氣藏型儲氣庫管柱選用與評價*

王建軍，路彩虹，賀海軍，孫建華，吳學(xué)虎，李方坡

(1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2．中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院 黑龍江 大慶 163453；3. 中國石化中原儲氣庫有限責(zé)任公司 河南 濮陽 457001；4.中國石油長慶油田分公司儲氣庫管理處 陜西 榆林 718500)

0 引 言

地下儲氣庫是國家天然氣戰(zhàn)略儲備、應(yīng)急調(diào)峰、安全保供的重要設(shè)施。按照國家儲氣庫發(fā)展規(guī)劃[1]，到2030年地下儲氣庫形成有效工作氣量3.5×1010m3以上，而目前我國儲氣庫的調(diào)峰能力僅有1.17×1010m3，差距巨大，儲氣庫建設(shè)力度仍將加大。但在現(xiàn)有儲氣庫運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了油套管腐蝕、泄漏以及環(huán)空帶壓等復(fù)雜情況，如板橋庫群76口注采井中74口井存有環(huán)空帶壓等安全風(fēng)險[2]，嚴(yán)重威脅儲氣庫安全運(yùn)行。

對中國石油6座儲氣庫調(diào)研發(fā)現(xiàn)，儲氣庫井與常規(guī)氣井工況差異較大[3-4]，在進(jìn)行儲氣庫管柱設(shè)計和管材選用時往往是按照常規(guī)氣井進(jìn)行[5]，缺少適用于儲氣庫工況的管柱選用評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。針對這些問題，研究提出了交變載荷作用下儲氣庫管柱氣密封螺紋接頭優(yōu)選方法和低含水工況下儲氣庫管柱腐蝕選材方法。

1 儲氣庫工況特點和管柱技術(shù)難題

儲氣庫井服役周期要比常規(guī)氣井長，一般在30年以上。儲氣庫井地層壓力系數(shù)不衰減且長期保持在0.9左右，注采管柱作為注氣和采氣雙向流動通道，管柱內(nèi)運(yùn)行壓力、溫度等載荷隨注采周期交替變化，為了確保管柱的密封性，要求儲氣庫注采管柱和生產(chǎn)套管柱必須選用氣密封螺紋接頭[6-7]。而眾多氣密封螺紋接頭的密封性能存在差異[8-9]，尤其是氣密封螺紋接頭的抗壓縮能力[10]。油田在進(jìn)行管柱設(shè)計時使用的仍是強(qiáng)度設(shè)計方法[5]，并選用氣密封螺紋接頭，但未考慮拉壓交變載荷和接頭壓縮性能，也是造成儲氣庫井管柱泄漏或帶壓嚴(yán)重的原因之一[4]。故亟需解決儲氣庫管柱螺紋接頭選擇和管柱密封設(shè)計難題，保障儲氣庫管柱結(jié)構(gòu)和密封完整性。

此外，儲氣庫井注入氣是干氣，注入氣含2%左右CO2且不含H2S；采出氣低含水，水氣比約0.01 m3/104m3。在井深、運(yùn)行壓力、注采氣量差異不大且注入氣介質(zhì)相同的情況下，中石油6座儲氣庫套管和油管選用的材質(zhì)差異比較大，從碳鋼、普通13Cr到超級13Cr均有使用，投資成本相應(yīng)增加5倍以上。造成這一現(xiàn)象主要是因為現(xiàn)有腐蝕選材標(biāo)準(zhǔn)或方法中CO2腐蝕條件均是100%液體環(huán)境，明顯不適用于儲氣庫井低含水工況下的腐蝕選材[3]。故亟需解決低含水工況下腐蝕選材技術(shù)難題，合理控制腐蝕，同時降低投資成本。

2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的局限性

現(xiàn)對油管和套管柱接頭進(jìn)行氣密試驗檢測的主要依據(jù)是ISO 13679—2002標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)試驗?zāi)康氖窃u價油管及套管螺紋連接的粘扣趨勢、密封性能和結(jié)構(gòu)完整性，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種接頭評價級別(CAL)，并指明評價級別CAL II 以上試驗適用于氣井。但在標(biāo)準(zhǔn)B系氣密封試驗(圖1)， 僅進(jìn)行CCW(逆時針)、CW(順時針)、CCW3次循環(huán)，并不能滿足儲氣庫注采30周次需要。此外，在標(biāo)準(zhǔn)B系氣密封試驗中，規(guī)定進(jìn)行33%和67%壓縮載荷下的氣密封試驗，但現(xiàn)有氣密封螺紋接頭多在10%～40%之間施加壓縮載荷進(jìn)行氣密封試驗[10]，不能滿足儲氣庫井深、壓力變化的多樣性。各生產(chǎn)廠家的氣密封螺紋接頭設(shè)計不同，性能差異明顯。如氣密封螺紋接頭的壓縮效率(耐壓縮性能)參差不齊，壓縮效率從30%～100%都有，一旦選用不合適極易造成管柱泄漏。

圖1 ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)B系試驗載荷路線圖

油管和套管腐蝕選材標(biāo)準(zhǔn)主要是ISO 15156-3和GB/T 20972.2—2008(ISO 15156-2，MOD)[11-13]，但是這些標(biāo)準(zhǔn)著重于含H2S環(huán)境的選材。依據(jù)腐蝕介質(zhì)不同，石油管材專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會制定了針對性的選材標(biāo)準(zhǔn)，具體有SY/T 6857.1、Q/SY-TGRC 2 、Q/SY-TGRC 3、 Q/SY-TGRC 18等標(biāo)準(zhǔn)[14-17]，尤其是Q/SY-TGRC 18標(biāo)準(zhǔn)主要針對含CO2環(huán)境選材。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)方法和生產(chǎn)廠家選材推薦方法，并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用實際情況，各儲氣庫確定了選用的套管和油管，從普通碳鋼到超級13Cr鋼都有選用(表1)。主要是因現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或方法中CO2腐蝕條件均是100%液體環(huán)境，在建儲氣庫均是依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或方法進(jìn)行選擇，造成在注氣介質(zhì)相同而材質(zhì)選擇各異。也就是說，對于枯竭式氣藏，在低含水率的情況下，這種選材方法是否合適，還有待試驗驗證。

