薛麗娜 陳琛 熊昕東 史雪枝 張瑤 潘寶風

（中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川 德陽 618000）

元壩超深含硫氣井防腐技術研究實踐

薛麗娜 陳琛 熊昕東 史雪枝 張瑤 潘寶風

（中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川 德陽 618000）

元壩氣田是世界范圍內陸上氣田投產(chǎn)作業(yè)風險最高的工程項目之一，超深、高溫、高含H2S、中含CO2，經(jīng)濟安全防腐矛盾尤為突出?？紤]經(jīng)濟性，采用適用性設計，模擬元壩H2S／CO2／S氣田環(huán)境評價，證實國產(chǎn)高鎳合金的抗腐蝕性能優(yōu)良，設計采用4c＋4d國產(chǎn)高鎳合金油管、718＋725工具組合材質方案，保證安全的同時降低了材質級別。為進一步降低完井成本，研發(fā)了電鍍鎢襯管和160℃無固相環(huán)空保護液。國產(chǎn)高鎳合金管、電鍍鎢襯管和無固相環(huán)空保護液綜合防腐技術在現(xiàn)場15口井應用，為元壩氣田34×108m3產(chǎn)能建設起到了關鍵作用，為類似含硫氣井防腐提供借鑒。

元壩海相 防腐 高鎳合金 鍍鎢 環(huán)空保護液

0 引言

元壩氣田是世界范圍內陸上氣田投產(chǎn)作業(yè)風險最高的工程項目之一，具有超深、高溫、高壓、高含H2S、中含CO2、儲層物性差（Ⅰ類儲層僅占4.2%）、非均質性強，開采安全性與經(jīng)濟性矛盾異常突出的問題，按照類似氣藏采用進口高級別合金抗硫完井材質，將導致投入產(chǎn)出比無法達到產(chǎn)能建設方案的經(jīng)濟要求，無法對元壩長興組進行規(guī)模開發(fā)。

2013-2014年是元壩氣田投產(chǎn)的高峰期，實現(xiàn)經(jīng)濟、安全防腐迫在眉睫。通過國產(chǎn)高鎳合金油管組合、鍍鎢襯管和高溫環(huán)空保護液等防腐工藝研究和應用，確保了元壩氣田經(jīng)濟、安全完井投產(chǎn)，為元壩氣田34×108m3產(chǎn)能建設提供了技術支撐。

1 元壩腐蝕環(huán)境分析

元壩區(qū)塊長興組氣藏天然氣中CO2含量為3.12%～15.51%，平均為7.5%，按地層壓力66.33～69.23MPa計算，CO2分壓為2.06～10.74MPa；H2S含量為2.51%～6.65%，平均為5.14%，按地層壓力66.33～69.23MPa計算，H2S分壓為1.66～4.6MPa，為中含CO2、高含H2S氣藏［1］（表1）。同時，根據(jù)普光［2］和中國石油川渝［3］氣田的開發(fā)實踐，元壩長興組高含硫氣藏必須考慮單質硫的存在。此外，高溫、高Cl-含量地層水、酸壓作業(yè)引入的酸性材料加劇腐蝕，為油套管和井下工具材質安全、經(jīng)濟選擇帶來極大的難題。

表1 元壩區(qū)塊腐蝕環(huán)境分析表

2 井筒防腐材料優(yōu)選和工藝優(yōu)化

2.1 國產(chǎn)含硫氣藏高鎳合金油管組合優(yōu)化

元壩井底溫度達到157℃且含有單質硫，根據(jù)ISO15156石油和天然氣工業(yè)——油氣開采中用于含H2S環(huán)境材料，需要采用4e型油套管和725工具。而考慮經(jīng)濟性，采用適用性設計，因此需要通過實驗檢驗4d（G-3）、4c類（028、825）和718在模擬元壩長

興組氣藏環(huán)境中的抗腐蝕性能。同時，國產(chǎn)化是元壩長興組氣藏經(jīng)濟完井的有效手段，近年來我國才開始生產(chǎn)高鎳合金油套管，目前對國內產(chǎn)品性能的了解非常有限，因此需要開展抗腐蝕性能評價試驗，特別是國產(chǎn)鎳基合金的抗腐蝕性能評價，以指導選材。

2.1.1 國產(chǎn)鎳基合金油套管試驗評價

考慮經(jīng)濟性，采用適用性設計，實驗評價了在模擬H2S／CO2／S氣田環(huán)境（PH2S5MPa、PCO211MPa、模擬地層水、加3g／L單質硫、140℃和160℃、720 h）、酸液、電偶腐蝕等抗腐蝕性能4d（G-3）、4c類（028、825），特別是國內產(chǎn)品在模擬元壩環(huán)境中的抗腐蝕性能。實驗結果證實了國產(chǎn)4c和4d鎳基合金與進口的相比同樣具有良好的抗腐蝕性能（表2），腐蝕速率低于標準要求的0.076mm／a，能夠滿足元壩160℃的抗腐蝕性能要求。

