火驅(qū)采油套管的試制開發(fā)

岳磊，田青超

（1上海寶鋼商貿(mào)有限公司，上海201900；2寶鋼研究院鋼管研究所，上海201900）

火驅(qū)采油套管的試制開發(fā)

岳磊1，田青超2

（1上海寶鋼商貿(mào)有限公司，上海201900；2寶鋼研究院鋼管研究所，上海201900）

根據(jù)火驅(qū)采油工作條件的特點，試制了復(fù)合添加Mo、W、V等合金元素的含Cr3%的火驅(qū)采油用BG80H-3Cr耐熱套管。檢測結(jié)果表明，所開發(fā)的產(chǎn)品在室溫至450℃的使用溫度范圍內(nèi)屈服強度均在API標(biāo)準(zhǔn)的N80鋼級范圍。在400℃加載250 MPa的條件下未發(fā)生蠕變，550℃運行1萬h的高溫持久強度的理論值為169 MPa。套管試樣在550℃空氣介質(zhì)下的氧化速率為0.01 g/（m2·h），抗CO2腐蝕能力與普通N80套管相比提高11倍。

火燒油層；套管；CO2腐蝕；高溫力學(xué)性能

1 火驅(qū)采油套管腐蝕機理

在稠油的開采過程中，為了使油層溫度升高，降低稠油黏度，使稠油易于流動，從而將稠油采出，存在蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、熱水驅(qū)、火驅(qū)采油等熱采油的方法。其中，火驅(qū)采油是燃燒地層的一部分原油以提高稠油采收率的最具潛力的熱采技術(shù)之一?；馃?qū)油采油技術(shù)是選擇1口油井作為點火、注氣井，利用點火器將油層內(nèi)原油點燃，并持續(xù)注入空氣，維持油層內(nèi)原油燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的熱能和氣體把原油驅(qū)向鄰近生產(chǎn)井進行生產(chǎn)［1］?；痱?qū)原油過程是多種機制綜合起作用的結(jié)果，如熱裂解、混相驅(qū)動、氣驅(qū)、巖石及油層流體的熱膨脹作用、地下流體的重力分離作用、蒸汽導(dǎo)致油層巖石相對滲透率及毛細(xì)力的變化等?；馃?qū)油是最早用于開發(fā)稠油的熱采技術(shù)，在國外已有多年較大規(guī)模的礦場應(yīng)用歷史，取得了許多成功的經(jīng)驗?，F(xiàn)場試驗資料證實，火燒驅(qū)油采收率可達50%～80%［2-3］。

經(jīng)過了國內(nèi)外幾十年的研究發(fā)展，隨著火燒驅(qū)油采油技術(shù)不斷推廣，注氣井、生產(chǎn)井管柱的腐蝕問題逐漸開始被重視。如某油田采用火驅(qū)采油，井深600 m，油層為典型的環(huán)烷基原油，膠質(zhì)含量42.2%，含蠟量1.36%，酸值3.25 mg KOH/g，地層水氯離子含量3 431.5 mg/L，總礦化度8 430.6 g/L，水型為NaHCO3型。注氣井參數(shù)：注入壓縮空氣，壓力10 MPa，60～70℃左右，連續(xù)供氣3～5 a；底部40～50 m井段450～500℃高溫，其余的500～550 m溫度250℃左右，持續(xù)480 h。生產(chǎn)井參數(shù)：產(chǎn)出氣體有CO2、CO、H2S、N2等；產(chǎn)出液溫度一般＜150℃。

從國外火燒驅(qū)油井腐蝕的案例［4］并結(jié)合實際井況，可能產(chǎn)生3類腐蝕：1）高溫氧化。套管和注入空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)。2）在高溫、高礦化度地層條件下的腐蝕，原油燃燒生成的CO2、SO2以及過剩的O2與地層內(nèi)部的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸、亞硫酸、硫酸，對套管產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。注入井濕式火燒過程中，空氣與水交替注入所引起的氧腐蝕。氧腐蝕使管材局部產(chǎn)生很深的腐蝕坑，長期作用導(dǎo)致管材腐蝕穿孔，或出現(xiàn)嚴(yán)重的麻點現(xiàn)象，使管材強度降低。3）生產(chǎn)井中的硫化氫腐蝕。生產(chǎn)井由于產(chǎn)液溫度較高（150℃左右），酸性腐蝕、氧化腐蝕同時并存。原油中硫醇、硫醚等有機硫化物在高溫下反應(yīng)生成硫化氫；地層中含硫礦物在高溫下反應(yīng)生成硫化氫；地層水中硫酸鹽還原菌在油層條件下將硫酸鹽還原成硫化氫。某井的試驗表明，溫度是產(chǎn)生硫化氫的主要外在因素，溫度在100℃以上時，每升高20℃，硫化氫含量平均增加0.03%左右；溫度在160～180℃時，硫化氫含量增加幅度最大；溫度高于180℃后，硫化氫含量增加幅度明顯減小［5］。而生產(chǎn)井中的溫度在150℃左右，故硫化氫的腐蝕問題應(yīng)當(dāng)考慮。

