石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (1): 63-66
气井井下挂片腐蚀监测工艺研究及应用
陈家晓 1,2, 崔晓燕 3, 陈智 1,2, 钟晓瑜 1,2, 彭杨 1,2, 蒋密 1,2     
1. 中国石油西南油气田公司采气工程研究院;
2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心;
3. 中国石油西南油气田公司重庆气矿
收稿日期：2014-05-04
基金项目：西南油气田公司2012年科研计划项目“高含硫气井井下防腐、腐蚀监测技术研究”(20120305-02-01)
作者简介：陈家晓(1979-)，广西北海人，2007年毕业于西南石油大学，硕士。现在中国石油西南油气田公司采气工程研究院主要从事油气藏开发及排水采气工艺的研究工作。E-mail:c_jx@petrochina.com.cn.
摘要：随着越来越多酸性气藏的开采，井下防腐及腐蚀监测日益重要。传统的井下挂片腐蚀监测是将腐蚀挂片安装在固定式油管短节内，挂片必须随油管一并入井和起出，监测深度固定，井下挂片腐蚀监测以及结果分析受限于修井作业时机。针对传统井下腐蚀监测缺点以及目前现场腐蚀监测需求，通过技术攻关研究，自主研发出一种用于气井井下腐蚀监测的工具。室内评价及现场试验表明, 该工具性能可靠，实施方便，能更真实更直观地评价井下腐蚀状态，实用范围广，具有腐蚀监测深度调节方便、试片数量和类型可调等优点。现场成功应用为气井井下防腐以及选择合理的修井作业时机提供直接依据，大大降低了气井井下腐蚀监测成本，减少了大修作业，对气井安全生产也具有重要的意义。
关键词：腐蚀监测    钢丝作业    投捞    冲蚀    流态    节流效应    室内试验    现场应用    
Research and application of downhole coupon corrosion monitoring technology in gas well
Chen Jiaxiao1,2 , Cui Xiaoyan3 , Chen Zhi1,2 , Zhong Xiaoyu1,2 , Peng Yang1,2 , Jiang Mi1,2     
1. Gas Production Engineering Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Guanghan 618300, China;
2. National Energy R & D Center of High Sulfur Gas Exploitation, Guanghan 618300, China;
3. Chongqing Gas District, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chongqing 404100, China
Abstract: As more and more mining of acidic gas reservoir, downhole corrosion prevention and corrosion monitoring are increasingly important. The traditional downhole coupon corrosion monitoring is to hang a piece of coupon installed inside a stationary tubing nipple, but the coupon must be into and up with the tubing in the well. Because the monitoring depth is fixed, the result and analysis of downhole coupon corrosion monitoring are limited by the workover job opportunity. Aiming at the faults of conventional downhole corrosion monitoring as well as the demand of current locale monitoring, a tool for gas well downhole corrosion monitoring was researched and developed independently. The result of indoor evaluation and field test indicated that the tool has the advantages of reliable performance and convenient implement, more real and intuitive evaluation of downhole corrosion, a wide practical range, as well as convenient adjustment for the depth of corrosion monitoring, adjustable number and type, etc. The successful application provides a direct basis for the downhole corrosion inhibition of gas wells and selecting reasonable workover job opportunity, greatly reduces the cost of downhole corrosion monitoring of gas well and overhaul operations, which has an important meaning for gas well safety production.
Key Words: corrosion monitoring    wireline operation    throwout    erosion    flow regime    throttling effect    laboratory experiment    field application    

1 面临的挑战

四川气田的开发一直存在着腐蚀与防护的问题，在20多个含硫气藏中，70%以上的气井是含硫气井，w(H2S)最高为18%，还有部分气井含较高CO2，最高为10%(w)。其中, 川中磨溪气田雷一1气藏、川东石炭系气田、川西北须二气田、威远气田以及川东北罗家寨高含硫气田等，其腐蚀问题较为突出[1]，即将投产的安岳气田磨溪地区龙王庙气藏也存在腐蚀问题。目前，从腐蚀类型来看，既有CO2腐蚀、SO2腐蚀、H2S腐蚀等，又有几种腐蚀类型同时并存的情况。从腐蚀程度来看，有的轻微，有的严重，但不同的区块腐蚀程度不同(表 1)。腐蚀会严重影响气井的正常开发和生产，给修井作业带来极大的困难，甚至可能造成环境污染等影响。

表 1    四川气田部分区块腐蚀程度统计表 Table 1    Corrosion degree statistics of part areas in Sichuan gas field

