元壩超深含硫氣井防腐技術(shù)研究實(shí)踐

薛麗娜 陳琛 熊昕東 史雪枝 張瑤 潘寶風(fēng)

（中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

元壩超深含硫氣井防腐技術(shù)研究實(shí)踐

薛麗娜 陳琛 熊昕東 史雪枝 張瑤 潘寶風(fēng)

（中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

元壩氣田是世界范圍內(nèi)陸上氣田投產(chǎn)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)最高的工程項(xiàng)目之一，超深、高溫、高含H2S、中含CO2，經(jīng)濟(jì)安全防腐矛盾尤為突出?？紤]經(jīng)濟(jì)性，采用適用性設(shè)計(jì)，模擬元壩H2S／CO2／S氣田環(huán)境評價，證實(shí)國產(chǎn)高鎳合金的抗腐蝕性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)采用4c＋4d國產(chǎn)高鎳合金油管、718＋725工具組合材質(zhì)方案，保證安全的同時降低了材質(zhì)級別。為進(jìn)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(hù)液。國產(chǎn)高鎳合金管、電鍍鎢襯管和無固相環(huán)空保護(hù)液綜合防腐技術(shù)在現(xiàn)場15口井應(yīng)用，為元壩氣田34×108m3產(chǎn)能建設(shè)起到了關(guān)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(hù)液

0 引言

元壩氣田是世界范圍內(nèi)陸上氣田投產(chǎn)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)最高的工程項(xiàng)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(zhì)性強(qiáng)，開采安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾異常突出的問題，按照類似氣藏采用進(jìn)口高級別合金抗硫完井材質(zhì)，將導(dǎo)致投入產(chǎn)出比無法達(dá)到產(chǎn)能建設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)要求，無法對元壩長興組進(jìn)行規(guī)模開發(fā)。

2013-2014年是元壩氣田投產(chǎn)的高峰期，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、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(hù)液等防腐工藝研究和應(yīng)用，確保了元壩氣田經(jīng)濟(jì)、安全完井投產(chǎn)，為元壩氣田34×108m3產(chǎn)能建設(shè)提供了技術(shù)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(jì)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(jì)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(shí)踐，元壩長興組高含硫氣藏必須考慮單質(zhì)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(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)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(dá)到157℃且含有單質(zhì)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(jì)性，采用適用性設(shè)計(jì)，因此需要通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(jì)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(nèi)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(yàn)，特別是國產(chǎn)鎳基合金的抗腐蝕性能評價，以指導(dǎo)選材。

2.1.1 國產(chǎn)鎳基合金油套管試驗(yàn)評價

考慮經(jīng)濟(jì)性，采用適用性設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(nèi)產(chǎn)品在模擬元壩環(huán)境中的抗腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了國產(chǎn)4c和4d鎳基合金與進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)評價結(jié)果表

2.1.2 4c＋4d、718＋725組合材質(zhì)設(shè)計(jì)

元壩長興組氣井周圍人口稠密，安全責(zé)任和社會責(zé)任重大，考慮經(jīng)濟(jì)性的同時應(yīng)該選擇趨于保守的設(shè)計(jì)。依據(jù)ISO15156［4］，4d類和4c類材質(zhì)分別在149℃和132℃內(nèi)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(jìn)行了井溫預(yù)測（計(jì)算不同產(chǎn)量下溫度為132℃時對應(yīng)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(zhì)級別。

表3 元壩長興組不同產(chǎn)量下132℃時對應(yīng)的井深表

2.2 鍍鎢襯管新材料防腐技術(shù)

為進(jìn)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(diǎn)，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(yīng)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(yīng)用，故該防腐技術(shù)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(yīng)性評價。

2.2.1 腐蝕性評價

為檢驗(yàn)電鍍鎢合金鍍層在元壩長興組氣藏的抗腐蝕性能，設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，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(zhì)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(shè)計(jì)使用壽命8a計(jì)算，鍍層厚度需達(dá)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(yàn)結(jié)果表

2.2.2 上扣實(shí)驗(yàn)及鍍層顯微分析評價

為檢驗(yàn)上扣過程中液壓大鉗對夾持部位鍍層的影響，開展上扣實(shí)驗(yàn)，并對夾持部位取樣進(jìn)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(jìn)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(dá)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(nèi)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(jì)算，單井可節(jié)約400萬元。

2.3 160℃高溫?zé)o固相環(huán)空保護(hù)液研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)

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

2.3.1 性能評價

對研制的環(huán)空保護(hù)液進(jìn)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(hù)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(fēng)險(xiǎn)。開展了為期1a的長期160℃環(huán)空保護(hù)液高溫緩蝕實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)空保護(hù)液對鋼片緩蝕性能良好。

2.3.2 環(huán)空保護(hù)液替入時機(jī)優(yōu)化

元壩超深井以襯管完井為主，環(huán)空保護(hù)液替入時機(jī)是成功的關(guān)鍵。類似酸性氣田采用管柱到位后，再進(jìn)行頂替環(huán)空保護(hù)液，面臨以下問題：頂替過程中完井封隔器有提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)；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(hù)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(hù)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(hù)液的頂替效率。

3 應(yīng)用效果

2013-2014年，通過國產(chǎn)鎳基合金管推廣、組合材質(zhì)設(shè)計(jì)、鍍鎢管和環(huán)空保護(hù)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(yīng)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(jì)降低成本1500余萬元。③元壩氣田進(jìn)行了環(huán)空保護(hù)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(shè)計(jì)要求，并根據(jù)完井投產(chǎn)進(jìn)度安排成功進(jìn)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(yīng)用。

4 結(jié)論和建議

1）采用適用性設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了國產(chǎn)鎳基合金與進(jìn)口的相比同樣具有良好的抗腐蝕性能。采用了組合材質(zhì)設(shè)計(jì)，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(zhì)經(jīng)濟(jì)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(shù)，鍍層抗腐蝕性腐蝕速率僅為0.0076～0.0119 mm／a，襯管管體內(nèi)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(diǎn)的無固相環(huán)空保護(hù)液產(chǎn)品，密度在1.0～2.3g／cm3可調(diào)，pH約為11，比同類產(chǎn)品降低40%。

［1］薛麗娜，周小虎，嚴(yán)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(hù)［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(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)研究及應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（11）：46-49.

（編輯：李臻）

B

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(xiàng)課題“低滲油氣田完井關(guān)鍵技術(shù)”（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(shè)計(jì)工作。E-mail：firstlina@sina.com。