高温低腐蚀性盐水完井液.pdf

j 高 温 低 腐 蚀 性 盐 水 完 井 液 ， 丁 D a n i e l P V o l lme s 等著垫韭易明新译 V b f J 】D P 朱 德 一 校 在 墨西哥 湾 的四 口高温井完 井作 业 中成 功地应用 了一种新 型 的盐水 完井 液 。这种特 别的盐水 完井 液 由羧酸 钠盐类 配 制而 成 。它 是一种非 卤化物 盐 水 ，因此不 会发生 卤化物 盐 水 所 特 有 的 麻 点 腐 蚀 同 题 。 美 国 的 C h e v r o n采油 公 司在 Vi s t aKn o l l 气 田的一 些 井 中采用 这种盐水完井液实施 了完井作业。 盐水完井液 盐水完 井液 的选 择 应 当依 据 密度 、与地 层的配伍性 和腐蚀控制等情况而定。如果设 计适宜 的话 ，应用这 些 盐 水完 井液 可 以避免 地 层伤 害和降低 常 规加重 钻井液 所导 致 的渗 透率 伤害程度 。 关于在完井过 程 中钻 井液所 造 成 的储 层 伤害 问题 ，以往 已有 大量 文 献报道 。鉴 于 这 种情况 ，无 固相盐 水 作为 油 田的标 准完 井 液 已有 3 O年的历史 。然而在部分情况 下 ，绝大 部分 常用盐 水完井 液都 可 造成地 层 伤害 ，或 者 造成 井 内管材 的腐蚀 。 Ch e v r o n公 司所 属 的 Vi s t a Kn o l l气 田 面 J 临着要选 用 合适 盐水 完井 液的严 峻 挑 战。该 气田的储 层 为 白云岩 ，产 出的 天然 气古 0 0 8 ，储层 温度为 3 2 0 F。在 使用 新型的 盐 水完井液 之前 ，由于 考虑 到 采用标 准盐 水 完 井液会导致管材腐蚀的速度 ，数而使 用钻井 液充 当完井 液 盐水完井液的特性 为 了采用盐 水完井 液对 几 口气 井 进行 完 井作业 ，要求 避免采 用 昂贵 的高合 金不锈 钢 管材 ，因此研 制了新型的盐水完井液 。 在 Vi o s e a Kn o l l 气 田的气 井 内，下有 1 3 铬不锈 钢油管和 q m碳 钢套 管 。有 关文 献报 道 ，如果井下 存在氯 化物 ，不 锈钢 便 会 发生 应力开 裂。另 外在 3 2 0 下 高温 条 件 下 应控 制 管材在含有氯化 物或 溴化物的盐水 中的腐蚀 。 而且含有钙盐 的盐水 会在 03 2的作 业环 境 中 发 生沉 淀 ，形成碳酸 钙结 垢物。 应用羧酸 钠配制 而成且 最 大工 作 密度 达 到 8 5 7 p p g的新型 完井 液 满足 了上述 工 艺要 求。 图 l中将新 型盐 水 完井液 与常规 氯 化钠盐水 完井液在 9 5 p p g密度条件下 的粘 度 进行 了比较 。正如 所预 料 的那样 ，两 种 完井 液的粘 度均 随温度 升 高而 降低 。在所 有 温度 条件 下 新型 盐水 完井 液都 具有 较 高 的 粘 度 ， 另外其粘度差随着温 度升高也随之降低 新型盐水 完井 液 由于 只含单 价 盐 ，所 以 它与绝大 部分地 层都 能配 伍 其真 结 晶温 度 低也 使之 在 较低 温度条 件下 可应 用 ，并且 它 已经 通 过 了墨 西 哥 湾 的 L 毒 性 试 验 规 定 ( 超过 5 D 0 0 p m 便会危及糠虾类生命) 。 维普资讯 http:/ 国外钻井技术 第 】 4 馨2 9 年第 1 期 4 5 0 3 5 3 O 2 5 2 0 冀 l _ 5 I 0 0 5 5 o 7 5 加 。 l F 5 0 图 1 各 种盐 水完 井 液的粘 度 比较 在这种盐水 完 井液投 应 用 前的 试 验显 示 它对 白云岩储 层具 有增产处理 的能力。 腐 蚀 因为盐水 是 导 电介质 ，并且 会促 进 金属 管材腐蚀 ，所 以在应用盐水完井液时人们最 关注的问题 便 是油井 中管材 的腐蚀 。