表2 腐蝕試驗評價結果表

2.1.2 4c＋4d、718＋725組合材質設計

元壩長興組氣井周圍人口稠密，安全責任和社會責任重大，考慮經(jīng)濟性的同時應該選擇趨于保守的設計。依據(jù)ISO15156［4］，4d類和4c類材質分別在149℃和132℃內使用條件不受限制，因此根據(jù)元壩氣井配產(chǎn)情況（最高為60×104m3／d）進行了井溫預測（計算不同產(chǎn)量下溫度為132℃時對應的井深），見表3。選擇4000m以上井段油管采用國產(chǎn)4c類，4000 m以下井段油管選用國產(chǎn)4d類高鎳合金防腐。同理，完井工具中井下安全閥及流動短節(jié)選擇718，循環(huán)滑套等其他井下工具推薦使用725，保證安全的同時降低了材質級別。

表3 元壩長興組不同產(chǎn)量下132℃時對應的井深表

2.2 鍍鎢襯管新材料防腐技術

為進一步降低完井成本，需尋求新材料防腐。而電鍍鎢合金鍍層是一種非晶態(tài)合金材料，其耐腐蝕性優(yōu)異，且用電沉積法獲得的Ni-W非晶態(tài)合金鍍層具有工藝簡便、成本低廉等優(yōu)點，其防腐油管、抗腐蝕螺桿鉆具、防腐抗硫抽油桿已在油田廣泛應用［5］。但作為防腐油管只用于普通CO2、少量H2S、少量Cl-的環(huán)境，還未有油層套管應用，故該防腐技術可能存在以下問題：①電鍍鎢合金鍍層的抗腐蝕性能能否滿足元壩苛刻的腐蝕環(huán)境；②襯管上扣需液壓大鉗操作，液壓大鉗夾持部位若使鍍層減薄或局部破壞，將大大影響其耐腐蝕性能，鍍層性能能否滿足上扣要求。因此，針對核心問題開展鍍鎢襯管工藝在元壩氣井的適應性評價。

2.2.1 腐蝕性評價

為檢驗電鍍鎢合金鍍層在元壩長興組氣藏的抗腐蝕性能，設計模擬實驗，評價鍍層在酸化殘酸返排（殘酸pH為4.0、160℃、PCO211MPa、PH2S5MPa，周期96h）和長期采輸（周期168h、160℃、PCO211 MPa、PH2S5MPa、單質硫10g／L、Cl-含量80000 ppm、pH為4.5）過程的抗腐蝕性能。從腐蝕產(chǎn)物膜的表觀形貌來看，去除表面腐蝕產(chǎn)物后鍍層試樣表面均呈亮白金屬光澤（圖1），沒有出現(xiàn)明顯局部腐蝕跡象。其腐蝕速率僅為0.0076～0.0119mm／a（表4），按氣井設計使用壽命8a計算，鍍層厚度需達到0.06mm以上，基本可滿足元壩氣田的使用要求。

圖1 試樣表面宏觀腐蝕形貌圖（去除表面腐蝕產(chǎn)物膜后）

表4 電鍍鎢合金鍍層試樣模擬腐蝕試驗結果表

2.2.2 上扣實驗及鍍層顯微分析評價

為檢驗上扣過程中液壓大鉗對夾持部位鍍層的影響，開展上扣實驗，并對夾持部位取樣進行顯微分析。從上扣后夾持部位的情況來看（圖2），肉眼觀察未見到明顯的鉗牙咬痕和明顯劃痕。對夾持部位取樣并進行顯微分析發(fā)現(xiàn)：管鉗夾持部位以均勻鍍層為主，局部輕微劃傷，最深處劃掉約0.03mm的鍍層，未發(fā)現(xiàn)深達基體的劃傷。管鉗夾持部位鍍層厚度增加0.03mm以上，可以保證整體壽命不受影響。

圖2 上扣后試樣表面形貌圖

因此推薦電鍍鎢合金管做襯管方案：①管體內外壁鎢合金鍍層厚度均為0.06mm；②管鉗夾持部位鍍層增加至0.09mm；③現(xiàn)場上扣必須使用符合要求的微牙痕或者無牙痕鉗牙。按鎳基合金與鎢合金鍍層管的差價17萬元／t計算，單井可節(jié)約400萬元。

2.3 160℃高溫無固相環(huán)空保護液研發(fā)和應用技術

含硫氣井采用環(huán)空保護液對封隔器以上井段的環(huán)空管柱進行保護，目前市場上成熟的高溫環(huán)空保護液產(chǎn)品實現(xiàn)抗溫140℃，且價格貴。通過改性和篩選密度調節(jié)劑、長效緩蝕劑、殺菌劑、pH調節(jié)劑、除氧劑等添加劑自主研發(fā)并應用了具有低成本、低腐蝕（碳鋼腐蝕速度0.064mm／a）、密度可調（1.3 g／cm3）、高溫穩(wěn)定特點的160℃高溫無固相環(huán)空保護液。通過了室內性能評價、環(huán)空保護液現(xiàn)場配制和在12口井應用。

