連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的疲勞壽命研究進(jìn)展

鮮 寧 張 平 榮 明 鄒先雄 鮮林云

1. 中國石油集團(tuán)管力學(xué)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川分室, 四川 成都 610041;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;3. 中國石油川慶鉆探工程公司, 四川 成都 610051;4. 中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司, 陜西 寶雞 721008

0 前言

連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)始于20世紀(jì)末期,如今該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、修井、測(cè)井、增產(chǎn)、氣舉排液、井下工具打撈等領(lǐng)域[1-3]。連續(xù)油管每經(jīng)歷一次起下井作業(yè),連續(xù)油管在導(dǎo)向拱和卷軸上都會(huì)承受6次彎—直和直—彎的塑性彎曲變形,因此,連續(xù)油管在起下井過程中遭遇了低周疲勞。隨著連續(xù)油管技術(shù)的不斷發(fā)展,連續(xù)油管已經(jīng)逐漸在酸性氣田得到應(yīng)用,當(dāng)連續(xù)油管在酸性井作業(yè)時(shí),在含H2S的井下腐蝕介質(zhì)的作用下,連續(xù)油管存在氫脆(HE)、氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)的風(fēng)險(xiǎn),連續(xù)油管的塑性將會(huì)降低,導(dǎo)致連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的疲勞壽命較非酸性作業(yè)環(huán)境更短[4-12]。

2009年,寶雞管廠研發(fā)的國產(chǎn)連續(xù)油管成功下井應(yīng)用[13],連續(xù)油管技術(shù)在國內(nèi)油氣田具有更廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)酸性氣田的分布較廣,特別是川渝地區(qū),大部分天然氣井都含有H2S,屬于酸性環(huán)境。為了確保連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的安全應(yīng)用,熟悉連續(xù)油管在酸性工況下的彎曲疲勞性能變化趨勢(shì)十分重要。因此,本文擬通過對(duì)國外連續(xù)油管在酸性環(huán)境使用時(shí)出現(xiàn)的腐蝕問題及其防護(hù)措施進(jìn)行綜述介紹,為連續(xù)油管在酸性氣田井下安全作業(yè)應(yīng)用提供幫助和參考。

1 H2S對(duì)碳鋼連續(xù)油管的影響

在甜氣環(huán)境下(非酸性環(huán)境),連續(xù)油管主要的腐蝕機(jī)理是電化學(xué)腐蝕,其腐蝕宏觀形貌體現(xiàn)為點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕,點(diǎn)腐蝕坑和壁厚減薄會(huì)降低連續(xù)油管的低周疲勞壽命。

當(dāng)連續(xù)油管在酸性環(huán)境中應(yīng)用時(shí),連續(xù)油管會(huì)遭受H2S引起的損傷機(jī)理,諸如氫脆(HE)、氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)等,其中HIC和SSC損傷是一種永久性的損傷。在酸性環(huán)境下,H2S與油管材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生氫原子,硫化氫能“毒化”金屬表面,促進(jìn)氫原子滲透進(jìn)入管體,從而損害油管材料性能,使連續(xù)油管脆化(塑性降低)。根據(jù)筆者前期的研究成果[11],連續(xù)油管試樣在含H2S環(huán)境下浸泡后,拉伸性能和彎曲性能都會(huì)下降,且H2S損傷不會(huì)因試樣離開H2S環(huán)境而消除,即連續(xù)油管的H2S損傷存在累加效應(yīng)。

連續(xù)油管在起下井過程中,會(huì)繞導(dǎo)向拱和卷軸發(fā)生反復(fù)的彎—直變化,其變形超過了彈性范圍,存在明顯的塑性變形。當(dāng)連續(xù)油管在含H2S井下進(jìn)行作業(yè)時(shí),H2S導(dǎo)致的損傷將會(huì)和起下井過程中的塑性彎曲疲勞相互影響,SSC和HIC引起的損傷均會(huì)導(dǎo)致材料的塑性下降,使得每次彎曲變形引起的殘余塑性變形逐漸增大,彎曲疲勞壽命明顯降低;同時(shí),周期性的塑性變形又可能進(jìn)一步促進(jìn)SSC的發(fā)生。

