中國(guó)近海油套管防腐設(shè)計(jì)方法優(yōu)化與防腐新策略*

邢希金 周建良 劉書(shū)杰 李玉光

(中海油研究總院)

中國(guó)近海油套管防腐設(shè)計(jì)方法優(yōu)化與防腐新策略*

邢希金 周建良 劉書(shū)杰 李玉光

(中海油研究總院)

利用中國(guó)近海油氣田井下腐蝕環(huán)境不含H2S、低含CO2的特點(diǎn),引入非API標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)型低鉻管材,通過(guò)室內(nèi)近700組模擬井下腐蝕實(shí)驗(yàn)建立了中國(guó)海油防腐選材圖版,通過(guò)修正腐蝕速率計(jì)算方法和建立沿井筒分壓剖面優(yōu)化了防腐設(shè)計(jì)方法,進(jìn)而提出了海上油套管防腐新策略,即組合材質(zhì)策略和低鉻管材策略?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)表明,新防腐策略可以滿足海上全壽命周期安全生產(chǎn)需要,目前已應(yīng)用于中國(guó)近海27個(gè)油氣田近500口井的開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施中,大大降低了油套管費(fèi)用,促進(jìn)了海上油氣田難動(dòng)用儲(chǔ)量的開(kāi)發(fā)。

中國(guó)近海;油套管;防腐圖版;防腐新策略;組合材質(zhì);低鉻管材

油氣田開(kāi)發(fā)中油套管腐蝕破壞會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,近些年引起了廣泛關(guān)注[1-3]。由于海洋石油開(kāi)發(fā)所處環(huán)境特殊,集束鉆井單井費(fèi)用高昂,加之生產(chǎn)平臺(tái)井槽數(shù)量有限,生命周期內(nèi)每口井的完整性就顯得尤為重要,使油氣田開(kāi)發(fā)油套管防腐等級(jí)高于陸地油田。為了滿足高效開(kāi)發(fā)海上油氣田的需求,針對(duì)中國(guó)近海油氣田井下腐蝕環(huán)境不含H2S、低含CO2的特點(diǎn)進(jìn)行了立項(xiàng)研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了適用于中國(guó)近海油氣田的低鉻鋼防腐選材圖版,探索出了腐蝕速率隨時(shí)間的變化規(guī)律,優(yōu)化了腐蝕速率的計(jì)算方法,提出了建立沿井筒分壓剖面指導(dǎo)精確選材的思路,確定了經(jīng)濟(jì)型低鉻管材和組合材質(zhì)防腐策略,大大降低了油套管費(fèi)用,從而促進(jìn)了海上油氣田難動(dòng)用儲(chǔ)量的開(kāi)發(fā)。

1 防腐選材圖版的建立

對(duì)中國(guó)近海4個(gè)海域已開(kāi)發(fā)及部分待開(kāi)發(fā)油氣田井下腐蝕環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)僅番禺4-2/5-1油田、流花11-1油田及渤海的深層油田含H2S,絕大部分油氣田腐蝕環(huán)境表現(xiàn)為低含CO2、不含H2S的特征,如圖1所示。由圖1可以看出,中國(guó)近海94%油氣田CO2分壓小于2.31 MPa,油層溫度介于50～150℃之間,處于易發(fā)生腐蝕區(qū)域。中國(guó)近海油氣田所表現(xiàn)出的低含CO2、不含H2S的特定腐蝕環(huán)境特征為低鉻材質(zhì)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),也為防腐新策略的提出提供了條件。