2 井下挂片腐蚀监测关键技术

现有的气井井下管柱腐蚀监测技术中，腐蚀条件多为实验模拟，误差较大，在线腐蚀监测技术多用于管线等地面设备[2-3]。自主研发的气井井下挂片腐蚀监测工艺技术改变了传统监测方式，能更真实更直观地评价井下腐蚀状态，缩减腐蚀监测成本。采用钢丝作业将工具下到井下，监测腐蚀情况，不需修井起下管柱，具有腐蚀监测深度调节方便、试片数量和类型可调等特点。工艺实施上，下入挂片腐蚀监测工具关键点：一是不能影响气井正常生产，二是不能改变流体原有的流动状态。因此，工具结构设计考虑了产量、冲蚀、流体流态等影响因素，下入该腐蚀监测工具能够较为真实地监测井下油管腐蚀情况，钢丝投捞方便可靠。

2.1 工具研发
2.1.1 投捞可靠

挂片法用于井下油管的监测时，必须选择合适悬挂方式，确保投捞的可靠性。该工艺采用钢丝作业方式座放在井下油管内监测井下腐蚀情况，经过一个腐蚀监测周期后，采用钢丝作业打捞出，对挂片腐蚀情况进行分析评价。井下油管腐蚀监测原理见图 1。

图 1     腐蚀监测工作原理示意图 Figure 1     Schematic diagram of corrosion monitoring principle

2.1.2 工具结构

腐蚀监测工具包括座放短节和挂片定位短节两部分，内径为24 mm，无变径。通常卡瓦硬度越高，防腐性能越差。通过大量室内实验，针对不同腐蚀环境优选出不同卡瓦材质，确保卡瓦硬度和防腐要求。为确保挂片能够真实反映气井腐蚀情况，挂片定位短节设计极为重要，让挂片充分暴露于井下流体中，挂片通过本体周面上均匀设有3个开窗，开窗的四边均为镶嵌用斜面，挂片与镶嵌用斜面接触部分均采用绝缘材料隔离，避免电偶腐蚀影响监测准确性[4]，外侧镶嵌采用试片保护套压紧方式，通过螺钉固定在本体上。同时，针对不同井况监测需要，方便更换或增加挂片的数量及类型。图 2为腐蚀监测工具装配效果图。

图 2     腐蚀监测工具装配效果图 Figure 2     Drawing of corrosion monitoring tool assembly

2.2 结构论证

井下节流气井由于节流工具的存在，会造成气井降压，改变流体原有的流动状态(压力、温度、流速等)。因此，下入腐蚀监测工具应避免对气井产生节流，避免改变气体流动状态。根据该井井况，采用两相流模型计算井筒流动状态。

2.2.1 产量影响

设计腐蚀监测工具内径为24 mm，假设某气井产量20×104 m3/d，通过计算，得到其压力、温度分布情况。由图 3和图 4可以看出，下入该腐蚀监测工具，工具上端与下端压力变化较小、温降较小，不会影响气井正常生产。

图 3     压力梯度分布 Figure 3     Pressure distribution gradient

图 4     温度梯度分布 Figure 4     Temperature gradient distribution

2.2.2 冲蚀影响

金属材料表面在腐蚀流体的冲刷作用下，会引起材料局部的金属腐蚀[5]。在发生这种腐蚀时，金属离子或腐蚀产物因受高速腐蚀流体冲刷而离开金属材料表面，使新鲜的金属表面与腐蚀流体直接接触，从而加速了腐蚀过程[6]。腐蚀监测工具内径为24 mm，为了排除流体冲蚀干扰的影响，较为真实地监测气井井下腐蚀情况，需计算腐蚀监测工具在不同压力下的抗冲蚀临界流量，结果见图 5。由图可知，腐蚀监测工具在所在位置流压高于20 MPa条件下，单井配产低于7.5×104 m3/d，不会出现气体冲蚀现象。即使在开采后期，工具在所在位置流压降低到1 MPa下，如果控制产量低于1.5×104 m3/d，也不会出现冲蚀现象。

图 5     气井冲蚀临界流量 Figure 5     Critical flow rate of gas well erosion

2.2.3 流态效益影响

(1) 下入腐蚀监测工具前。油管内径为62 mm，计算不同产气量下管柱内流态变化。在气液比5000，压力5 MPa下，计算得到雷诺数(Re)>2000，该流体流动状态为紊流状态(表 2)。

表 2    内径62 mm时流动参数 Table 2    Flow parameters of tubing with 62 mm inner diameter

(2) 下入腐蚀监测工具后。下入腐蚀监测工具(内径为24 mm)后，在该条件下经计算得到雷诺数(Re)>2000，该流体流动状态为紊流状态(表 3)。

表 3    内径24 mm时流动参数 Table 3    Flow parameters of tubing with 24 mm inner diameter