隨著連續(xù)油管在H2S環(huán)境下的推廣應(yīng)用,國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示:連續(xù)油管在H2S環(huán)境下作業(yè)時(shí)的起下井次數(shù)小于非酸性環(huán)境的作業(yè)次數(shù),時(shí)有連續(xù)油管提前報(bào)廢的案例。下面列舉3個(gè)H2S環(huán)境下連續(xù)油管失效的典型案例。

案例2: 1.5″的90鋼級(jí)連續(xù)油管,在一次氮?dú)鈿馀e作業(yè)的回取過程中失效,在進(jìn)行本次氣舉作業(yè)之前,還進(jìn)行了10次作業(yè),其中8次是酸化作業(yè),有5次作業(yè)是在含H2S井下進(jìn)行的。在最后一次氣舉作業(yè)時(shí),該井并不含H2S,但是,倒數(shù)第二次作業(yè)是在含H2S井下的酸化作業(yè),在進(jìn)行這次作業(yè)前并不知道該井含H2S,因此未加注SSC緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)。該井的H2S分壓為0.04 MPa,該井的井流物的pH值未知。通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的失效分析得知,該連續(xù)油管的失效主要是SSC導(dǎo)致的。

案例3: Ф 31.8 mm×3.18 mm國產(chǎn)連續(xù)油管在含H2S井進(jìn)行2次氮?dú)鈿馀e作業(yè)后發(fā)生斷裂,兩次作業(yè)均未向井內(nèi)加注緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)。對(duì)其進(jìn)行失效分析認(rèn)為斷裂的主要原因是發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:連續(xù)油管在酸性環(huán)境下應(yīng)用時(shí),由于H2S影響,存在一種特有的失效形式——H2S致脆性開裂。H2S導(dǎo)致的損傷是一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患,一是在井下作業(yè)過程中發(fā)生脆性開裂,甚至使連續(xù)油管掉入井內(nèi),造成經(jīng)濟(jì)損失;二是地面開裂導(dǎo)致H2S泄漏,危及地面工作人員的人身安全。

2 酸性環(huán)境下連續(xù)油管的疲勞試驗(yàn)方法

在酸性環(huán)境下碳鋼和低合金鋼可能會(huì)遭受H2S導(dǎo)致的損傷,如HIC、SSC等;此外,連續(xù)油管還會(huì)產(chǎn)生低周彎曲疲勞,當(dāng)連續(xù)油管用于酸性環(huán)境下時(shí),H2S損傷和疲勞交叉作用會(huì)導(dǎo)致較為復(fù)雜的腐蝕疲勞。HIC和SSC試驗(yàn)可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)開展,目前國內(nèi)外已經(jīng)采用的試驗(yàn)方法包括雙懸臂梁法(DCB)、慢應(yīng)變拉伸法(SSRT)、應(yīng)力環(huán)法(NACE Proof-Ring)、彎梁法(BB)。然而,對(duì)于連續(xù)油管在酸性環(huán)境下作業(yè)的腐蝕疲勞,由于沒有可參照的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其試驗(yàn)為非標(biāo)試驗(yàn),至今還沒有一個(gè)公認(rèn)的方法,評(píng)價(jià)方法需要多方協(xié)調(diào)確定。國內(nèi)還沒有相關(guān)的研究,國外已經(jīng)建立了試驗(yàn)方法并開展了試驗(yàn)研究[7-9,11,13-22],國外針對(duì)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下開展的疲勞試驗(yàn)主要分為低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法(LCCF)和彎曲腐蝕疲勞方法。

2.1 低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法(LCCF)

試驗(yàn)管段外壁接觸酸性試驗(yàn)溶液,通過可往返加載的液壓設(shè)備提供軸向載荷,將整管拉伸至試驗(yàn)要求的塑性變形量,然后卸載,而后不停地拉伸和卸載,從而實(shí)現(xiàn)腐蝕疲勞。

該方法要求試驗(yàn)浸泡裝置和疲勞試驗(yàn)加載裝置組合成一套完整的試驗(yàn)裝置,試驗(yàn)設(shè)備的要求很高,該試驗(yàn)方法可以直接獲得腐蝕工況下疲勞壽命,但是該試驗(yàn)疲勞并非彎曲疲勞模式。

