吳 睿，汪海波，何高法，蔣德平

（重慶科技學院，重慶 400050）

0 引言

高壓、高產(chǎn)且含H2S等具有強腐蝕性氣體的天然氣井管柱服役環(huán)境惡劣，容易發(fā)生破壞。輕度破壞將增加設備運行費用，影響生產(chǎn)的正常進行；重度破壞導致氣井報廢而不得不填井，帶來重大經(jīng)濟損失。因此，對高壓高產(chǎn)含H2S天然氣井管柱破壞機理進行深入研究，探究其破壞發(fā)生的原因，從而為氣井管柱使用壽命預測提供依據(jù)，是防患于未然、降低經(jīng)濟損失和提高生產(chǎn)安全的有效途徑。

1 天然氣井管柱使用壽命

腐蝕是影響天然氣井管柱使用壽命的重要因素。根據(jù)文獻檢索結果，關于腐蝕對油氣井管柱的影響國內外已經(jīng)作了大量研究，但對于將腐蝕與氣井管柱工作過程中產(chǎn)生的振動狀況綜合起來研究天然氣井管柱使用壽命，并由此預測其剩余使用壽命則研究的很少或沒有。

就天然氣井管柱使用壽命，本文作如下定義：從投入使用開始，到氣井管柱某一遭受最嚴重破壞部分(為方便敘述，后稱臨界部分)剩余強度恰好可以支撐從該部分開始井下段總重量止氣井管柱的工作時間。根據(jù)木桶短板效應，臨界部分的最大使用壽命正是氣井管柱使用壽命。如果不及時更換，臨界部分的繼續(xù)破壞將導致在將管柱起出過程中發(fā)生落井事故而導致天然氣井報廢，造成巨大經(jīng)濟損失。實際使用中，將管柱使用壽命與預先設置的安全系數(shù)的乘積作為氣井管柱使用壽命以確保安全。

根據(jù)上述定義，本文將綜合腐蝕與氣井管柱工作狀況，圍繞臨界部分的研究對天然氣井管柱破壞機理進行研究和探討。

2 天然氣井管柱的腐蝕

石油管的失效統(tǒng)計分析表明，70%的失效和腐蝕有關。根據(jù)研究，可以認為腐蝕介質中CO2、H2S、和O2是腐蝕劑，H2O是載體[1]。

關于CO2、 H2S的腐蝕研究很多，本文只做簡單介紹。H2S的腐蝕主要是引起氫脆、氫鼓泡和氫致開裂。CO2腐蝕包括均勻腐蝕、沖刷腐蝕和坑點腐蝕，其中臺面狀坑點腐蝕是腐蝕過程中最嚴重的情況，其穿透力通常每年可達數(shù)毫米[2]。參考文獻[3]有以下CO2、 H2S對管柱腐蝕速度公式：

其中：PCO2、PH2S——為CO2、 H2S分壓

R——氣體常數(shù)

ε——反應活化能

Z——反應頻度因子

T——反應環(huán)境溫度，℃

（1）式表明腐蝕速度與環(huán)境溫度和CO2、H2S分壓有關。

根據(jù)研究，無水H2S在250℃以下腐蝕性較弱，而濕H2S介質當溫度在100～160℃時能生成保護性較好的Fe1-xS和FeS2保護膜[1]。De Waard[4]等認為，在70℃～80℃時，CO2的腐蝕速率存在一個最大值，此后隨溫度升高，腐蝕速率降低，這是因為生成了FeCO3或 Fe3O4膜。研究表明[5]，隨著CO2分壓的增大，最大腐蝕速率對應的溫度向低溫方向移動。

根據(jù)(1)式，腐蝕速度總的趨勢是隨腐蝕介質分壓的升高而加快。就CO2而言，當分壓小于0.02MPa時，腐蝕微弱；當分壓在0.02～0.2Mpa之間時，產(chǎn)生腐蝕；當分壓大于 0.2MPa時，產(chǎn)生嚴重腐蝕[6]。