通过计算流体流动雷诺数表明，下入该工具不会改变流体流动状态，能够较为真实地监测井底腐蚀情况[7]。

3 现场应用

2013年9月，腐蚀监测工具现场试验在F6井成功应用，监测该井井下腐蚀情况，现场取得较好效果。

3.1 试验井简况

F6井产层井段4 903.5~4 953.0 m，中部井深4 923 m，该井ρ(H2S) 4.159 g/m3，ρ(CO2) 20.388 g/m3。目前，该井自喷生产，井口油压1.6 MPa，套压2.7 MPa，日产气3×104 m3，日产水1 m3。

3.2 现场试验及结果分析
3.2.1 现场试验

下入通井工具串，使用Φ59 mm通井规通井至1 550 m，期间无阻卡，通井合格后，下入腐蚀监测工具于1 493.5 m处座放成功，监测井下腐蚀情况，未影响气井产量。一个月后，完成该井井下活动式腐蚀监测工具打捞，于1 504 m处打捞工具，抓住腐蚀监测工具打捞颈，向上震击2次，顺利捞出腐蚀监测工具。检查腐蚀监测工具外观完好无损，取出挂片以待分析。

3.2.2 结果分析

(1) 分析依据。参考JB/T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》、GB/T 23258-2009 《钢质管道内腐蚀控制规范》(对应NACE SP0106-2006)、GB/T 18590-2001 《金属和合金的腐蚀点蚀评定方法》(对应ISO 11463)。

管道及容器内介质腐蚀评价指标见表 4。

表 4    管道及容器内介质腐蚀评价指标 Table 4    Medium corrosion evaluation index in pipeline and container

① 均匀腐蚀现场控制指标大于0.12 mm/a为较重腐蚀，应采取必要的控制措施。计算公式如式(1)。

$ R = \frac{{8.76 \times {{10}^7} \times \left( {M-{M_1}} \right)}}{{STD}} $ (1)

式中，R为腐蚀速率，mm/a；M为试验前的试样质量，g；M1为试验后的试样质量，g；S为试样的总面积，cm2；T为试验时间，h；D为材料的密度，kg/ m3。

② 点蚀：局部腐蚀远远较均匀腐蚀对油气井管道的危害大，现场如点蚀速率大于0.13 mm/a，应采取必要的控制措施。

(2) 现场试验结果。对试片进行处理分析，在该次一个月腐蚀监测周期内，试片腐蚀情况主要是均匀腐蚀，平均腐蚀速率为0.006 7 mm/a，分类属于低腐蚀。说明该油管材质在现有的防腐措施下，腐蚀速率低。结果见表 5。

表 5    F6井腐蚀挂片分析结果 Table 5    Corrosion coupon results of F6 well

4 结论与建议
4.1 结论

(1) 结合气井井下腐蚀监测技术的优点，并针对现有技术存在的问题，研发了一种活动式气井井下油管腐蚀监测工具。该工具性能可靠，满足川渝气井井下腐蚀监测要求，为气井井下腐蚀监测提供了一种新的监测手段。

(2) 腐蚀监测工具由座放短节和挂片定位短节组成，采用钢丝作业，可在井下油管内任意位置进行腐蚀监测，监测深度灵活可调。

(3) 改变传统监测方式，工具下入到井下监测腐蚀情况，能更真实更直观地评价井下腐蚀状态，实用范围广。

(4) 气井井下腐蚀监测工艺技术在F6井应用获得成功，验证了该工具在酸性气井中应用的可行性。腐蚀监测结果真实直观，工艺实施方便，不需修井动管柱，有较好的应用前景。

4.2 建议

(1) 逐步开展气井井下腐蚀监测工艺现场试验，完善监测工具性能，监测气井腐蚀情况。

(2) 推广气井井下腐蚀监测现场应用，满足川渝气田酸性气井腐蚀监测需求，确保气井安全生产。

参考文献
[1]
李鹭光, 黄黎明, 谷坛. 四川气田腐蚀特征及防腐措施[J]. 石油与天然气化工, 2007, 36(1): 46-54.
[2]
向敏, 李长俊. 腐蚀在线监测系统可靠性研究[J]. 西南石油大学学报, 2007, 29(3): 157-159.
[3]
刘志德, 唐永帆, 谷坛. 高酸性气田现场腐蚀试验研究[J]. 石油与天然气化工, 2008, 37(增刊): 73-80.
[4]
黎政权. 吉林油田含CO2气井腐蚀与防护技术研究[D]. 东北石油大学工程硕士论文: 37-40.
[5]
陈胜利, 兰志刚, 宋积文. 海洋石油平台的腐蚀监测技术[J]. 石油与天然气, 2010, 24(6): 22-25.
[6]
于涛, 徐建庆, 杨春. 在线腐蚀监测技术的应用[J]. 自动化工程, 2009(7): 54-56.
[7]
吕瑞典, 辞有祥. 油气田腐蚀监测技术综述[J]. 石油化工腐蚀与防护, 2009, 26(1): 4-6.
X