圖1 中國(guó)近海油氣田井下腐蝕環(huán)境統(tǒng)計(jì)結(jié)果

20世紀(jì)90年代中期,A.Ikeda等多位學(xué)者系統(tǒng)地研究了鉻含量對(duì)腐蝕速率的影響,并指出含鉻鋼的腐蝕性能與腐蝕溫度密切相關(guān),中低溫條件下鉻鋼腐蝕速率明顯小于碳鋼[4];發(fā)現(xiàn)低鉻鋼腐蝕后鉻元素會(huì)在腐蝕產(chǎn)物膜中富積,增強(qiáng)了金屬基體的保護(hù)性[4-7]。隨著研究的不斷深入,研發(fā)出了一系列1Cr～5Cr非API標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)性低鉻管材,并逐步在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用。隨后非標(biāo)1Cr、3Cr等低鉻管材在國(guó)內(nèi)大量生產(chǎn),其價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯,成本不超過(guò)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[7]推薦使用13Cr管材的50%,廣泛被國(guó)內(nèi)各油田所接受。但是,這些經(jīng)濟(jì)性低鉻管材在不同分壓與溫度下的使用條件尚不明確,這為油套管選材帶來(lái)了極大不便。

為使上述經(jīng)濟(jì)型低鉻材質(zhì)能更好地應(yīng)用于中國(guó)近海油氣田,根據(jù)中國(guó)近海油氣田井下腐蝕環(huán)境提出了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究思路,綜合各海域地層水化驗(yàn)結(jié)果取氯離子含量25 000 mg/L,首先測(cè)試固定CO2分壓、不同溫度條件下各材質(zhì)的腐蝕速率與點(diǎn)蝕情況,其次測(cè)試固定溫度、不同CO2分壓條件下各材質(zhì)的腐蝕速率與點(diǎn)蝕情況,從而得到各低鉻材質(zhì)在不同溫度和不同分壓條件下的腐蝕情況。通過(guò)室內(nèi)近700組模擬井下腐蝕實(shí)驗(yàn),取點(diǎn)蝕控制線和均勻腐蝕控制線(按照NACE RP0775-2005腐蝕速率小于0.127 mm[8])的下包絡(luò)線,界定了低鉻材質(zhì)的適用范圍(圖2,以3Cr為例),將不同低鉻材質(zhì)的適用范圍繪制到同一個(gè)坐標(biāo)系中,從而形成了中國(guó)海油防腐選材圖版(圖3),目前該圖版已經(jīng)編入中國(guó)海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

實(shí)踐證明,中國(guó)海油防腐選材圖版的建立使得海上油套管防腐策略發(fā)生了重大變化,組合材質(zhì)防腐和低鉻材質(zhì)防腐被廣泛應(yīng)用,突破了原來(lái)僅能在不防腐與采用高級(jí)別鉻鋼(13Cr)防腐之間選擇的困局,在確保井下安全的前提下大幅降低了油套管防腐成本。

圖2 低鉻材質(zhì)適用范圍的界定過(guò)程

圖3 中國(guó)海油防腐選材圖版[9]

2 防腐設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

2.1 腐蝕速率修正

模擬井下環(huán)境室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量待服役金屬管材的腐蝕速率是目前油田防腐設(shè)計(jì)的常規(guī)方法,實(shí)驗(yàn)得出的腐蝕速率可以直接指導(dǎo)選材,但這往往忽視了腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)緩蝕的影響,導(dǎo)致選擇的金屬材質(zhì)過(guò)于保守,無(wú)形中增加了腐蝕裕量,從而增加了管材的用量。在不發(fā)生點(diǎn)蝕和局部腐蝕的情況下,可以通過(guò)增加壁厚來(lái)滿足工程安全要求,這就要求防腐設(shè)計(jì)中要準(zhǔn)確計(jì)算腐蝕裕量。本文通過(guò)腐蝕速率與時(shí)間的關(guān)系優(yōu)化了腐蝕速率的計(jì)算方法,其計(jì)算結(jié)果更真實(shí)地反映了井下的腐蝕情況。

防腐設(shè)計(jì)中,通常選擇一種管材進(jìn)行室內(nèi)模擬井下工況的腐蝕實(shí)驗(yàn),獲得7～14 d的短期腐蝕速率,并以此作為依據(jù)確定腐蝕裕量。通過(guò)稱重法對(duì)同一材質(zhì)和相同工況下不同時(shí)間段的腐蝕速率進(jìn)行測(cè)定,得到腐蝕速率與時(shí)間的關(guān)系曲線(圖4)。