天然氣井管柱的腐蝕機理與石油管類似。高壓、高產(chǎn)氣井井底溫度高(大于100℃)、壓力大，在沿井管柱升高方向上溫度、壓力呈下降趨勢。一方面由于腐蝕載體水隨溫度降低逐漸以氣相轉化為液相(溫度低于100℃)，使得腐蝕速度隨管柱升高而增大，逐漸達到腐蝕速度最大的管柱高度(該處溫度使腐蝕速度最大)；另一方面隨著壓力的降低，腐蝕介質分壓降低，又使腐蝕速度呈沿井管柱升高而減小趨勢。結合前文所述，則氣井管柱的最大腐蝕區(qū)域位于管柱中間部分。同時高壓導致氣體流速較快，其對均勻截面管壁部分的沖刷導致腐蝕載體水不能夠穩(wěn)定的附著于管壁形成電化學腐蝕源。在管柱接箍部分，則由于截面發(fā)生突變，出現(xiàn)旋渦和低流速區(qū)域，而且存在接箍縫隙，此處存在腐蝕載體水穩(wěn)定附著的條件，而且接箍部分的聯(lián)接強度遠低于一體管柱。因此，可以得到結論：位于氣井管柱的最大腐蝕區(qū)域的接箍部分是氣井管柱的最薄弱環(huán)節(jié)，該部分就是天然氣井管柱破壞的臨界部分。

3 管柱接箍部分的壓力分布規(guī)律

為驗證上述結論，利用相關軟件，對圖1所示管柱接箍部分的壓力分布規(guī)律進行分析，得到結果如圖2所示。

由圖2可以看出，由于接箍處管柱截面積發(fā)生了突變，天然氣流過該部分時，在靠近接箍上管柱部分分別出現(xiàn)了最大壓力和最小壓力，這種壓力分布特點將造成接箍與上管柱之間出現(xiàn)縫隙，氣體和部分水就會填充該縫隙，形成電化學腐蝕電池。接箍處一般為螺紋聯(lián)接，隨著腐蝕的不斷進行，螺紋牙不斷被腐蝕，導致強度不斷降低。最后，當腐蝕造成螺紋聯(lián)接強度恰好能夠支撐該部分以下的管柱重量之前，管柱就已經(jīng)達到壽命極限，因為，如果此時不進行管柱更換，則將導致管柱更換時發(fā)生落井事故。這進一步驗證了前文所得出的結論。

圖1 管住接箍處結構圖及分析模型圖

圖2 管柱接箍區(qū)域的壓力分布規(guī)律（單位：Mpa）

4 結論

1）高壓、高產(chǎn)天然氣井管柱的破壞主要是腐蝕破壞。

2）高壓、高產(chǎn)天然氣井管柱的破壞嚴重區(qū)域發(fā)生在管柱距井底一定高度的區(qū)域，而破壞最嚴重區(qū)域則發(fā)生在位于該區(qū)域內的接箍處。該處發(fā)生破壞的壽命就是整個管柱的使用壽命。

3）根據(jù)上述管柱破壞機理，計算出氣井內溫度、壓力分布，進一步計算出腐蝕性介質的氣體分壓，結合管柱材料性質、腐蝕速度計算模型和接箍處螺紋強度計算公式，即可確定出管柱使用壽命。管柱使用壽命的確定對實際生產(chǎn)過程中管柱的更換具有指導意義，可以有效的提高經(jīng)濟效益和避免安全事故的發(fā)生。

[1] 任呈強.N80油鋼管在含CO2/H2S高溫高壓兩相介質中的電化學腐蝕行為及緩蝕機理研究[D].西北工業(yè)大學,2003.

[2] 何鮮.國外深曾氣藏開采技術[M].石油工業(yè)出版社,2001.

[3] 劉文忠.氣井井下管串腐蝕影響因素的電化學認識[J].鉆采工藝,2005,28(2).

[4] De Waard C and Lotz U.Prediction of CO2 Corrosion of C-arbon Stee1.A Working Party Report on Prediction CO2 Corrosion in Oil and Gas Industry,1994:30-58.

[5] Srinivasan S,Kane R D.Prediction of Corrosivity of CO2/H2S Production Environments.Paper No:11,Corrosion/96.

[6] 劉曉軍.CO2腐蝕問題的再思考[J].小型油氣藏,2006,11(4).