含硫化氫油氣井完井工藝技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張 星 李兆敏 徐林靜 張志宏

摘要:系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外防硫化氫完井工藝技術(shù),在此基礎(chǔ)上提出防硫化氫設(shè)計(jì)原則,完善完井工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)儲(chǔ)層及流體物性,結(jié)合力學(xué)、化學(xué)及油藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài),優(yōu)化防硫化氫的完井設(shè)計(jì),并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),確定最優(yōu)的防硫化氫完井工藝,控制油套管腐蝕,減少油氣井作業(yè),為含硫化氫的油氣田開(kāi)發(fā)提供科學(xué)理論指導(dǎo),從而降低油氣層損害,提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:油氣井;完井工藝;硫化氫;防腐設(shè)計(jì);技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào):TE982文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

前 言

H₂S腐蝕問(wèn)題是當(dāng)今世界石油工業(yè)共有的一大難題,不僅是開(kāi)發(fā)油氣田的需要,而且也是健康安全環(huán)保的需要[1-4]。完井是銜接鉆井和采油工程而又相對(duì)獨(dú)立的工程,是從鉆開(kāi)油氣層開(kāi)始,到下套管、注水泥固井、射孔、下生產(chǎn)管柱、排液,直至投產(chǎn)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程,在油田開(kāi)發(fā)中硫化氫防腐貫穿到每一個(gè)環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CO₂腐蝕研究較多,但實(shí)際生產(chǎn)中,H₂S與CO₂多種腐蝕介質(zhì)共存,尤其是深井與超深井的出現(xiàn),迫切需要對(duì)含硫化氫油氣井完井工藝進(jìn)行研究,優(yōu)化完井工藝,提高油氣井的產(chǎn)能,減少作業(yè)。

1 國(guó)內(nèi)外防硫化氫完井工藝現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外在解決含硫化氫油氣井完井設(shè)計(jì)時(shí),首先考慮生產(chǎn)安全和油套管腐蝕。影響含硫化氫油氣田腐蝕的因素較多,因而防硫化氫完井措施也多種多樣,主要有選擇耐腐蝕材質(zhì)、涂層防腐、電化學(xué)方法防腐和緩蝕劑保護(hù)技術(shù)。

1.1 選擇耐腐蝕材質(zhì)

井下管柱、井下工具以及井口裝置,是油井生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,若出現(xiàn)腐蝕破壞會(huì)危害油井安全生產(chǎn),不同腐蝕介質(zhì)對(duì)不同材質(zhì)的腐蝕程度存在很大差異,為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,保證生產(chǎn)和作業(yè)安全,節(jié)約成本,需要合理選擇材質(zhì)。其選擇程序如下:

根據(jù)地層流體的特性,分析設(shè)備的工作環(huán)境和腐蝕環(huán)境,預(yù)測(cè)可能發(fā)生的腐蝕類型和嚴(yán)重程度以及各腐蝕的相互關(guān)系,確定不同時(shí)期最主要和最嚴(yán)重的腐蝕類型。對(duì)于含硫化氫的油氣井,主要是防止氫脆和硫化物應(yīng)力腐蝕破裂;對(duì)選定的材質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn);進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合分析,確定最佳材質(zhì)。

目前含硫化氫油氣田大量采用碳素鋼和低合金鋼[5-9],這樣比較經(jīng)濟(jì)合理,不同成分低合金鋼抗硫性能不同,國(guó)際上公認(rèn)的準(zhǔn)則(HRC)值應(yīng)低于22,而高合金鋼則不受此限制,其硬度可以超過(guò)22。強(qiáng)度和硬度愈高,對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕破裂(SSC)愈敏感。

井口裝置、井下工具及完井工具配套設(shè)備的材質(zhì)選用抗硫材質(zhì),如使用35CrMo、13Cr、AISI4140(18-22Cr)等或合金鋼;油套管可選用防硫或既抗H₂S又抗CO₂腐蝕的管材或內(nèi)襯油管,在管柱結(jié)構(gòu)上,為保證井口安全、減緩套管、油管的腐蝕,一般多采用了封隔器完井。井下油管柱包括入井工具的連接,絲扣宜采用金屬對(duì)金屬密封扣,如FOX 、3SB等氣密封性較好的特殊密封扣,以保證氣密封性;根據(jù)安全開(kāi)采期投資收益的高低選擇適當(dāng)?shù)目沽蚬懿摹?/p>

根據(jù)油井腐蝕環(huán)境,確定合適的管材。對(duì)于深井[10-13]含有硫化氫、二氧化碳以及高礦化度的地層水等腐蝕介質(zhì),應(yīng)根據(jù)流體物性按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇適當(dāng)油管,管柱既要有一定的安全系數(shù),又要滿足抗腐蝕要求,對(duì)于硫化氫在選材中主要考慮硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,選擇高強(qiáng)度抗硫合金,提高油管的抗硫化氫腐蝕性,既滿足抗拉強(qiáng)度,又滿足抗硫的需要。如日本住友SM系列、川崎KO系列、新日鐵NT系列和國(guó)產(chǎn)TP80～110SS等油套管,可以較好地解決含硫酸性氣田的安全開(kāi)發(fā)問(wèn)題。

