高壓高產(chǎn)含H2S天然氣井管柱破壞機(jī)理探討

吳 睿，汪海波，何高法，蔣德平

（重慶科技學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

高壓、高產(chǎn)且含H2S等具有強(qiáng)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(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行；重度破壞導(dǎo)致氣井報(bào)廢而不得不填井，帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對高壓高產(chǎn)含H2S天然氣井管柱破壞機(jī)理進(jìn)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(yù)測提供依據(jù)，是防患于未然、降低經(jīng)濟(jì)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(xiàn)檢索結(jié)果，關(guān)于腐蝕對油氣井管柱的影響國內(nèi)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(dòng)狀況綜合起來研究天然氣井管柱使用壽命，并由此預(yù)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(yán)重破壞部分(為方便敘述，后稱臨界部分)剩余強(qiáng)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(shí)間。根據(jù)木桶短板效應(yīng)，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(shí)更換，臨界部分的繼續(xù)破壞將導(dǎo)致在將管柱起出過程中發(fā)生落井事故而導(dǎo)致天然氣井報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際使用中，將管柱使用壽命與預(yù)先設(shè)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(jī)理進(jìn)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(jì)分析表明，70%的失效和腐蝕有關(guān)。根據(jù)研究，可以認(rèn)為腐蝕介質(zhì)中CO2、H2S、和O2是腐蝕劑，H2O是載體[1]。

關(guān)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(diǎn)腐蝕，其中臺面狀坑點(diǎn)腐蝕是腐蝕過程中最嚴(yán)重的情況，其穿透力通常每年可達(dá)數(shù)毫米[2]。參考文獻(xiàn)[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——?dú)怏w常數(shù)

ε——反應(yīng)活化能

Z——反應(yīng)頻度因子

T——反應(yīng)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(guān)。

根據(jù)研究，無水H2S在250℃以下腐蝕性較弱，而濕H2S介質(zhì)當(dāng)溫度在100～160℃時(shí)能生成保護(hù)性較好的Fe1-xS和FeS2保護(hù)膜[1]。De Waard[4]等認(rèn)為，在70℃～80℃時(shí)，CO2的腐蝕速率存在一個(gè)最大值，此后隨溫度升高，腐蝕速率降低，這是因?yàn)樯闪薋eCO3或 Fe3O4膜。研究表明[5]，隨著CO2分壓的增大，最大腐蝕速率對應(yīng)的溫度向低溫方向移動(dòng)。

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

天然氣井管柱的腐蝕機(jī)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(zhuǎn)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(dá)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(zhì)分壓降低，又使腐蝕速度呈沿井管柱升高而減小趨勢。結(jié)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(shí)高壓導(dǎo)致氣體流速較快，其對均勻截面管壁部分的沖刷導(dǎo)致腐蝕載體水不能夠穩(wěn)定的附著于管壁形成電化學(xué)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于一體管柱。因此，可以得到結(jié)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(yàn)證上述結(jié)論，利用相關(guān)軟件，對圖1所示管柱接箍部分的壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析，得到結(jié)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(shí)，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(diǎn)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(xué)腐蝕電池。接箍處一般為螺紋聯(lián)接，隨著腐蝕的不斷進(jìn)行，螺紋牙不斷被腐蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度不斷降低。最后，當(dāng)腐蝕造成螺紋聯(lián)接強(qiáng)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(dá)到壽命極限，因?yàn)?，如果此時(shí)不進(jìn)行管柱更換，則將導(dǎo)致管柱更換時(shí)發(fā)生落井事故。這進(jìn)一步驗(yàn)證了前文所得出的結(jié)論。

圖1 管住接箍處結(jié)構(gòu)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(jié)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(yán)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(yán)重區(qū)域則發(fā)生在位于該區(qū)域內(nèi)的接箍處。該處發(fā)生破壞的壽命就是整個(gè)管柱的使用壽命。

3）根據(jù)上述管柱破壞機(jī)理，計(jì)算出氣井內(nèi)溫度、壓力分布，進(jìn)一步計(jì)算出腐蝕性介質(zhì)的氣體分壓，結(jié)合管柱材料性質(zhì)、腐蝕速度計(jì)算模型和接箍處螺紋強(qiáng)度計(jì)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(shí)際生產(chǎn)過程中管柱的更換具有指導(dǎo)意義，可以有效的提高經(jīng)濟(jì)效益和避免安全事故的發(fā)生。

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

[2] 何鮮.國外深曾氣藏開采技術(shù)[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(xué)認(rèn)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).