在火燒原油過程中，高溫火焰和套管接觸傳熱，鋼管的溫度可高達500℃。高溫不僅會使材料軟化，而且還會使鋼管氧化減薄。原油燃燒所產(chǎn)生的大量的二氧化碳會使鋼管產(chǎn)生二氧化碳腐蝕。由于高溫氧腐蝕及酸性腐蝕使管材局部產(chǎn)生腐蝕坑，長期作用導(dǎo)致管材腐蝕穿孔甚至斷裂。為此，有必要從高溫下防腐蝕及保持持久強度的角度來考慮管柱的選材和產(chǎn)品開發(fā)。

2 套管試制及性能

經(jīng)過大量的試驗研究證明，較普通套管而言，Cr含量3%的套管產(chǎn)品具有良好的抗CO2、H2S和Cl-腐蝕性能，是一種價格適中的“經(jīng)濟型”非API系列油套管產(chǎn)品。因此，火驅(qū)采油套管用鋼的選材在Cr含量3%的基礎(chǔ)上進行成分調(diào)整，復(fù)合添加Mo、W、V等合金元素提高材料的耐熱性能，所設(shè)計的火燒油田用BG80H-3Cr化學(xué)成分見表1。

表1 BG80H-3Cr化學(xué)成分%

套管的生產(chǎn)工藝流程如下：首先鋼水經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，連鑄成圓坯，熱軋后獲得的無逢鋼管在880～940℃保溫后水淬，于620～710℃高溫回火，然后熱定徑與熱矯直，獲得鋼管的金相組織為回火索氏體。常溫下BG80H-3Cr套管的屈服強度在552～758 MPa，抗拉強度≥689 MPa，延伸率≥10%，V型缺口夏比全尺寸試樣（10 mm×10 mm× 55 mm）在0℃環(huán)境條件下橫向沖擊功平均值≮20 J。檢測生產(chǎn)套管的常溫力學(xué)性能見表2，屈服強度和抗拉強度滿足API標(biāo)準(zhǔn)的80鋼級的要求，橫向沖擊功實測90 J，常溫力學(xué)性能優(yōu)良。

表2 BG80H-3Cr常溫下力學(xué)性能

高溫拉伸力學(xué)性能見圖1。材料在室溫至450℃的溫度范圍內(nèi)，屈服強度保持在80鋼級的范圍，在500℃屈服強度仍＞500 MPa，具有優(yōu)良的抗高溫軟化性能，可以有效抵抗高溫載荷，滿足實際井況的使用。

圖1 高溫短時屈服強度和溫度的關(guān)系

BG80H-3Cr套管試樣在高溫載荷下的斷裂強度和試驗時間的關(guān)系見圖2。試樣在160 MPa的載荷下保持6個月尚未斷裂。使用指數(shù)關(guān)系式獲得擬和的斷裂強度σ和試驗時間t公式為σ=t403.4-0.105，經(jīng)推算，材料在550℃1萬h的持久強度為169 MPa，和性能優(yōu)異的耐高溫高壓的T23鍋爐管水平相當(dāng)。同樣在400℃加載250 MPa的條件下，BG80H-3Cr試樣蠕變曲線和普通N80材料25Mn2的對比曲線見圖3。隨著時間的延長，25Mn2發(fā)生顯著變形，而BG80H-3Cr試樣沒有發(fā)生蠕變，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗蠕變能力，可以有效抵御長時間高溫條件下因材料蠕變而導(dǎo)致的套損現(xiàn)象，如脫扣、斷裂等。

圖2 550℃持久強度（箭頭表示試樣尚未斷裂）

圖3 400℃/250 MPa下的蠕變曲線

圖4為BG80H-3Cr試樣中析出相的明場照片。圖中顯示的析出相沿馬氏體板條邊界或在馬氏體板條內(nèi)部彌散析出。從照片中可以看出，沿晶界分布著塊狀的、短桿狀的碳化物以及非常細(xì)小的顆粒。通過暗場操作以及使用高分辨透射電鏡觀察小尺寸的析出物，這些納米級的析出相沿馬氏體晶界具有明顯的取向性，且在整個基體上析出得更加彌散、均勻、細(xì)小，見圖5。這種顆粒不僅對套管的壓潰性能有好處［6］，而且由于細(xì)小碳氮化物具有強烈的釘扎位錯、阻礙晶界遷移的能力，有益于提高材料的持久強度［7］，這對長期處于高溫高壓工作條件下的BG80H-3Cr套管來說具有重要意義。

圖4 BG80H-3Cr鋼的電鏡照片（H-800電鏡）

圖5 BG80H-3Cr鋼中MC析出物（H-800電鏡）

3 模擬井況下BG80H-3Cr性能驗證

高溫氧化性能

在550℃空氣介質(zhì)下，根據(jù)GB/T 13303-91標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法，采用增重法測定氧化速度。BG80H-3Cr套管試樣氧化速率K為0.01 g/（m2·h）。取550℃空氣介質(zhì)下氧化60 d的試樣觀察表面氧化物形成情況，見圖6。試樣表面生成了較為致密的Fe2O3氧化物，阻礙了空氣和基體材料的接觸氧化，提高材料的抗氧化性能，可以有效減緩因氧化減薄導(dǎo)致的套管承載能力下降的問題。