1.2 涂層防腐

合理使用涂層在油氣田的腐蝕控制中占重要的位置,涂層在金屬表面形成一層牢固的薄膜,使金屬與腐蝕介質(zhì)和腐蝕環(huán)境隔離,從而達(dá)到防腐的目的。此方法簡(jiǎn)便易行,因此在油田防腐中廣泛應(yīng)用。保護(hù)性涂層分為金屬涂層與非金屬涂層,大多數(shù)金屬涂層采用電鍍或熱鍍的方法實(shí)現(xiàn),非金屬涂層絕大多數(shù)是隔離性涂層,其主要作用是把金屬材料與腐蝕介質(zhì)隔開(kāi),非金屬涂層可分為無(wú)機(jī)涂層與有機(jī)涂層。

為獲得良好的涂層防腐效果,一方面金屬表面在敷涂層之前應(yīng)進(jìn)行處理,達(dá)到一定要求;另外涂層材料應(yīng)具有必要的物理、化學(xué)性能,在金屬表面應(yīng)有較強(qiáng)的附著力;具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,耐磨、耐撞擊、耐沖刷和具有一定疲勞強(qiáng)度;涂層對(duì)環(huán)境的溫度、濕度、酸堿度應(yīng)有一定的耐受性,從而具有優(yōu)良的防腐性能。使用防腐涂層可以極大提高油管的抗腐蝕性,目前由于油氣井作業(yè)的復(fù)雜性,涂層使用還存在較大的限制。

1.3 電化學(xué)方法防腐

電化學(xué)保護(hù)就是利用外部電流使金屬電位發(fā)生改變從而達(dá)到減緩或防止金屬腐蝕的一種方法。保護(hù)法包括陰極保護(hù)和陽(yáng)極保護(hù)。陰極保護(hù)主要是對(duì)套管柱的保護(hù),對(duì)于超深井,需要進(jìn)一步的探討。陽(yáng)極保護(hù)法是通過(guò)控制電壓,使陽(yáng)極電位達(dá)到鈍化電位,最終達(dá)到保護(hù)金屬的目的,陽(yáng)極保護(hù)作為防腐措施在油氣田應(yīng)用較少。

1.4 緩蝕劑保護(hù)技術(shù)

緩蝕劑是用于腐蝕環(huán)境中抑制金屬腐蝕的添加劑,又稱腐蝕抑制劑。主要是防止電化學(xué)失重腐蝕,對(duì)氫脆和硫化物應(yīng)力腐蝕破裂也有一定的減緩作用。使用緩蝕劑有以下明顯的優(yōu)點(diǎn):①基本上不改變腐蝕環(huán)境,就可獲得良好的防腐蝕效果;②基本不增加設(shè)備投資,操作簡(jiǎn)便,見(jiàn)效快;③對(duì)于腐蝕環(huán)境的變化,可以通過(guò)相應(yīng)改變緩蝕劑的種類或濃度來(lái)保證防腐蝕效果;④同一配方的緩蝕組分有時(shí)可以同時(shí)防止多種金屬在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕破壞。

用于含硫化氫酸性環(huán)境中的緩蝕劑,通常為含氮的有機(jī)緩蝕劑(成膜型緩蝕劑),有胺類、酰胺類等。實(shí)踐證明,合理添加緩蝕劑是防止含H₂S酸性油氣對(duì)碳鋼和低合金鋼設(shè)備腐蝕的一種有效方法。緩蝕劑對(duì)應(yīng)用條件的選擇性要求很高,針對(duì)性很強(qiáng)。不同介質(zhì)或材料往往要求的緩蝕劑也不同,甚至同一種介質(zhì),當(dāng)操作條件(如溫度、壓力、濃度、流速等)改變時(shí),所采用的緩蝕劑可能也需要改變。

目前緩蝕劑發(fā)展趨勢(shì)主要如下:

(1) 由于緩蝕劑體系的復(fù)雜性,以往的研究集中在用電化學(xué)和表面分析探討緩蝕劑結(jié)構(gòu)參數(shù)與緩蝕性能的關(guān)系,而對(duì)用量子化學(xué)計(jì)算緩蝕劑與材料的相互作用研究甚少,將這3種方法結(jié)合,能建立更加完善的腐蝕控制機(jī)理模型。

(2) 面向工程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)及灰色系統(tǒng)理論發(fā)展較快,已運(yùn)用于腐蝕科學(xué)。用這些技術(shù)研究緩蝕劑,在預(yù)測(cè)緩蝕效率、模擬緩蝕現(xiàn)象和建立緩蝕模型方面有廣闊的前景。

(3) 油氣井中設(shè)備的局部腐蝕(點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、氫致開(kāi)裂等)也很嚴(yán)重,而對(duì)防止局部腐蝕的緩蝕劑研究相對(duì)較少。