表1 國內(nèi)主要儲氣庫選材情況

3 氣密封螺紋接頭分級指標(biāo)

按照管柱力學(xué)理論[18-21]，結(jié)合生產(chǎn)套管的下入、插入回接、固井以及注采管柱的下入、坐封、試壓、注采氣等工藝工程，同時注意注采管柱封隔器坐封型式(有無位移變化)，計算整個工藝過程中載荷的變化，尤其是注采氣過程，獲取管柱所承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷，同時與管柱額定抗拉強(qiáng)度相比，相應(yīng)獲得管柱在運(yùn)行工況下所需要的接頭拉伸效率和壓縮效率，對比現(xiàn)有接頭的臨界拉伸效率和臨界壓縮效率，便可初步篩選出合適的氣密封螺紋接頭。

對初步篩選出的氣密封螺紋接頭，參照ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了拉壓交變載荷下30周次氣密封循環(huán)試驗[10]，其中拉壓載荷分別為儲氣庫管柱所承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷，內(nèi)壓力為儲氣庫最大運(yùn)行壓力，若在此條件下氣密封螺紋接頭通過30周次氣密封循環(huán)試驗未發(fā)生泄漏，則選擇的氣密封螺紋接頭有效。

依據(jù)上述方法，完成了SJ、SQ、BN、HK等4座儲氣庫油管柱接頭30周次氣密封循環(huán)試驗和ISO 3679 B系試驗，給出了各儲氣庫接頭密封的有效性和作業(yè)建議，詳細(xì)結(jié)果見表2。通過理論計算和試驗對比，進(jìn)一步給出了儲氣庫管柱氣密封螺紋接頭選用判據(jù)[4]，同時為進(jìn)行管柱密封設(shè)計確立了技術(shù)依據(jù)。最終，給出了不同儲氣庫工況下氣密封螺紋接頭分級優(yōu)選，見表3。

表2 氣密封螺紋管柱氣密封試驗結(jié)果和作業(yè)建議

表3 接頭分級技術(shù)指標(biāo)

這里需注意的是，接頭壓縮效率是指氣密封壓縮效率，即在95%VME載荷包絡(luò)線內(nèi)，管柱接頭在內(nèi)壓+壓縮載荷復(fù)合作用下發(fā)生泄漏的臨界壓縮載荷與管體壓縮屈服載荷(或額定抗拉強(qiáng)度)的比值百分?jǐn)?shù)。

4 低含水工況下管柱耐蝕區(qū)分選材

因中石油6座氣藏型儲氣庫注入氣為干氣，而采出氣低含水，故提出汽液兩相選材試驗方法。儲氣庫環(huán)境工況條件主要為：CO2分壓0.8 MPa，Cl-濃度10 000 mg/L，水型NaHCO3，溫度90℃。據(jù)此工況，進(jìn)行汽液兩相條件下的動態(tài)高溫高壓釜腐蝕試驗，試驗周期168 h，流速2 m/s，最終完成了L80、L80 13Cr、95S、P110、110 Cr13M、110 Cr13S、Q125HC等材質(zhì)的汽液兩相腐蝕試驗。試驗結(jié)果見表4。

表4 儲氣庫油套管材質(zhì)汽相和液相下動態(tài)腐蝕試驗結(jié)果

由表4可知，13Cr材質(zhì)可較好地適用于含CO2汽相或液相腐蝕環(huán)境中，且110 Cr13S耐蝕性能最好；其他材質(zhì)均較好地適用于含CO2汽相腐蝕環(huán)境中，其腐蝕速率均小于SY/T 5329—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.076 mm/a。

結(jié)合國內(nèi)氣藏型儲氣庫完井管柱結(jié)構(gòu)[7]，油管為注采氣通道，生產(chǎn)套管與環(huán)空保護(hù)液、地層水接觸多，故建議對儲氣庫生產(chǎn)套管和油管的腐蝕選材應(yīng)分別對待，生產(chǎn)套管依據(jù)100%液體環(huán)境(現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn))選材，油管應(yīng)按照低含水工況選材。

5 結(jié) 論

1)針對儲氣庫工況特點，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)局限性，提出了交變載荷下儲氣庫管柱氣密封螺紋接頭分級選用技術(shù)指標(biāo)和低含水工況下儲氣庫油套管耐蝕區(qū)別選材方法。

2)儲氣庫注采管柱氣密封螺紋接頭選擇必須考慮管柱載荷的交變，應(yīng)按管柱承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷選擇相應(yīng)性能的氣密封螺紋接頭。

3)結(jié)合多周次氣密封循環(huán)試驗，給出了不同儲氣庫工況下氣密封螺紋接頭分級優(yōu)選辦法。氣密封螺紋接頭優(yōu)選方法，不僅可用于儲氣庫井，也可用于常規(guī)氣井。

4)儲氣庫井下生產(chǎn)套管和油管的腐蝕選材應(yīng)區(qū)別對待，生產(chǎn)套管依據(jù)100%液體環(huán)境(現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn))選材，油管應(yīng)按照低含水工況選材。

5)地下儲氣庫管柱接頭分級指標(biāo)和腐蝕選材方法，已提交中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并獲采納，將作為儲氣庫井管柱選用和設(shè)計依據(jù)。