延安氣田下古生界氣藏完井管柱分段選材研究

馮　博，唐永槐，燕迎飛，姚　軍

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安　710075)

由于CO2或H2S 等苛刻環(huán)境的普遍存在，油氣田裝備用油套管鋼遇到了嚴重的腐蝕問題[1]。國內外雖然已經開展了一些在H2S/CO2共存條件下的腐蝕研究，但大部分研究思路是將低含量的H2S作為CO2腐蝕的一種影響因素[2]。大量的試驗和實踐表明，CO2和H2S共存時的腐蝕行為遠比它們單獨作用時復雜[3-5]。

延安氣田屬低含H2S、中—低含CO2氣藏[6]，井下管柱腐蝕成為氣田安全生產的主要威脅，需要就此問題展開針對性研究。

1　問題的提出

井下管柱材質的選擇一般根據H2S和CO2的分壓進行(圖1)，根據這種方法，延安氣田下古生界氣藏氣井大部分應該選用鎳基合金材質的管材，但這種管材價格昂貴，制約了其在延安氣田下古生界氣藏的大規(guī)模使用。

在目前的生產實踐中，存在的問題主要是管柱斷裂(圖2)和井下管柱大面積腐蝕(圖3)。通過技術手段分析，斷裂是由硫化物應力開裂導致的，而腐蝕產物主要為FeCO3和Fe3C，判定其腐蝕機理為二氧化碳腐蝕。

通過現場情況觀察，斷裂一般發(fā)生在管柱上部，腐蝕出現在管柱中下部，這些現象說明，管柱上部主要受拉應力作用下的硫化物應力開裂影響，管柱中下部主要發(fā)生電化學腐蝕，并受復雜環(huán)境影響。

圖1　金屬管材選材規(guī)范Fig.1　Materials choosing specifications of metal pipes

圖2　現場管柱斷裂情況Fig.2　Fracture of pipe string

圖3　現場管柱腐蝕情況Fig.3　Corrosion of pipe string

目前，已有大量學者對我國各地油氣田不同狀況的油氣腐蝕做過調查性研究[7]，其中提到的緩蝕劑、管道內涂層[8]、電化學防腐等技術從各個角度闡述了防腐的原理和措施。這些方法仍是基于在單一材質管柱的基礎上采取不同技術手段延緩腐蝕速率，并非是從井下管柱的具體腐蝕原因著手進行針對性的防腐；由于井下腐蝕情況比較復雜，這些方法可能存在安全隱患，管柱選材不足的問題凸顯。

2　組合材質管柱

2.1　可行性分析

2.1.1管柱材料的抗腐蝕性

對比鎳基合金材質管柱，使用普通抗硫管能夠顯著降低費用，并且符合現場使用習慣?？紤]到這一點，針對下古生界天然氣井的流體特征，利用本區(qū)下古生界儲層產出地層水，進行了金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗推薦方法中的A法試驗[9](圖4)和腐蝕環(huán)境模擬試驗[10](圖5)來評估在現場條件下管柱的腐蝕情況。為了確保試驗結果的普遍性，對目前現場常用的不同廠家生產的N80、80S、80S-3Cr、L80-13Cr管材進行篩選。

試驗后試件樣貌表面有銹蝕(圖4)，外形無明顯變化，無開裂。

圖4　標準拉伸試樣試驗結果Fig.4　Tensile testing of standardized sample

圖5　試驗結果對比Fig.5　Comparison of experimental results

據此可以判定，在氣藏工況條件下，80S、L80-13Cr較其余兩種鋼N80、80S-3Cr的耐CO2腐蝕能力強(表1)。

表1　鋼材在80 ℃條件下的腐蝕試驗Table 1　Steel corrosion experiment under the condition of 80 ℃

由試驗結果可以看到，不同的材料在延安氣田下古生界氣藏的抗腐蝕能力有較大的區(qū)別。在選材時，需要綜合考慮H2S含量、CO2分壓、溫度、pH值、Cl-濃度、流速等因素綜合選用合適的材質。

溫度是影響 CO2/H2S 共存環(huán)境中腐蝕的重要因素，溫度從40 ℃升高至100 ℃，腐蝕速率持續(xù)增加，鋼表面生成保護性差的FeS[11]；但溫度較高時，當碳鋼表面生成致密的腐蝕產物膜(FeCO3)后，碳鋼的溶解速度隨著溫度升高而降低[12]，如圖6所示。

圖6　溫度與腐蝕速率的關系Fig.6　The relationship between temperature and corrosion rate

Ikeda系統地研究了低Cr鋼的腐蝕情況[13]，給出了不同含Cr量的碳鋼在不同溫度下的腐蝕速率。隨著含Cr量的提高，最高腐蝕速率出現的溫度也逐步升高?？紤]到延安氣田下古生界儲層埋深一般在3500～4400 m，地層溫度為110～120 ℃，該結論能夠給出在井底溫度范圍所能使用的管柱材質范圍(圖7)。

同樣地，H2S介質溫度不僅對反應速度有影響，而且對腐蝕產物膜的保護性有很大的影響。當溫度在110～200 ℃時，腐蝕速率較小，隨后隨溫度升高，腐蝕速率增大[14]。

在H2S為低含量(70 mg/m3)和高含量(6000 mg/m3)時，N80鋼與抗硫鋼80S的平均腐蝕速率和腐蝕形態(tài)相近，因此該工況條件下N80和80S鋼的選用取決于經濟因素和力學性能等；在中等H2S含量時，N80鋼的平均腐蝕速率明顯高于80S鋼，呈現較為嚴重的局部腐蝕特征(圖8)。

