馮 博,唐永槐,燕迎飛,姚 軍
(陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075)
由于CO2或H2S 等苛刻環(huán)境的普遍存在,油氣田裝備用油套管鋼遇到了嚴(yán)重的腐蝕問題[1]。國內(nèi)外雖然已經(jīng)開展了一些在H2S/CO2共存條件下的腐蝕研究,但大部分研究思路是將低含量的H2S作為CO2腐蝕的一種影響因素[2]。大量的試驗和實踐表明,CO2和H2S共存時的腐蝕行為遠比它們單獨作用時復(fù)雜[3-5]。
延安氣田屬低含H2S、中—低含CO2氣藏[6],井下管柱腐蝕成為氣田安全生產(chǎn)的主要威脅,需要就此問題展開針對性研究。
井下管柱材質(zhì)的選擇一般根據(jù)H2S和CO2的分壓進行(圖1),根據(jù)這種方法,延安氣田下古生界氣藏氣井大部分應(yīng)該選用鎳基合金材質(zhì)的管材,但這種管材價格昂貴,制約了其在延安氣田下古生界氣藏的大規(guī)模使用。
在目前的生產(chǎn)實踐中,存在的問題主要是管柱斷裂(圖2)和井下管柱大面積腐蝕(圖3)。通過技術(shù)手段分析,斷裂是由硫化物應(yīng)力開裂導(dǎo)致的,而腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3和Fe3C,判定其腐蝕機理為二氧化碳腐蝕。
通過現(xiàn)場情況觀察,斷裂一般發(fā)生在管柱上部,腐蝕出現(xiàn)在管柱中下部,這些現(xiàn)象說明,管柱上部主要受拉應(yīng)力作用下的硫化物應(yīng)力開裂影響,管柱中下部主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕,并受復(fù)雜環(huán)境影響。
圖1 金屬管材選材規(guī)范Fig.1 Materials choosing specifications of metal pipes
圖2 現(xiàn)場管柱斷裂情況Fig.2 Fracture of pipe string
圖3 現(xiàn)場管柱腐蝕情況Fig.3 Corrosion of pipe string
目前,已有大量學(xué)者對我國各地油氣田不同狀況的油氣腐蝕做過調(diào)查性研究[7],其中提到的緩蝕劑、管道內(nèi)涂層[8]、電化學(xué)防腐等技術(shù)從各個角度闡述了防腐的原理和措施。這些方法仍是基于在單一材質(zhì)管柱的基礎(chǔ)上采取不同技術(shù)手段延緩腐蝕速率,并非是從井下管柱的具體腐蝕原因著手進行針對性的防腐;由于井下腐蝕情況比較復(fù)雜,這些方法可能存在安全隱患,管柱選材不足的問題凸顯。
2.1.1管柱材料的抗腐蝕性
對比鎳基合金材質(zhì)管柱,使用普通抗硫管能夠顯著降低費用,并且符合現(xiàn)場使用習(xí)慣??紤]到這一點,針對下古生界天然氣井的流體特征,利用本區(qū)下古生界儲層產(chǎn)出地層水,進行了金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗推薦方法中的A法試驗[9](圖4)和腐蝕環(huán)境模擬試驗[10](圖5)來評估在現(xiàn)場條件下管柱的腐蝕情況。為了確保試驗結(jié)果的普遍性,對目前現(xiàn)場常用的不同廠家生產(chǎn)的N80、80S、80S-3Cr、L80-13Cr管材進行篩選。
試驗后試件樣貌表面有銹蝕(圖4),外形無明顯變化,無開裂。
圖4 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣試驗結(jié)果Fig.4 Tensile testing of standardized sample
