摘 要

摘　要：高溫含CO2氣井(特別是海洋及深水油氣井)的井筒完整性備受關(guān)注，因它涉及太多的具體技術(shù)、材料和工具及裝備。為此，在深入研究挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)和美國(guó)石油學(xué)會(huì)最新發(fā)布的

摘　要：高溫含CO2氣井(特別是海洋及深水油氣井)的井筒完整性備受關(guān)注，因它涉及太多的具體技術(shù)、材料和工具及裝備。為此，在深入研究挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)和美國(guó)石油學(xué)會(huì)最新發(fā)布的井筒完整性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合已經(jīng)取得的經(jīng)驗(yàn)和大量的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)成果，重點(diǎn)對(duì)投產(chǎn)期的井筒完整性設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了研究。提出了井筒完整性設(shè)計(jì)理念，推薦了井筒腐蝕完整性管理方法及技術(shù)流程，給出了井筒安全屏障系統(tǒng)劃分方法，從實(shí)體屏障、水力屏障、操作屏障3個(gè)方面討論了井筒安全屏障分類(lèi)和功能，以及油管柱設(shè)計(jì)及完整性管理。同時(shí)，給出了固井水泥屏障設(shè)計(jì)要求及方法，強(qiáng)化了井筒水力屏障對(duì)井筒完整性的作用，重點(diǎn)闡述了井筒的腐蝕完整性評(píng)價(jià)和管理的“適用性”理念和方法。針對(duì)海洋氣井，還提出了適合的油套環(huán)空保護(hù)液，將環(huán)空保護(hù)液和水泥面之上滯留流體按水力屏障對(duì)待。

關(guān)鍵詞：井筒完整性  實(shí)體屏障  水力屏障  操作屏障  氣井  CO2  高溫  腐蝕完整性

Wellbore ingtegrity design of high-temperature gas wells containing CO2

Abstract：The wellbore integrity of high temperature gas wells containing CO2 (especially subsea or deepwater oil-gas wells)receives great attention since it involves various specific technologies，materials，tools and equipment．Based on an intensive studv of the latest Norwegian Oil Industry Association(OLF)and American Petroleum Institute(API)technical standards related to welibore in tegrity，combined with the experiences and various experimental evaluations，a research was conducted focusing on the design frame work for wellbore integrity during production．On this basis，the concept of wellbore integrity design was first put forward，and the wellbore corrosion and integrity management method as well as technical process were then recommended．Second，the wellbore safety was classified into physical，hydraulic and operating barriers，the functions of which were also compared as well as the design and integrity management for tube strings．Third，the requirements and method were presented for designing the cementing barrier to enhance the effect of hydraulic barrier on the wellbore integrity．Moreover，the concept and method of“fitness-for-service”are Darticularly discussed for assessment and management of wellbore corrosion and integrity．Finally，for subsea gas wells，a proper tubing annulus protecting fluid was introduced，and the retained fluid on the cement sheath and annulus protecting fluid are treated as the hydraulic barrier．To sum up，those mentioned multiple terms or requirements can be referenced for establishing the recommended practices or a conceptual design for wellbore integrity management．

Key words：wellbore integrity，physical barrier，hydraulic barrier，operating barrier，gas well，CO2，high temperature，corrosion and integrity

2010年4月20日美國(guó)路易斯安那州沿岸石油鉆井平臺(tái)爆炸起火，造成ll人遇害，并演變成美國(guó)歷年來(lái)最嚴(yán)重的海洋漏油污染事故以下俗稱(chēng)“深水地平線(xiàn)事件”。以此為鑒，多國(guó)政府、油公司、技術(shù)服務(wù)公司都密切關(guān)注海洋高溫高壓氣井井筒完整性問(wèn)題。國(guó)際上新近發(fā)布的一些重要研究報(bào)告或標(biāo)準(zhǔn)從上述事件中吸取了教訓(xùn)，力圖修改與完善井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)。比較典型和對(duì)海洋環(huán)境鉆完井設(shè)計(jì)有重要參考或指導(dǎo)意義的技術(shù)文件簡(jiǎn)介如下^[1-2]：

挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)牽頭成立由BP、Conoco Phillips、Eni Norge、Exxon Mobil、Marathon、Nexen Inc、Norske Shell、Statoil、Total等跨國(guó)公司專(zhuān)家組成的工作組，負(fù)責(zé)編寫(xiě)井筒完整性新標(biāo)準(zhǔn)《OLF井筒完整性推薦指南》(OLF Commended Guidelines for Well Integrity)。2011年6月挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)將原Norsok D-010標(biāo)準(zhǔn)《鉆井和井下作業(yè)中的井簡(jiǎn)完整性》(Well Integrity in Drilling and Well Operations Revision3，August 2004)更新為上述井筒完整性推薦指南，新版本包含了井筒完整性和環(huán)空帶壓。

2010年l2月美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布API 65-2《建井中的潛在地層流入封隔》(Isolating Potential Flow Zones During well Construction)，即該標(biāo)準(zhǔn)用作API RP90和API 65的補(bǔ)充。API RP90為“海上油氣井套管帶壓管理”(API RP 90 Management of Sustained Casing Pressure on Offshore Wells)標(biāo)準(zhǔn)。

2011年美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布API 96《深水井筒設(shè)計(jì)與建井》(Deepwater Well Design and Construction)投票版第一版。吸取前述深水地平線(xiàn)事件的教訓(xùn)，對(duì)海洋深水油氣井設(shè)計(jì)和建井中井筒完整性提出了許多新理念和技術(shù)條款。

2012年5月3日挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《深水地平線(xiàn)教訓(xùn)及改進(jìn)措施》(Deepwater Horizon Lessons Learned and Fllow-up)文件。該文件比較了美國(guó)和挪威標(biāo)準(zhǔn)，提出了原Norsok D-010標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)修改或增補(bǔ)的條款。增補(bǔ)企業(yè)安全文化理念和條款。

筆者同時(shí)也提供作者實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)在井筒完整性設(shè)計(jì)方面的研究認(rèn)識(shí)。部分認(rèn)識(shí)和結(jié)論源自近年來(lái)陸上高溫高壓深井井筒完整性事后分析和大量高溫高壓下金屬材料和油氣井工作液實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。在本文中我們將引入“腐蝕完整性管理”的理念，它是井筒完整性管理的重要組成部分。由于篇幅有限，本文的討論只涉及與投產(chǎn)后相關(guān)的海洋高溫高壓氣井的油管和套管密封、強(qiáng)度和環(huán)空帶壓及環(huán)空腐蝕控制^[3-5]。

1　井筒完整性管理

挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)Norsok D-010標(biāo)準(zhǔn)將井筒完整性定義為：采用有效的技術(shù)、管理手段來(lái)降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，保證油氣井在成功廢棄前的整個(gè)開(kāi)采期間的安全。

API 65將井筒完整性定義為“應(yīng)用技術(shù)、操作和組織措施以降低深井井筒在整個(gè)服役過(guò)程中無(wú)控制的地層流體釋放”。

挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)《OLF井筒完整性推薦導(dǎo)則》將井筒完整性定義為：井筒完整性應(yīng)是一個(gè)完全的系統(tǒng)，用于管理井筒服役全過(guò)程的完整性。上述完整性分為以下5個(gè)單元：組織、設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)管理和分析。

也許用一兩句話(huà)不足以表達(dá)井筒完整性定義，作者建議從井筒完整性的內(nèi)涵去認(rèn)識(shí)它。井筒完整性管理包括以下內(nèi)涵^[6]：

1)在從建井，開(kāi)采和封井棄井的全過(guò)程，井筒應(yīng)保持實(shí)體上和功能上的完整性。所謂“實(shí)體”指無(wú)泄漏、無(wú)變形、無(wú)材料性能退化，“功能”指適應(yīng)開(kāi)采或井下作業(yè)的操作壓力及腐蝕環(huán)境。