2.3.1 性能評價

對研制的環(huán)空保護液進行了常規(guī)性能評價、高溫穩(wěn)定性評價、高溫抗氧腐蝕性評價、電偶腐蝕性、抗Cl-性能、抗鉆井液污染性能及環(huán)空保護液與其他入井液體配伍性，在降低成本的同時，降低了長期安全開發(fā)的風險。開展了為期1a的長期160℃環(huán)空保護液高溫緩蝕實驗。結果表明：樣品抗高溫老化性能好，無分層現(xiàn)象，掛片平均腐蝕速率為0.0444 mm／a，完全滿足抗腐蝕性能要求，更進一步驗證了環(huán)空保護液對鋼片緩蝕性能良好。

2.3.2 環(huán)空保護液替入時機優(yōu)化

元壩超深井以襯管完井為主，環(huán)空保護液替入時機是成功的關鍵。類似酸性氣田采用管柱到位后，再進行頂替環(huán)空保護液，面臨以下問題：頂替過程中完井封隔器有提前坐封的風險；施工排量受限，作業(yè)時間長，施工成本高；頂替效率差，環(huán)空易形成鉆井液和環(huán)空保護液混相；若有氣體上竄，完井投產(chǎn)管柱脫氣難度大，易影響管柱的可靠性。因此，下投產(chǎn)管柱前，采用通井管柱替入環(huán)空保護液，井控觀察后脫氣，在保證安全的情況下，確保了環(huán)空保護液的頂替效率。

3 應用效果

2013-2014年，通過國產(chǎn)鎳基合金管推廣、組合材質設計、鍍鎢管和環(huán)空保護液體的優(yōu)化和自主研發(fā)，已在元壩長興組15口超深井應用，降本效果顯著。①元壩海相共完井投產(chǎn)15井次，按照4c類23萬元／t、4d類28萬元／t的價格，采用4c＋4d類鎳基合金油管較全部采用4d類鎳基合金油管降低油管成本280萬元。②電鍍鎢合金鍍層襯管下入4口井3440m，累計降低成本1500余萬元。③元壩氣田進行了環(huán)空保護液現(xiàn)場配制，產(chǎn)品密度、pH值、高溫穩(wěn)定性及抗腐蝕性等性能完全滿足施工設計要求，并根據(jù)完井投產(chǎn)進度安排成功進行了產(chǎn)品現(xiàn)場施工，施工成功率100%，替完漿后長期靜止觀察不溢不漏。并且成本比同類產(chǎn)品降低40%，已在12口井成功應用。

4 結論和建議

1）采用適用性設計，通過實驗證實了國產(chǎn)鎳基合金與進口的相比同樣具有良好的抗腐蝕性能。采用了組合材質設計，選擇4000m以上井段油管采用國產(chǎn)4c類，4000m以下井段油管選用國產(chǎn)4d類高鎳合金防腐，完井工具中井下安全閥及流動短節(jié)選擇718，循環(huán)滑套等其他井下工具推薦使用725，解決了材質經(jīng)濟安全矛盾。

2）鎢合金鍍層襯管作為一種鍍層材料防腐新技術，鍍層抗腐蝕性腐蝕速率僅為0.0076～0.0119 mm／a，襯管管體內外壁鍍層厚度0.06mm、管鉗夾持部位鍍層增加至0.09mm，可替代目前的4c類鎳基合金襯管，單井可降低成本400萬元。

3）自主研發(fā)了一種具有160℃高溫高穩(wěn)定性、低腐蝕速率及低成本特點的無固相環(huán)空保護液產(chǎn)品，密度在1.0～2.3g／cm3可調，pH約為11，比同類產(chǎn)品降低40%。

［1］薛麗娜，周小虎，嚴焱誠，等.高溫酸性氣藏油層套管選材探析：以四川盆地元壩氣田為例［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（1）：85-89.

［2］李順林，姚慧智，趙果，等.普光高酸性氣田井筒管材及完井方案優(yōu)選［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（9）：79-81.

［3］包耀宗，蘇玉華.川渝天然氣田油套管材料選擇及腐蝕與防護［C］.2007中國鋼鐵年會論文集，2007.

［4］中國石油天然氣管道工程有限公司，西南油氣田公司. GB／T20972.1-2007油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料：選擇抗裂紋材料的一般原則［S］//中國國家標準化管理委員會.北京：中國標準出版社，2001.

［5］王紹軍，劉含陽，胡勇，等.鍍鎢合金防腐油井管試驗研究及應用［J］.石油礦場機械，2012，41（11）：46-49.

（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）05-0037-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.011

修訂回稿日期：2014－09－16

國家科技重大專項課題“低滲油氣田完井關鍵技術”（編號：2011ZX05022-006）。

薛麗娜（1980－），女，高級工程師，從事低滲氣藏完井等方面的科研和設計工作。E-mail：firstlina@sina.com。