(4) 化學(xué)藥品用得越多,藥品間的適配越難。因此,應(yīng)加強(qiáng)研究無(wú)毒無(wú)污染的高效、多功能緩蝕劑,而且應(yīng)多利用煉油副產(chǎn)品作為原料,降低成本,節(jié)約資源。

2 防硫化氫完井設(shè)計(jì)程序

完井預(yù)期壽命受油藏生產(chǎn)特征、管柱材質(zhì)、流體物性等因素[14-18]影響。國(guó)外通常最大完井設(shè)計(jì)壽命約為10 a,由于開(kāi)采的復(fù)雜性,完井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到后期開(kāi)發(fā)問(wèn)題,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠝p少由于腐蝕而導(dǎo)致的修井,降低經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際表明,硫化氫對(duì)油田生產(chǎn)破壞較大的是油井管柱硫化物應(yīng)力開(kāi)裂,必須采取防硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂措施。依據(jù)環(huán)境的惡劣程度,將特殊的設(shè)計(jì)方法與抗硫化氫腐蝕的保護(hù)措施相結(jié)合。

其設(shè)計(jì)程序如下:

(1) 確定油氣井生產(chǎn)環(huán)境,進(jìn)行流體物性分析。根據(jù)NACE及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硫化氫防腐設(shè)計(jì)?？紤]硫化氫應(yīng)力開(kāi)裂影響因素較多,較為重要的因素有材料的性能、硫化氫分壓、pH值等,結(jié)合開(kāi)發(fā)過(guò)程中油氣水物性變化以及二氧化碳的影響,確定完井壽命,考慮經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行合理選材以及油套管螺紋結(jié)構(gòu)。

(2) 根據(jù)油井產(chǎn)能,按照最優(yōu)化原則,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析,確定最優(yōu)的油管直徑及生產(chǎn)工作制度,降低減少?zèng)_蝕對(duì)管柱的危害。

(3) 根據(jù)防腐及油氣井生產(chǎn)需要,考慮腐蝕等因素對(duì)管柱強(qiáng)度的影響,確定完井管柱與井下工具組合,進(jìn)行管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)最優(yōu)組合管柱。

(4) 對(duì)特殊的含硫油氣井采取特殊工藝,如同心管柱、熱循環(huán)管柱解決特殊情況;同時(shí)配套相應(yīng)的防腐工藝,油套管采取涂層或內(nèi)襯技術(shù),隔絕腐蝕介質(zhì)與油套管的接觸,保護(hù)油套管。

通過(guò)綜合油藏開(kāi)發(fā)方案與開(kāi)采工藝措施,設(shè)計(jì)相應(yīng)的完井工藝,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),確定最優(yōu)防硫化氫完井工藝方案。

3 認(rèn)識(shí)與建議

建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),準(zhǔn)確地確定硫化氫含量是完井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);需研究在高溫高壓條件下進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的儀器及相應(yīng)的軟件分析系統(tǒng)。加強(qiáng)水、氣共存的高溫、高壓、高流速腐蝕環(huán)境中腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)研究。

隨著開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展,油氣井越來(lái)越深,這種超深井井底的溫度和壓力很高,從理論上講有些物質(zhì)已達(dá)到超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)的物質(zhì)的很多性質(zhì)發(fā)生了變化,因此其腐蝕行為不同于常態(tài),加強(qiáng)特殊狀態(tài)下腐蝕研究對(duì)油藏開(kāi)發(fā)具有重要意義。

應(yīng)用系統(tǒng)論工程原理加強(qiáng)防硫化氫完井工藝的系統(tǒng)研究,油藏類型多,流體復(fù)雜,因此需要采取多種綜合的防硫化氫完井措施,從材料的選擇、涂層保護(hù)、電化學(xué)防護(hù)、完井工藝、采油工藝、開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)等配套措施進(jìn)行綜合防護(hù);加強(qiáng)硫化氫的天然氣地質(zhì)研究,為完井設(shè)計(jì)提供前期的理論指導(dǎo),對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中硫化氫及時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化,對(duì)可能發(fā)生的腐蝕危害進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估,結(jié)合油藏開(kāi)發(fā)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),優(yōu)工藝設(shè)計(jì);加強(qiáng)硫化氫腐蝕機(jī)理研究,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的交叉協(xié)作(包括物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、油藏工程等),為硫化氫完井工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

總之,含硫化氫油氣井的完井工藝是一個(gè)系統(tǒng)工程,從鉆開(kāi)油氣層到完井生產(chǎn),硫化氫貫穿開(kāi)發(fā)的全過(guò)程,在開(kāi)發(fā)含硫化氫的油氣田中借助先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備,從定性觀察到定量測(cè)量,系統(tǒng)全面地研究硫化氫腐蝕介質(zhì)下油氣井管柱腐蝕規(guī)律,建立硫化氫腐蝕介質(zhì)下的腐蝕數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行數(shù)值模擬,研究管柱在溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等耦合條件下的腐蝕規(guī)律,預(yù)測(cè)硫化氫可能發(fā)生的危害,制訂前期的硫化氫防護(hù)措施,從而合理高效地開(kāi)發(fā)含硫化氫油氣田。

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