含量较高(平均值92.66%)，为干气类型。乙烷以上组分含量较低，有少量氮气和二氧化碳，不含硫化氢。与腐蚀相关的二氧化碳气体在不同气井中含量不一，介于0.031%～1.02%之间，平均值为0.553%。根据表1数据，结合东胜气田气井压力可知，东胜气田部分气井有可能发生二氧化碳电化学腐蚀(见表4)。

表4 样本井CO2分压情况

1.2 东胜气田产出水性质

5口样本井产出水性质见表5。

表5 东胜气田产出水组分

由表5数据可知，东胜气田石盒子组矿化度较低，介于35 000～54 000 mg/L，含太原组合采气井矿化度较高，可达95 180 mg/L。理论上矿化度越高，越有助于腐蚀的发生。

3 腐蚀模拟预测结果及分析

3.1 腐蚀体系热力学稳定性预测

pH-电位图分析是腐蚀电化学中判定腐蚀体系热力学稳定性的有效方法。通过热力学及电化学相关计算，将图划分成不同的区域，分别为腐蚀区、钝化区、稳定区。根据腐蚀状态点的区域，从热力学稳定性方面定性判断气井腐蚀情况。图1为J11P4H井井底附近环境条件下pH-电位图，图中白色区域表示腐蚀区，绿色区域表示钝化区，灰色区域表示稳定区。J11P4H井腐蚀状态点(红色圆圈)位于腐蚀区，则理论上热力学不稳定，有较强的腐蚀倾向[8]。图2为锦86井井底附近环境条件下pH-电位图，腐蚀状态点位于绿色区域，则理论上热力学较稳定，有一定的腐蚀倾向。

用同样方法共分析5口井的热力学稳定性，结果见表6。2口井(锦58、锦86)处于钝化区，2口井(ES4、J11P4H)处于腐蚀区，1口井(锦26)处于腐蚀区与钝化区交界处。总体来讲，上述气井都有发生腐蚀的可能性。

表6 东胜气田气井腐蚀热力学稳定性软件模拟结果

3.2 腐蚀反应机理预测

可以通过Corrosion Analyzer计算得到极化曲线，极化曲线中在腐蚀状态点相交的两个半反应即为腐蚀反应机理[9]。

图3和图4分别为J11P4H井和锦58井的极化曲线。由图3可知，距离腐蚀状态点最近的两条半反应曲线分别为钢材失电子转化为金属离子，以及水生成氢气和氢氧根的反应，因此这两个反应主导气井腐蚀过程，J11P4H井腐蚀机理为高温下钢材析氢腐蚀。由图4可知，距离腐蚀状态点最近的两条半反应曲线分别为钢材失电子转化为金属离子，以及碳酸电离的反应，因此这两个反应主导气井腐蚀过程。锦58井腐蚀机理为高温下二氧化碳电化学腐蚀。

用同样的方法，共分析5口气井腐蚀机理，结果见表7。2口气井(J11P4H、锦26)为高温下钢材析氢腐蚀，3口气井为高温下二氧化碳电化学腐蚀(ES4、锦58、锦86)。就目前结果来看，东胜气田腐蚀机理为钢材析氢腐蚀及二氧化碳电化学腐蚀，模拟结果与理论判定结果一致。

表7 东胜气田气井腐蚀机理软件模拟结果

3.3 主要影响因素分析

气井腐蚀是一个复杂的过程，温度、压力、pH值、矿化度、气体流速等都会影响气井腐蚀程度[10]。但在正常稳定生产过程中，产出液特征及气体流速变化不大，而沿井筒温度及压力变化较大，因此温度、压力为气井腐蚀主要影响因素。

图5及图6分别为锦58井温度、压力对腐蚀速率影响关系图。由图中曲线可知，在东胜气田井筒温度、压力变化范围内，随着温度、压力的增加，气井腐蚀速率也呈增加趋势，但温度影响远大于压力影响。这是因为温度增加，腐蚀化学反应速率增加；压力增加，二氧化碳分压增加，二氧化碳电化学腐蚀加剧。

用同样的方法共分析5口样本气井温度、压力对腐蚀速率的影响，得到同样的结论。因此，在东胜气田温度、压力范围内，随深度增加，气井腐蚀速率变大。

3.4 腐蚀速率预测

以东胜气田5口井气、液测试数据为样本，结合气井管柱结构、生产数据，利用软件模拟计算了气井井底腐蚀速率，结果见表8。

表8 东胜气田腐蚀速率模拟结果

由结果可知，东胜气田气井腐蚀速率较低，井底附近井筒腐蚀速率介于0.001 48～0.003 69 mm/a之间，属于轻度腐蚀。

4 现场挂片试验结果及分析

气井井下挂片[11]是测定井筒腐蚀速率最直接、最准确的方法。结合现场生产情况，选取J11P4H井及锦11井进行现场挂片试验，为期三个月，相关设计参数见表9，试验结果见表10。

由试验前后挂片外观可知(见图7、图8)，试验前挂片颜色光亮，有金属光泽。

表9 现场挂片试验设计参数

表10 现场挂片试验结果

试验后挂片表面灰暗，均表现为均匀腐蚀，无点蚀情况存在。由表10中锦58井挂片试验数据可知，随着气井深度增加，即温度、压力增加，腐蚀速率不断增大，与软件模拟结果一致。J11P4H井、锦58井现场挂片腐蚀速率分别为0.017 911 mm/a、0.001 519 5 mm/a，软件模拟结果分别为0.001 63 mm/a、0.003 56 mm/a，对比可知OLI软件模拟结果与实际存在一定偏差，但由于东胜气田腐蚀速率较小，腐蚀速率模拟结果仍可作为参考。

5 结论与建议

1)软件模拟结果表明，东胜气田气井存在腐蚀可能，腐蚀机理为高温下钢材析氢腐蚀及二氧化碳电化学腐蚀，与理论分析结果一致；

2)随着气井深度增加，软件模拟得到的气井腐蚀速率增大，与现场挂片试验结果一致；

3)软件模拟得到的气井腐蚀速率与现场挂片存在一定偏差，但结果仍可作为参考；

4)建议对现场挂片腐蚀产物进行分析，明确腐蚀机理，进一步验证模拟软件的准确性，并根据气井不同腐蚀机理，优选不同类型的缓蚀剂进行气井腐蚀防护；

5)建议利用现场挂片试验数据，对模拟得到的腐蚀速率进行修正，提高软件定量模拟计算的准确性。