考虑环空压力的生产套管CO2腐蚀速率预测

刘和兴，刘金铭，孟文波，张智，李炎军，梁继文

（1.中海油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；2.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500）

海洋油气的开采在油气资源勘探开发中占很大比重[1]，其开采管柱的腐蚀严重程度要远远大于陆地环境，而且海洋油气开采设备的腐蚀损失远比陆地要大[2-3]。其中，CO2腐蚀发生比较普遍。CO2腐蚀会破坏井身结构的完整性[4]，再加上生产过程中可能由于热膨胀、泄露等造成环空带压，二者叠加严重威胁井筒安全，甚至可能造成停产[5]。因此有必要评价考虑环空带压作用下海上碳钢套管的腐蚀安全性。

冯蓓等[6]综述了二氧化碳腐蚀的机理，系统地介绍了影响二氧化碳腐蚀的因素诸如环境因素与材料因素。王军等[7]分析了油气田开发过程中溶解气体腐蚀，溶解盐腐蚀和温度、pH 及流速等因素对油套管腐蚀的影响。康阿利[8]研究认为，套管腐蚀的主要原因是水质中的高矿化度，溶有的二氧化碳，游离氧和硫化氢等。陈长风等[9]针对中国近海油气田生产设备CO2腐蚀的现场条件，建立了单相水介质条件下的CO2均匀腐蚀速率预测模型，重点考虑了离子的传质过程。针对套管的腐蚀，大多数学者都是通过考虑不同的腐蚀影响因素，研究腐蚀机理和规律，结合实验结果确定腐蚀速率的大小，进而判断各因素的影响程度，腐蚀机理的研究一直在不断完善。然而，仅有少数学者对腐蚀进行预测时考虑了环空压力。张智等[10-11]计算环空带压井的剩余强度考虑了腐蚀的因素，结果表明，腐蚀后，碳钢套管存在安全风险。闫伟等[12]建立了考虑腐蚀和力学因素的管柱强度衰减模型。还有学者利用时间与腐蚀速率的函数关系，优化了腐蚀速率计算方法[13]，为油套管选材提供了一定的指导。海洋环境下套管的腐蚀问题一直是比较热点的研究课题之一，但是相关研究缺乏系统性，且针对的点和考虑的因素各不相同，同时对考虑了环空压力的腐蚀研究较少。

文中针对南海高温高压含CO2油气井，考虑了环空压力的腐蚀进行了比较系统的研究，综合阐述了海洋环境钢材腐蚀发生的机理。通过相关CO2腐蚀速率预测模型的对比，选取了适合现场的基础模型，并从CO2溶解的角度优化了现有腐蚀速率预测模型，模拟计算了不同环空压力、产量变化下的套管腐蚀速率变化规律，并与腐蚀实验结果进行了对比。模型结果与实验结果较为符合，可为现场CO2腐蚀速率预测提供一定的参考。

1 腐蚀机理及腐蚀预测

1.1 机理分析

套管损坏的主要原因之一是腐蚀，而且往往会在井身大面积区域发生[14-15]。对于生产套管，在隔水管没有泄露的情况下，腐蚀的发生主要取决于产出流体的情况，包括一些腐蚀介质如CO2、H2S、O2等。正常生产过程中几乎不会掺杂氧气，所以不考虑氧腐蚀的情况。南海高温高压含CO2气井环空带压现象比较普遍[16]，而套管腐蚀不可避免地会使强度降低[17]，再加上生产过程中温度、压力等的变化，使套管更容易发生损坏，就很可能导致套管安全性不满足生产需要。

套管金属主要含Fe 原子，在腐蚀过程中失去电子与介质发生反应。一般来说，含缺陷套管腐蚀更为严重。硫元素、CO2、H2S、盐类离子、溶解氧等都属于腐蚀介质，海水中矿化度高，即含盐量高，盐离子长期与套管外表面接触更易腐蚀管体[18]。对于CO2腐蚀，其被公认的腐蚀机理为[19]：

温度、压力、CO2含量、pH、水的组分、流速等因素都会影响腐蚀的严重程度，其中CO2分压是主控因素。对于高温高压井，生产过程中温度的变化较大，对CO2在水中的溶解度存在影响。另一方面，随着产量、温度的变化，油套环空的压力也会产生相应变化。多种影响因素叠加，加剧腐蚀的程度。

1.2 腐蚀预测方法

CO2腐蚀预测模型主要包括三类：经验模型、半经验模型、机理模型。这里主要讨论应用比较广泛的经验模型和半经验模型。根据挪威能源研究所得到的2400 多组实验数据而建立的CO2腐蚀速度经验预测模型考虑了温度、腐蚀产物膜、CO2逸度、pH 和管壁剪切力对CO2腐蚀速度的影响，适用范围：温度为20~150℃、pH 为3.5~6.5。该模型中一些参数在实际生产中较难获取，考虑腐蚀产物膜的保护作用，其腐蚀速度表达式为[20]：

式中：vcorr为腐蚀速度，mm/a；Kt为与温度相关的常数，无量纲；S为管壁切应力，Pa；2COf为CO2的逸度，bar；f(pH)t为溶液的pH 对腐蚀速度的影响因子，无量纲。

DeWaard 95 模型主要考虑了温度和CO2分压两种影响因素对腐蚀的影响，预测结果相对保守，但在现场应用方面更具操作性，相对来说比较简单，被广泛应用于现场腐蚀速率预测。DW-95 模型分为腐蚀反应动力学过程和传质过程两部分。