圖7　不同含Cr量的碳鋼在不同溫度下的腐蝕速率Fig.7　Corrosion rates of carbon steel with Cr quantity at different temperatures

圖8　H2S濃度與腐蝕速率的關系Fig.8　The relationship between H2S concentration and corrosion rate

考慮到延安氣田下古生界儲層腐蝕環(huán)境的特征，井下管柱總體處于腐蝕速率比較低的區(qū)域；但隨著深度增加，溫度逐步升高，CO2分壓增大，管柱下部受到的腐蝕影響因素越加復雜。

綜合分析普通碳鋼和含Cr抗硫管材受各種影響因素的腐蝕情況，可以發(fā)現，普通碳鋼最高腐蝕速率出現的溫度低于抗硫材質管，而含Cr抗硫管材的抗腐蝕性能在不同溫度區(qū)間能夠得到充分發(fā)揮?？紤]到延安氣田下古生界儲層埋深一般在3500～4400 m，地層溫度為110～135 ℃，有必要按照管材性能進行精確定點選材，以發(fā)揮管柱的最優(yōu)性能。

2.1.2電偶腐蝕影響分析

如果選用組合材質作為井下管柱材質的選擇，不同的材質相互接觸，不可避免會出現電偶腐蝕。電偶腐蝕影響程度的大小，決定了這種方法的安全程度，因此有必要對這種腐蝕情況進行研究。

嚴密林、李鶴林[15]等研究了G3油管鋼在井下與普通抗硫套管如SM80SS接觸構成電偶腐蝕電池時面積效應、環(huán)境溫度對電偶腐蝕電池的影響規(guī)律，測試結果表明，在模擬油氣田水介質腐蝕環(huán)境中，G3油管和SM80SS套管鋼構成的電偶對中，G3鋼為電偶腐蝕電池的陰極，而SM80SS鋼為電偶腐蝕電池的陽極。溫度的升高會加速電偶腐蝕程度。隨著陰陽極面積比的增大，電偶腐蝕速率呈不斷增大的趨勢。

殷名學、曹曉燕等[16]以羅家11H井完井油管管串結構為例，進行了抗硫油管與鎳鉻合金鋼材料的電偶腐蝕評價試驗研究，結果表明，在該井的腐蝕環(huán)境下，718鎳鉻合金材料幾乎不發(fā)生腐蝕。VM80SS油管材料雖然遭受電偶腐蝕，但腐蝕的程度并不十分嚴重。陽極(VM80SS)面積越小，其腐蝕率越大。當VM80SS/718面積比遠大于1 ( 1∶0.15)時，其腐蝕率與同等條件下VM80SS的腐蝕率相當。

考慮到延安氣田下古生界氣藏H2S、CO2分壓、井底溫度都普遍低于羅家11H井，比較之下，延安氣田下古生界氣井腐蝕環(huán)境有利于井下管柱抗腐蝕能力的發(fā)揮。在井口到溫度為40 ℃的井段和40 ℃到井底的井段長度基本相當，不存在陽極面積小的情況，處于抗電偶腐蝕的有利條件之下，故可以判定，分段選材精確定點保護的思路能夠應用于延安氣田下古生界氣藏，電偶腐蝕不構成主要威脅?，F場實際生產狀況的跟蹤也證明了這一點。

2.2　分段選材研究

根據以上分析，按照正常的溫梯度計算，溫度逐步升高到40 ℃，腐蝕速率逐步提高，但在40 ℃以下，是各種鋼材的腐蝕速率總體處于比較低的溫度區(qū)間，在此溫度區(qū)間內，主要考慮管材的力學性能兼顧抗硫性能進行選材。隨著井深的加深，40 ℃以上井段直到井底，由于溫度升高，從腐蝕速率曲線來看，腐蝕速率逐步增高，不同含Cr鋼材的最高腐蝕速率出現了顯著變化；總體看來，隨著含Cr量的提高，最高腐蝕速率出現的溫度不斷增高，隨著溫度升高，H2S腐蝕敏感性降低[17]，此時，選材時需著重考慮電化學腐蝕影響。

綜上所述，考慮到延安氣田下古生界氣藏的井深，在井口到溫度為40 ℃的井段，80S-3Cr能夠很好地滿足管柱的防腐性能要求；在40 ℃到井底的井段，溫度不斷升高，L80-13Cr材質管柱的腐蝕速率明顯低于其他幾種材質，而且在井底處于H2S影響不明顯的溫度區(qū)間，能夠確保安全生產。

鑒于此，在正常生產過程中，管柱上部應選擇抗硫管材，如80S-3Cr，下部可選用L80-13Cr材質的管道。

3　結論及認識

(1)通過試驗研究判定在氣藏工況條件下，80S、L80-13Cr較其余兩種鋼N80、80S-3Cr的耐CO2腐蝕能力強，井口到溫度為40 ℃的井段，80S-3Cr能夠滿足管柱的防腐性能要求；在40 ℃到井底的井段，L80-13Cr材質管柱的腐蝕速率明顯低于其他幾種材質。

(2)在延安氣田下古生界氣藏氣井應用分段選材時，電偶腐蝕不構成嚴重威脅。

(3)在管柱上部選用80S-3Cr，下部選用L80-13Cr材質管柱能夠大幅度降低成本，具備比較突出的經濟性。