圖5 試驗結(jié)果對比Fig.5 Comparison of experimental results
據(jù)此可以判定,在氣藏工況條件下,80S、L80-13Cr較其余兩種鋼N80、80S-3Cr的耐CO2腐蝕能力強(表1)。
表1 鋼材在80 ℃條件下的腐蝕試驗Table 1 Steel corrosion experiment under the condition of 80 ℃
由試驗結(jié)果可以看到,不同的材料在延安氣田下古生界氣藏的抗腐蝕能力有較大的區(qū)別。在選材時,需要綜合考慮H2S含量、CO2分壓、溫度、pH值、Cl-濃度、流速等因素綜合選用合適的材質(zhì)。
溫度是影響 CO2/H2S 共存環(huán)境中腐蝕的重要因素,溫度從40 ℃升高至100 ℃,腐蝕速率持續(xù)增加,鋼表面生成保護性差的FeS[11];但溫度較高時,當(dāng)碳鋼表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物膜(FeCO3)后,碳鋼的溶解速度隨著溫度升高而降低[12],如圖6所示。
圖6 溫度與腐蝕速率的關(guān)系Fig.6 The relationship between temperature and corrosion rate
Ikeda系統(tǒng)地研究了低Cr鋼的腐蝕情況[13],給出了不同含Cr量的碳鋼在不同溫度下的腐蝕速率。隨著含Cr量的提高,最高腐蝕速率出現(xiàn)的溫度也逐步升高??紤]到延安氣田下古生界儲層埋深一般在3500~4400 m,地層溫度為110~120 ℃,該結(jié)論能夠給出在井底溫度范圍所能使用的管柱材質(zhì)范圍(圖7)。
同樣地,H2S介質(zhì)溫度不僅對反應(yīng)速度有影響,而且對腐蝕產(chǎn)物膜的保護性有很大的影響。當(dāng)溫度在110~200 ℃時,腐蝕速率較小,隨后隨溫度升高,腐蝕速率增大[14]。
在H2S為低含量(70 mg/m3)和高含量(6000 mg/m3)時,N80鋼與抗硫鋼80S的平均腐蝕速率和腐蝕形態(tài)相近,因此該工況條件下N80和80S鋼的選用取決于經(jīng)濟因素和力學(xué)性能等;在中等H2S含量時,N80鋼的平均腐蝕速率明顯高于80S鋼,呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的局部腐蝕特征(圖8)。
圖7 不同含Cr量的碳鋼在不同溫度下的腐蝕速率Fig.7 Corrosion rates of carbon steel with Cr quantity at different temperatures
圖8 H2S濃度與腐蝕速率的關(guān)系Fig.8 The relationship between H2S concentration and corrosion rate
考慮到延安氣田下古生界儲層腐蝕環(huán)境的特征,井下管柱總體處于腐蝕速率比較低的區(qū)域;但隨著深度增加,溫度逐步升高,CO2分壓增大,管柱下部受到的腐蝕影響因素越加復(fù)雜。
綜合分析普通碳鋼和含Cr抗硫管材受各種影響因素的腐蝕情況,可以發(fā)現(xiàn),普通碳鋼最高腐蝕速率出現(xiàn)的溫度低于抗硫材質(zhì)管,而含Cr抗硫管材的抗腐蝕性能在不同溫度區(qū)間能夠得到充分發(fā)揮??紤]到延安氣田下古生界儲層埋深一般在3500~4400 m,地層溫度為110~135 ℃,有必要按照管材性能進行精確定點選材,以發(fā)揮管柱的最優(yōu)性能。
2.1.2電偶腐蝕影響分析