圖4 測(cè)試時(shí)間與腐蝕速率關(guān)系曲線

從圖4可以看出,短期腐蝕速率明顯高于長(zhǎng)期腐蝕速率(＞28 d),并且腐蝕速率隨著時(shí)間的增加而趨于平穩(wěn),該現(xiàn)象表征了腐蝕產(chǎn)物膜保護(hù)性,因此按照常規(guī)計(jì)算方法,短期實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的腐蝕速率會(huì)比真實(shí)腐蝕速率高,防腐設(shè)計(jì)會(huì)趨于保守。由于短期腐蝕速率與長(zhǎng)期腐蝕速率呈一定函數(shù)關(guān)系,防腐設(shè)計(jì)中的腐蝕速率計(jì)算應(yīng)該將短期腐蝕速率轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期腐蝕速率,根據(jù)長(zhǎng)期腐蝕速率確定腐蝕裕量,并進(jìn)行腐蝕后的油套管強(qiáng)度校核,最終確定合適的材質(zhì)。

以圖4中1Cr材質(zhì)在CO2分壓0.6MPa、溫度90℃條件為例,可以回歸得到以下腐蝕速率修正模型:

式(1)中:Cyear為長(zhǎng)期腐蝕速率,mm/a;t為腐蝕時(shí)間,d。

實(shí)測(cè)1Cr材質(zhì)7d腐蝕速率為3.064 5 mm/a,利用公式(1)計(jì)算360 d時(shí)的腐蝕速率為0.094 0 mm/a。假設(shè)同樣服役10年,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的腐蝕裕量為30.645 mm,而通過(guò)修正模型計(jì)算的腐蝕裕量為0.940 mm。對(duì)比可知,使用修正模型計(jì)算腐蝕裕量可以大量節(jié)約鋼材的使用量。

2.2 建立沿井筒分壓剖面

由于氣井井底溫度高、分壓大、腐蝕嚴(yán)重,因此通常利用井底處CO2分壓確定氣井管材。而油井則采用泡點(diǎn)處分壓確定管材,原因是有氣體才有腐蝕,氣體開(kāi)始析出井流物時(shí)分壓最大,腐蝕最嚴(yán)重。但修井起出的管柱證明井筒壓力高于泡點(diǎn)壓力時(shí)腐蝕依然存在,這是因?yàn)橥耆芙饩魑镏械腃O2也具有腐蝕性,其腐蝕性大小取決于CO2分別溶解于油和水中量的多少,但通常小于泡點(diǎn)處的腐蝕性。

利用最苛刻工況選材雖然安全,但這種做法不經(jīng)濟(jì)?？紤]CO2腐蝕過(guò)程是緩慢的,油氣生產(chǎn)過(guò)程中井口分壓和溫度均低于井底,可以建立沿井筒CO2分壓剖面,通過(guò)分壓剖面來(lái)判斷井筒任意位置的腐蝕性,根據(jù)井筒各點(diǎn)處的分壓與溫度選擇不同材質(zhì),從而在確保安全生產(chǎn)的前提下來(lái)降低油套管成本。如圖5所示,曹妃甸11-6油田儲(chǔ)層溫度為80℃,根據(jù)選材圖版中1Cr的適用范圍,CFD11-6-2井區(qū)500 m以上可以選擇1Cr管材,500 m以下包括泵掛處(壓力波動(dòng)處)則可選擇3Cr管材,而CFD11-6D-4P井區(qū)全井段均可采用1Cr防腐。由此可見(jiàn),通過(guò)建立分壓剖面指導(dǎo)精確選材,從而可以降低油套管成本。

圖5 曹妃甸11-6油田沿井筒CO2分壓剖面

3 油套管防腐新策略

基于上述研究,可將中國(guó)近海油氣田油套管防腐新策略歸納成2類(lèi):組合材質(zhì)防腐策略和低鉻鋼防腐策略。實(shí)施效果表明,新防腐策略突破了API標(biāo)準(zhǔn),降低了油套管的材質(zhì)級(jí)別,減少了鉻鋼的用量,實(shí)現(xiàn)了中國(guó)近海油氣田特定環(huán)境下的安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。