在绝 大 部分情况 下 ，通 过添加 防腐剂 便可很 容 易地 将腐蚀降低 到可以接受的程度。然而，随着 温度的提 高 ，防腐剂 常 常会 变 得无效 ，或 者 要求添加 更 高浓度 的 防腐剂 ，以求 达到 适宜 的防腐效果 。 通过对金 属管 材表 面进行 惰化 处 理 可 以 控制高温作 业 条件 下 的腐蚀 问题 ，这 也 不失 为一种可供选择的方案 。在对新型盐水完井 液进 行试验 的过程 中人 们 发现 存在 C X h 或 H2 S的作业环境 中这种盐水完井液会促使碳 钢和不锈 钢管 材表 面上形 成 一种情 化层 ，从 而起 到防腐 的作用 。 在存在 。 的作 业 环 境 中 ，I k e d a等 专 家 曾经 推荐在 低 于 1 4 0 。 F的 作业温 度条件 下 应用 2 c r 钢 ；在作 业 温 度 达 到 2 1 2 。 F时应 用 9 C r 钢 ；在 温度 高 达 3 0 2 。 F I 时使 用 1 3 c r 钢 。然而 ，绝 大部 分 常规 的盐水 完 井 液都 含 有 卤化物 ，正 是这 种 卤化物 才被 人 们认 为 是 造 成不 锈耐腐 蚀合 金钢发 生麻 点类 腐蚀 的祸 首。如前所述，新型的盐水完井液不含任何 形式的卤化物 ，可以大大地减轻不锈钢管材 上发 生麻 点腐 蚀或局部腐蚀 的潜在可能性 。 不含 C O2 的作业环境 中的腐蚀 依 据 As r M G 6 i标准而 实施 的一些快 速 电化学试验( 循 环动 电位 法) ，论证 了在 不含 C O2 的作业环 境 条件 下 的局 部腐 蚀 情 况。这 些试 验 可以加 速在 自然条 件 下点蚀 和局 部腐 蚀 的生成 过程 。 、 试 验过程是在断路 电位稳定在 0 0 0 I V3 0 秒之 后 ，开 始 以 低 于 断 路 电 位( E 一 ) 一 0 2 5 V的 电位进 行极化 处 理。 然后将 一种分 段 电位差施 加 在 1 3 Cr 钢 和 一个 铂 电极 之 间， 在此期 间测试 电流 。 就 陕速地 确 定腐蚀 结 果 而言 ，人 们更 加 喜欢采用 这 种方法 ，而不 大喜 欢采 用 耗 时较 长的普通 静态 失重 试验方 法 这是 因为点 蚀 的形成可 能会 耗 去几年 的时 间 。然 而 一 旦 点蚀 形成 ，油管便会在少许 几周内受到损坏 。 图 2 a和 2 b是 在 9 5 p p g Na CI 和 Na B r盐 水 中 1 3 Cr 钢在 3 0 o 下条件 下对局 部腐 蚀 的敏 感性 。E 被定义为发生麻点 腐蚀 的 电位 ，或 者是金 受 到 局部 腐蚀 伤 害 时的 电 位。E【 是 金 属停 止受 到局部腐 蚀 伤害和 免受 腐蚀伤 害 的电位 。 当 E 小于 E一 时 ( 图 2 a ) ，金属便会在 服役期 间受 到局 都 腐 蚀 伤 害 。 图 2 b示 出 了 9 5 p p g Na B r 盐水所表现 出的类似 结果。 在图 2 b中应 当注意 到 ，E 和 E 一 之 间 的差值 明 显地大于 N a C l 盐水溶液的差值 由于 E D 等 于 E 一( 图 2 b ) ，这就表明在 9 5 p p gNa B r 盐 水 中 1 3 Cr 钢 的局 部 腐 蚀程 度 要 大 于 9 5 p p g Na cl 盐水 。 在试验之 后 ，两 种试 样都 表 现 出 点蚀和 局部 腐 蚀 的迹 象 ，但 是 ，9 5 p p g Na Br盐 水 中的试验剩主要表现为局部腐蚀伤害。 维普资讯 http:/ 为了进 行这些 试 验 ，对 高压 釜 采用 氮气 进行 了增压处 理 ，并 且不 对液体 进 行脱 气处 理 或者用空气进行纯化处理 。 图2 c 采出了对新型盐水系统在卤化盐水 相同的条件下进行 的动 电位试验 情况 。 