圖6 550℃下保溫60 d后表面氧化形貌

3.2 抗CO2腐蝕性能

采用高溫高壓釜的加速試驗方法來評估BG80H-3Cr材料的抗二氧化碳腐蝕性能，試驗結(jié)果見表3。BG80H-3Cr的腐蝕速度為4.4 mm/a或3.5 mm/a，較普通N80在相同條件下的50 mm/a或41 mm/a分別降低11.4或11.7倍。因此，BG80H-3Cr的抗CO2腐蝕能力與普通套管相比提高11倍，具有優(yōu)良的抗二氧化碳腐蝕性能。

模擬注氣井井況，溫度150℃，環(huán)烷基原油中膠質(zhì)含量43%，含蠟量1.4%，酸值3.2 mg KOH/g，地層水氯離子含量3 500 mg/L，總礦化度8 500 mg/L，水型為NaHCO3型，同時保持CO2含量10%～24%的條件下試驗3個月。取樣發(fā)現(xiàn)試樣未見明顯腐蝕，經(jīng)測試，BG80H-3Cr套管在模擬井況條件下的CO2年腐蝕速度為0.1 mm/a。

3.3 抗H2S腐蝕性能

模擬生產(chǎn)井井況，溫度150℃，其他與模擬注氣井井況相同，并保持H2S含量2×10-6、CO2含量10%～24%的條件下，BG80H-3Cr鋼材在720 h內(nèi)未出現(xiàn)硫化氫致開裂，開發(fā)的BG80H-3Cr套管抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

4.1 開發(fā)的BG80H-3Cr套管室溫力學(xué)性能優(yōu)良，在室溫至450℃的使用溫度范圍內(nèi)，屈服強度仍在API標(biāo)準(zhǔn)的N80鋼級范圍，在500℃屈服強度仍大于500 MPa。

4.2 BG80H-3Cr套管材料在整個基體上析出大量納米級細(xì)小的碳化物顆粒，有益于提高材料的持久強度。在550℃、1萬h的條件下，該材料高溫持久強度的推測值為169 MPa，在400℃加載250 MPa的條件下未發(fā)生蠕變。

4.3 BG80H-3Cr套管試樣在550℃空氣介質(zhì)下的氧化速率為0.01 g/（m2·h），氧化60 d后表面形成了較為致密的Fe2O3氧化物，具有較高的抗高溫氧化腐蝕能力。

4.4 BG80H-3Cr套管的抗CO2腐蝕能力與普通N80套管相比提高11倍。在模擬井況條件下的CO2年腐蝕速度為0.1 mm/a，未發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，具有優(yōu)良的抗二氧化碳腐蝕的能力和抗硫性能。

表3 CO2腐蝕速率試驗條件與結(jié)果

［1］懷特P D，莫斯J T.熱采方法［M］.王彌康，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1988:3-11.

［2］M.帕拉茨.熱力采油［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989.

［3］岳清山，王艷輝.火燒驅(qū)油采油方法的應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［4］《油氣田腐蝕與防護技術(shù)手冊》編委會.油氣田腐蝕與防護技術(shù)手冊（上）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999：43-1 521.

［5］王潛.遼河油田油井硫化氫產(chǎn)生機理及防治措施［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35（3）：349-354.

［6］田青超，董曉明，郭金寶.超高抗擠套管產(chǎn)品的研發(fā)［J］.鋼管，2008，37（6）：32-36.

［7］Taneike M，Abe F and Sawada K.Creep-strengthening of steel at high temperatures.using nano-sized carbonitride dispersions［J］. Nature，2003，424：6 946.

Trial-manufacture Development of In-situ Combustion Oil Casing

YUE Lei1,TIAN Qing-chao2
（1 Shanghai Baosteel Trading Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China; 2 The Steel Pipe Institute of Baosteel Research Institute,Shanghai 201900,China）

According to the working conditions of the casing suitable for fireflood production,a BG80H-3Cr casing were prepared using a 3%Cr steel alloyed with Mo,W and V elements.The inspection results showed that the yield strength of the casing product ranges within the API specified N80 grade scope in use temperature ranges from room temperature to 450℃.Creep behavior did not occur at 400℃loaded with 250 MPa and the creep rupture strength at 550℃running 10 000 h was predicted to be 169 MPa.The oxidation rate of the prepared casing specimen was 0.01 g/（m2·h）at 550℃under air atmosphere.The CO2corrosion resistance property was increased 10 times that common N80 casing.

in-situ combustion;casing;CO2corrosion;high temperature mechanical property

TE931.04

A

1004-4620（2010）03-0053-03

2009-12-15

岳磊，男，1979年生，2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為上海寶鋼商貿(mào)有限公司石油管部主管，從事油井管技術(shù)開發(fā)和服務(wù)工作。