3.1 組合材質(zhì)防腐策略

組合材質(zhì)最早應(yīng)用于文昌油田群,最初只是一種新思路嘗試,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)后成為一種新的防腐策略。組合材質(zhì)是指同一口井油管或套管使用了2種或2種以上材質(zhì),根據(jù)安全級(jí)別及經(jīng)濟(jì)性大體可分為2種類(lèi)型:保守型組合材質(zhì)和激進(jìn)型組合材質(zhì)(圖6)。點(diǎn)蝕和局部腐蝕因其腐蝕深度不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè),因此組合材質(zhì)類(lèi)型選擇前應(yīng)計(jì)算正常生產(chǎn)期間沿井筒CO2分壓剖面,確定可能發(fā)生點(diǎn)蝕或局部腐蝕的位置,以便將生產(chǎn)封隔器座封于安全的位置。

圖6 組合材質(zhì)示意圖

1)保守型組合材質(zhì)。保守型組合材質(zhì)的防腐思路是防止與流體接觸的管材發(fā)生點(diǎn)蝕,具體做法是封隔器以上150 m及以下套管全部使用防點(diǎn)蝕管材,其余套管使用普通碳鋼,油管使用防點(diǎn)蝕材質(zhì)。取封隔器以上150 m長(zhǎng)度防點(diǎn)蝕的主要原因是修井過(guò)程中封隔器位置會(huì)上移變更。該策略的優(yōu)點(diǎn)就是生產(chǎn)期間油套管都是安全的,與全井段防腐相比至少節(jié)約1/4油套管費(fèi)用。

2)激進(jìn)型組合材質(zhì)。激進(jìn)型組合材質(zhì)的防腐思路是防止生產(chǎn)封隔器位置的管材發(fā)生點(diǎn)蝕,人為在井中設(shè)置一個(gè)瓶頸。具體做法是僅封隔器上下各150 m使用防點(diǎn)蝕材質(zhì),其余套管使用普通碳鋼,油管使用防點(diǎn)蝕材質(zhì)。該策略僅適用于油層單一、儲(chǔ)層上方套管處無(wú)高壓水層或鹽膏層的油氣井,與全井段防腐相比至少節(jié)約油套管費(fèi)用1/2以上。

3.2 低鉻鋼防腐策略

經(jīng)濟(jì)型低鉻材質(zhì)主要指非API標(biāo)準(zhǔn)的1Cr、3Cr、5Cr、9Cr管材,由于5Cr與3Cr防腐性能相近, 9Cr價(jià)格與13Cr相當(dāng),因此5Cr和9Cr兩種材質(zhì)都沒(méi)有得到工業(yè)界量產(chǎn)。低鉻鋼防腐的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉,1Cr管材的價(jià)格為碳鋼的1.2倍,3Cr管材價(jià)格為碳鋼的1.5倍,且適用于低含CO2環(huán)境,與中國(guó)近海油氣田腐蝕環(huán)境相符。低鉻鋼的適用范圍被界定后,漸漸被中國(guó)近海油氣田所接受并廣泛推廣應(yīng)用,成為海上油套管防腐蝕新策略,大幅節(jié)約了油套管防腐成本。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

組合材質(zhì)防腐策略已在中國(guó)近海油田生產(chǎn)中取得良好效果。以文昌油田群為例,該油田群投產(chǎn)于2008年,套管采用了1Cr+13Cr激進(jìn)型組合材質(zhì)防腐,完井管柱采用了13Cr材質(zhì),生產(chǎn)至今井況良好,無(wú)環(huán)空待壓現(xiàn)象,很少進(jìn)行大修井作業(yè),未發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕穿孔現(xiàn)象。組合材質(zhì)防腐策略在保證安全的前提下大幅度降低了套管費(fèi)用,如以海上井深3 000 m的常規(guī)水平井為例計(jì)算套管費(fèi)用,組合材質(zhì)防腐較全井段13Cr防腐可以節(jié)約套管費(fèi)用240萬(wàn)元。目前組合材質(zhì)防腐策略已在中國(guó)海油各海域待開(kāi)發(fā)油氣田推廣應(yīng)用(表1)。