由于 9 5 口 p g N 5 0 0 p B i g ( B ) ； 9 5 l t b ri e 图 2在 3 0 0 F温 度条 件下 对 1 3 C r 铜 管材进 行的 循环 动 电位试验 E 小于 E p ，在这些条件下金属管材在服役 期间不应 当发生局部腐蚀 。 采用 T a l e I 外推法计算出的均匀腐蚀速 率为 8 0密 耳 年 ( mp y ) 。在 这 种 情 况 下 电 流在 0 9 V 时大的提高不会 导致点 蚀 的发生。 电流 的提高或许是 由于水的电解作用所致 。 图 2 d采 用 了新 型 盐 水 系 统 和 Na B r的 1 0 5 p p g混合 液 ( 采用 9 5 p p g新 型盐水 系统 溶液和 1 2 5 p p g Na B r 混合 配制 而成 )的循环 动电位试验情况 。采用 1 0 5 p p g Na B r 溶 液进 行试 验 得 出 的 曲 线 图 几 乎 同 采 用 9 5 p p g Na B r的相 同。 新 型盐 水系统的效应造成 1 3 Q 钢具备 了 更强的耐点 蚀和局 部腐 蚀能力 ，这 一点 通 过 E E 一 所表现出来。在金属管材使用期 间 是否会发 生局部 腐 蚀还是 一个 未知 数 可 能 会 需要进行 长时间的静态失重试验 。 对 C 4 l 3 0 钢曾经在 新型盐水 系 统 中进行 过 3 0 0 下温 度下的极 化试 验。采用 1 f e l 外 推法 计 算 出在 所有 的试验 温度下腐 蚀速 率都小 于 l O mp y 。普通 的静 态失 重试 验 证 实 了这 些试 验结果 ，这 些试验 还证实并未发生点蚀情况 。 含 O 0 2 作 业环境 中的腐蚀 以往 文献 中介绍 了有关 c oz腐蚀 的众多 实例 。然 而绝 大部分 文献都 只是研 究液 流 管 道中或 自喷生产 并 中的 c o2腐蚀 ，而对采用 盐水 系统作 为封隔 液条件 下的 c o2腐蚀 则没 m m m 仉 m n n 维普资讯 http:/ 国外钻井技术 第 l 4卷2 0 0 0年第 l 期 有 进行过研究 。 De wa a r d和 L o t z等专家 曾经研 究推出 了 经 验方程式 ，方 程 1用 于模拟 液 流管 道 中的 C O2 腐蚀 ，方程 2中包 括 了在腐 蚀 生 成过 程 中所 产生 的碳酸 铁垢 。这些 方程式 是 根据 失 重试验( 试 验采 用 0 1 Na C 1 ，在 带有 搅 拌 装置 的反应釜 中进 行)得 出的 ： lo g ( C R 3 9 4 )=5 ,8一万 十0 6 7 l o g ( P C O2 ) ( 1 ) lo g ( F ) =丽 一 0 6 1 l o g ( PC O= J ( 2 J 式 中：C R = 腐 蚀 速 率 ，mp y ；t= 温 度 ， 下 ；嗡=c o2 分压 如果 小 于 1 ，那 么 为 了获 取 实 际的 腐蚀 速率 ，可以 用方程 1中获取 的腐 蚀 速率 旨 舟 甚 篮 乘以 F 即 可。如果 F 大 于 或等 于 1 ，采 用方程 1即可获得实 际的腐蚀速率 图 3 a中描绘 出了在 ( =o， 分 压 为 7 5 0 p s i g 时采用这些 方程计算 出的 c o2腐蚀 的严 重 程 度 。方程 式 预测 在 1 0 0 下温 度条 件 下 最 大 的 腐蚀速率 为 1 0 8 0 mp y ，由于在 金 属材 料 的 表 面会生成结 垢效应 ( 惰化 效应 ) ，故而该腐蚀 速度会 随温 度的升高 而有 所降低 。 为 了计 算 出 C4 l 3 o 碳 钢 在 9 5 p p g Na C1 和 9 5 p p g新 型 盐 水 系 统 中的 腐 蚀 速 度 ，采 用 Ta f e 【 外 推法 绘 出 了相 应 的 座 标 曲 线 图( 图 3 a ) 这些试 验方法是 ，在 达到饱和之 前( 表 现为 p H 值在 1 5分钟 内处于稳 定 状态 )使 溶 液 中的 C O2气泡 化 然后施 加 5 0