如果選用組合材質(zhì)作為井下管柱材質(zhì)的選擇,不同的材質(zhì)相互接觸,不可避免會出現(xiàn)電偶腐蝕。電偶腐蝕影響程度的大小,決定了這種方法的安全程度,因此有必要對這種腐蝕情況進行研究。
嚴(yán)密林、李鶴林[15]等研究了G3油管鋼在井下與普通抗硫套管如SM80SS接觸構(gòu)成電偶腐蝕電池時面積效應(yīng)、環(huán)境溫度對電偶腐蝕電池的影響規(guī)律,測試結(jié)果表明,在模擬油氣田水介質(zhì)腐蝕環(huán)境中,G3油管和SM80SS套管鋼構(gòu)成的電偶對中,G3鋼為電偶腐蝕電池的陰極,而SM80SS鋼為電偶腐蝕電池的陽極。溫度的升高會加速電偶腐蝕程度。隨著陰陽極面積比的增大,電偶腐蝕速率呈不斷增大的趨勢。
殷名學(xué)、曹曉燕等[16]以羅家11H井完井油管管串結(jié)構(gòu)為例,進行了抗硫油管與鎳鉻合金鋼材料的電偶腐蝕評價試驗研究,結(jié)果表明,在該井的腐蝕環(huán)境下,718鎳鉻合金材料幾乎不發(fā)生腐蝕。VM80SS油管材料雖然遭受電偶腐蝕,但腐蝕的程度并不十分嚴(yán)重。陽極(VM80SS)面積越小,其腐蝕率越大。當(dāng)VM80SS/718面積比遠大于1 ( 1∶0.15)時,其腐蝕率與同等條件下VM80SS的腐蝕率相當(dāng)。
考慮到延安氣田下古生界氣藏H2S、CO2分壓、井底溫度都普遍低于羅家11H井,比較之下,延安氣田下古生界氣井腐蝕環(huán)境有利于井下管柱抗腐蝕能力的發(fā)揮。在井口到溫度為40 ℃的井段和40 ℃到井底的井段長度基本相當(dāng),不存在陽極面積小的情況,處于抗電偶腐蝕的有利條件之下,故可以判定,分段選材精確定點保護的思路能夠應(yīng)用于延安氣田下古生界氣藏,電偶腐蝕不構(gòu)成主要威脅。現(xiàn)場實際生產(chǎn)狀況的跟蹤也證明了這一點。
根據(jù)以上分析,按照正常的溫梯度計算,溫度逐步升高到40 ℃,腐蝕速率逐步提高,但在40 ℃以下,是各種鋼材的腐蝕速率總體處于比較低的溫度區(qū)間,在此溫度區(qū)間內(nèi),主要考慮管材的力學(xué)性能兼顧抗硫性能進行選材。隨著井深的加深,40 ℃以上井段直到井底,由于溫度升高,從腐蝕速率曲線來看,腐蝕速率逐步增高,不同含Cr鋼材的最高腐蝕速率出現(xiàn)了顯著變化;總體看來,隨著含Cr量的提高,最高腐蝕速率出現(xiàn)的溫度不斷增高,隨著溫度升高,H2S腐蝕敏感性降低[17],此時,選材時需著重考慮電化學(xué)腐蝕影響。
綜上所述,考慮到延安氣田下古生界氣藏的井深,在井口到溫度為40 ℃的井段,80S-3Cr能夠很好地滿足管柱的防腐性能要求;在40 ℃到井底的井段,溫度不斷升高,L80-13Cr材質(zhì)管柱的腐蝕速率明顯低于其他幾種材質(zhì),而且在井底處于H2S影響不明顯的溫度區(qū)間,能夠確保安全生產(chǎn)。
鑒于此,在正常生產(chǎn)過程中,管柱上部應(yīng)選擇抗硫管材,如80S-3Cr,下部可選用L80-13Cr材質(zhì)的管道。
(1)通過試驗研究判定在氣藏工況條件下,80S、L80-13Cr較其余兩種鋼N80、80S-3Cr的耐CO2腐蝕能力強,井口到溫度為40 ℃的井段,80S-3Cr能夠滿足管柱的防腐性能要求;在40 ℃到井底的井段,L80-13Cr材質(zhì)管柱的腐蝕速率明顯低于其他幾種材質(zhì)。
(2)在延安氣田下古生界氣藏氣井應(yīng)用分段選材時,電偶腐蝕不構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
(3)在管柱上部選用80S-3Cr,下部選用L80-13Cr材質(zhì)管柱能夠大幅度降低成本,具備比較突出的經(jīng)濟性。