低鉻鋼以其低廉價(jià)格與優(yōu)良的防點(diǎn)蝕性能越來(lái)越廣泛應(yīng)用于中國(guó)近海油田。低鉻鋼防腐策略首先在西江油田、惠州聯(lián)合油田成功實(shí)施應(yīng)用,之后逐漸推廣應(yīng)用于渤海的墾利油田、東海的黃巖氣田與紹興氣田以及南海東部的惠州油田、番禺油田等待開(kāi)發(fā)油田ODP設(shè)計(jì)中。

表1 組合材質(zhì)防腐策略在中國(guó)海油的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

截至2014年7月,新的防腐策略已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)近海27個(gè)油氣田近500口井的開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施中,目前反饋效果均良好。證明新防腐策略可以滿足中國(guó)近海油氣田油氣井安全生產(chǎn)需求,值得推廣應(yīng)用。由于油套管腐蝕行為是長(zhǎng)期積累的過(guò)程,新防腐策略應(yīng)用時(shí)間尚短,其長(zhǎng)期有效性還有待進(jìn)一步跟蹤和監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

1)界定了低鉻鋼的使用范圍,并根據(jù)中國(guó)近海油氣田的腐蝕環(huán)境建立了防腐選材圖版,為海上防腐策略創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

2)利用時(shí)間與腐蝕速率的函數(shù)關(guān)系優(yōu)化了腐蝕速率計(jì)算方法,提出了建立沿井筒分壓剖面指導(dǎo)精確選材的思路,滿足了不同材質(zhì)管柱的組合使用需求。

3)防腐新策略的實(shí)施可以大幅降低油套管費(fèi)用,已實(shí)施油田防腐效果評(píng)價(jià)表明,新防腐策略目前可以滿足中國(guó)近海油氣田油氣井安全生產(chǎn)需求,值得推廣應(yīng)用。

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Design method optimization and new strategy for tubing and casing anti-corrosion in China offshore

Xing Xijin Zhou Jianliang Liu Shujie Li Yuguang
(CNOOC Research Institute,Beijing,100028)

Considering the characteristics of no hydrogen sulfide and low content of carbon dioxide in the downhole corrosive environment of the China offshore oil and gas fields,non API standard,economical and low-chrome steel pipe has been brought in.The anti-corrosive material selection chart for CNOOC has been established through more than 700 groups of simulative downhole corrosion tests.In addition,by calculating partial pressure profile along shaft,the anti-corrosion design method is optimized and new anti-corrosive strategies for offshore tubing and casing are proposed.The field application and effect evaluation show that the new anti-corrosive strategies,i.e. combined material strategy and low-chrome steel strategy,could satisfy the safe production in offshore well life cycle and greatly reduce the cost of tubing and casing,which has been widely used in the designs and implementation of nearly 500 wells in 27 China offshore oil and gas fields and promoted the development of hard-to-recover reserves in offshore oil and gas fields.

China offshore;tubing and casing;anticorrosive chart;new anti-corrosive strategy;combined material;low-chrome steel pipe

2014-01-20改回日期:2014-07-10

(編輯:孫豐成)

*中海石油(中國(guó))有限公司綜合科研項(xiàng)目“油套管優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合研究(編號(hào):ZWJ2008-01)”部分研究成果。

邢希金,男,工程師,2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué),現(xiàn)主要從事海洋石油開(kāi)發(fā)油田化學(xué)與井筒完整性研究工作。地址:北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院1號(hào)樓701室(郵編:100028)。電話:010-84526245。E-mail:xingxj2@cnooc.com.cn。