2.2 彎曲腐蝕疲勞方法

該試驗(yàn)方法由腐蝕浸泡試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)兩部分組成,先將試驗(yàn)管段浸泡在含H2S的試驗(yàn)容器中開展非標(biāo)HIC或者SSC試驗(yàn),然后取出試驗(yàn)管段在整管彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成彎曲疲勞試驗(yàn)。

該方法需要的試驗(yàn)浸泡裝置、疲勞試驗(yàn)加載裝置可以是兩套單獨(dú)的試驗(yàn)裝置,試驗(yàn)設(shè)備要求比低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法低,能獲得在酸性環(huán)境下浸泡某一時(shí)間后疲勞壽命的下降情況,但是,該方法不能體現(xiàn)H2S損傷和塑性變形多次交叉作用的綜合后果。

3 酸性環(huán)境下疲勞研究進(jìn)展與存在的問題

將連續(xù)油管向酸性環(huán)境推廣應(yīng)用的過程中,逐漸發(fā)現(xiàn)H2S引起的損傷導(dǎo)致連續(xù)油管經(jīng)常過早失效,甚至發(fā)生了連續(xù)油管斷裂在井筒中的情況。鑒于酸性環(huán)境下腐蝕是一個(gè)急需解決的問題,埃克森美孚發(fā)展公司(ExxonMobil Development Comapny)、加拿大殼牌公司(Shell Canada)和BJ服務(wù)公司(BJ Services)聯(lián)合成立了一個(gè)JIP項(xiàng)目組針對(duì)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)研究[14-20],擬根據(jù)研究成果來修訂加拿大連續(xù)油管在酸性環(huán)境下作業(yè)的工業(yè)推薦做法。

對(duì)比低周腐蝕疲勞和彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)方法的結(jié)果存在一定差異,彎曲腐蝕疲勞的試驗(yàn)值相對(duì)更高,低周腐蝕疲勞試驗(yàn)的結(jié)果更保守。當(dāng)試驗(yàn)溶液中加入防止開裂的緩蝕劑時(shí),其試驗(yàn)結(jié)果也存在差異,彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)下緩蝕劑的效果明顯不如低周腐蝕疲勞試驗(yàn)效果。盡管兩種試驗(yàn)方法得到的試驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異,但通過這些試驗(yàn),仍可以說明一個(gè)問題,那就是H2S損傷對(duì)連續(xù)油管的彎曲疲勞影響顯著。

4 認(rèn)識(shí)與建議

根據(jù)國內(nèi)外連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的使用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究,對(duì)于酸性環(huán)境下連續(xù)油管的安全使用得到以下認(rèn)識(shí):

1)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下使用時(shí),由于H2S引起的損傷,連續(xù)油管彎曲疲勞壽命顯著下降。

2)當(dāng)連續(xù)油管發(fā)生HIC和存在外部機(jī)械損傷時(shí),連續(xù)油管的彎曲疲勞壽命顯著下降,橫向機(jī)械損傷的影響比縱向損傷更顯著。

3)連續(xù)油管對(duì)接接頭在酸性環(huán)境下僅有很低的疲勞壽命,應(yīng)該避免在酸性環(huán)境中采用連續(xù)油管對(duì)接接頭。

為了進(jìn)一步確保連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的安全應(yīng)用,從連續(xù)油管自身特性、疲勞使用限制以及防護(hù)措施方面提出如下建議:

1)連續(xù)油管方面，嚴(yán)格控制連續(xù)油管的化學(xué)成分,特別是有害元素S和P;嚴(yán)格控制連續(xù)油管的機(jī)械性能,硬度不大于22 HRC,焊縫應(yīng)在焊后進(jìn)行退火處理,冷成型的連續(xù)油管管體應(yīng)進(jìn)行消應(yīng)力處理。

3)防護(hù)措施方面，添加H2S緩蝕劑和除硫劑,這些化學(xué)試劑現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用前需在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行評(píng)估;采用合適的無損檢測(cè)方法檢測(cè)機(jī)械損傷、點(diǎn)蝕、橢圓度、壁厚損失和開裂。如果能檢測(cè)到局部穿透的裂紋和局部壁厚損失,對(duì)后期的工作很有價(jià)值。

連續(xù)油管在井下作業(yè)時(shí)的作業(yè)方式和工作環(huán)境復(fù)雜多變,盡管開展了大量的試驗(yàn)研究,并且積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),仍需要進(jìn)一步總結(jié)完善,不斷優(yōu)化。