在发生腐蚀的过程中，可能会有腐蚀产物膜形成，模型中没有考虑其影响。因此，随着井筒温度压力的升高，腐蚀产物膜形成之后，预测的结果与实际腐蚀速率有较大偏差，主要原因是该模型中CO2含量主要通过CO2分压进行表征，导致实际的腐蚀情况与CO2分压状态下实验得到的腐蚀情况有很大的不同。因此文中采用CO2溶解度代替CO2分压[21]，优化DW模型，使其更接近现场实际。

式中：c 为阳离子；a 为阴离子；2COm为CO2溶为相互作用参数，取决于温度和总压力；ζ和λ为电化学势的无量纲参数；2COy为CO2在气相中的摩尔分数，计算公式为：

式中：P为压力；2HOP为纯水压力。

根据Pizter 等提出的离子相互作用模型理论[22]，选取以下方程计算参数：

式中：par 代表参数的标准化学位；C1到C11是常数，可由试验数据或者经验公式确定。各参数取值见表1。

表1 盐水和纯水中CO2 溶解度的相互作用参数Tab. 1 Interaction parameters of CO2 solubility in brine and pure water

1.3 实例计算

南海某油气井井下地层水型以MgCl2和CaCl2为主，总矿化度在15 000~35 000 mg/L 之间，地温梯度为3.98 ℃/100 m，储层温度为129~149 ℃，地层压力系数为1.68~1.82，属异常高压系统。综合含水约27%，含腐蚀性气体CO2，CO2分压约3.85%。生产套管规格244.5 mm×11.2 mm，7 寸尾管全封固井，整体固井质量优良。井身结构如图1 所示。

图1 实例井井身结构Fig. 1 Wellbore structure of example well

2 结果及分析

模拟计算了不同产量下油套环空的温度变化情况，结果如图2 所示。随着产量的不断增加，环空温度逐渐增大。相同产量增量时，初始产量越低，环空温度的增量越大。当产量增加到一定值后，环空温度的变化逐渐趋近地层温度。接着增大产量，对环空温度的影响不明显。这说明产量在一定范围内会对环空温度有较大影响。

图2 不同产量下环空温度分布Fig. 2 Annulus temperature distribution with different productions

不同产量下油套环空的热膨胀压力变化情况如图3 所示。随着产量的增加，环空温度先不断增大，然后趋于稳定，模拟10×104~100×104m3/d 的产量变化，热膨胀压力增大了4 MPa 左右，从而增大了环空压力，引起CO2溶解度的变化，进而影响腐蚀。

温度的变化会在环空产生热膨胀压力，使环空压力上升，这会加剧套管的腐蚀作用。对不同温度下环空压力的分布情况进行了计算，结果如图4 所示。可以看出，随着产量的增大，环空压力整体上是增大的。一定产量下，环空压力随井深增大而增大。

图3 不同温度下热膨胀压力变化Fig. 3 Changes of thermal expansion pressure at different temperatures

图4 考虑热膨胀的环空压力分布Fig. 4 Aannulus pressure distribution considering thermal expansion

图5 考虑环空带压的套管腐蚀速率预测Fig. 5 Prediction of casing corrosion rate considering annulus pressure

考虑环空热膨胀压力对生产套管的腐蚀速率进行预测如图5 所示。不同产量下，环空的温度、热膨胀压力均不同。根据一些学者的研究，CO2的腐蚀过程可以分为三个区间：低温区（<60 ℃）、中温区（100 ℃左右）和高温区（>150 ℃），其中钢材的腐蚀速率在中温区会达到一个极大值，在高温区域，由于腐蚀产物的附着，反而会在一定程度上抑制腐蚀。不同产量下，腐蚀速率的变化也印证了这一观点。在低产量下，温度增加到中温区，腐蚀速率增大到极大值，这之后产量的增加对腐蚀速率的影响不明显。考虑泥面以下腐蚀，在产量一定时，腐蚀速率沿井深呈现先增大再减小的趋势。考虑环空压力变化条件下生产套管总体的腐蚀速率远超NACE RP0775 对中度腐蚀的界定值0.125 mm/a，需要采取一定的缓蚀措施。

为了验证模型的可靠性，模拟该井的实际生产工况进行了定压力、不同温度下的实验室腐蚀挂片实验，腐蚀介质采用模拟地层水，其中Cl-的质量浓度为25 000 mg/L，每个温度下进行3 组平行实验，取平均值，实验周期1 个月。实验结果与模型计算结果对比见表2。可以看出，模型预测的腐蚀速率和实验结果相比，误差在10%以内。这说明预测结果是可靠的，能够满足现场的预测需要。模型计算的腐蚀速率要偏保守，进行安全设计时，安全余量才足够。

表2 腐蚀速率结果对比Tab. 2 Comparison of corrosion rates

3 结论

1）产量的变化会影响环空的压力分布，产量越大环空压力相对越大，但产量增大到一定值环空压力的增加不再明显。产量会影响环空的温度分布，而温度的变化又关系着热膨胀压力，影响套管的腐蚀速率。

2）通过高温高压室内腐蚀实验，验证了腐蚀预测模型的可靠性。对比实验结果，模型的预测误差在10%以内，满足现场腐蚀预测需要。

3）考虑环空压力变化条件下生产套管总体的腐蚀速率远超 NACE RP0775 标准中度腐蚀的界定0.125 mm/a，需要采取一定的缓蚀措施，延缓套管的腐蚀，以保证更长的安全服役时间。