2)當(dāng)不可控制的因素可能導(dǎo)致井筒的某一屏障節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度降低或發(fā)生意外的泄漏時(shí)，井筒及安全裝置始終處于受控狀態(tài)?？深A(yù)測(cè)井筒能承受的極限載荷和極限服役環(huán)境，作業(yè)者應(yīng)控制壓力參數(shù)在極限條件之內(nèi)。當(dāng)可能危及環(huán)境與公眾安全時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)救或有能力安全地封井廢棄井眼。

3)建立一體化的技術(shù)檔案及信息收集、交接或傳遞管理體制，避免管理不協(xié)調(diào)導(dǎo)致井筒屏障系統(tǒng)損傷和可能的井噴或地下竄流事故。

2　井筒安全屏障系統(tǒng)

井筒安全屏障定義為井筒組件及所采取的技術(shù)，可有效阻止不希望出現(xiàn)的地層流體流動(dòng)。為了防止不能控制或未預(yù)見(jiàn)到的地層流體泄漏、井噴或地下竄流，井筒均設(shè)有若干層屏障，它們的集合稱(chēng)為井筒屏障系統(tǒng)。Norsok D-010“井筒完整性管理”標(biāo)準(zhǔn)推薦一般采油氣井的井筒安全屏障系統(tǒng)見(jiàn)圖l。

 

圖1僅將井下安全閥之下油管到井管封隔器列入第一安全屏障。而生產(chǎn)套管、生產(chǎn)套管固井、套管頭、井下封隔器之上的油管、油管掛和采油樹(shù)被列為第二安全屏障。

鑒于“深水地平線(xiàn)事件”教訓(xùn)和近年來(lái)環(huán)空帶壓的研究，2011年6月《OLF井筒完整性推薦導(dǎo)則》將一般采油氣井的井筒安全屏障系統(tǒng)更改如圖2所示。圖2中《OLF井筒完整性推薦導(dǎo)則》將一般采油氣井的井筒屏障系統(tǒng)的第一安全屏障延伸到尾管部分，即尾管掛及尾管封隔器、尾管套管及同井。

 

對(duì)于窄間隙尾管，固井質(zhì)量常帶有不確定性。“不確定性”包括固井質(zhì)量不能保證或固井質(zhì)量檢測(cè)不能準(zhǔn)確判別。例如，在Æ215.9mm井中的Æl77.8mm尾管，平均環(huán)空間隙為l9mm，固井質(zhì)量常帶有不確定性。因此在尾管頭部設(shè)多重屏障，除注水泥和尾管頭插入密封外，還有尾管封隔器，上層套管的油管封隔器。對(duì)于更小間隙的尾管，固井質(zhì)量更帶有隨機(jī)性，含H2S產(chǎn)層或高溫高壓CO2氣層氣通過(guò)尾管外水泥環(huán)竄入“A”環(huán)空(油管與套管間環(huán)空)對(duì)環(huán)空帶壓和環(huán)空腐蝕造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此《OLF井筒完整性推薦導(dǎo)則》尾管掛及尾管封隔器、尾管套管及固井列入第一安全屏障。

對(duì)于含H2S產(chǎn)層或高溫高壓CO2地層，在其蓋層處推薦使用注水泥管外封隔器或吸水膨脹型封隔器。含H2S或CO2天然氣竄將給日后環(huán)空腐蝕及環(huán)空帶壓管理造成風(fēng)險(xiǎn)或太多的麻煩。

所謂“第一”或“第二”安全屏障并不是按重要或次重要?jiǎng)澐?，而是?ldquo;第一防線(xiàn)”或“第二防線(xiàn)”。第一安全屏障某一單元封隔失效及第二安全屏障可靠性不能確認(rèn)，被《OLF井筒完整性推薦導(dǎo)則》劃入高風(fēng)險(xiǎn)，借用交通指示燈紅色作標(biāo)記。

3　井筒安全屏障分類(lèi)及功能

井筒安全屏障分類(lèi)及功能見(jiàn)圖3。

　　

 

3．1　實(shí)體屏障

油管、套管及相應(yīng)螺紋，井下及井口各種機(jī)械裝置或工具組成的集成稱(chēng)為實(shí)體屏障。環(huán)窄水泥環(huán)具有兩重性，凝固后也屬實(shí)體屏障，但在凝固前屬流體屏障。各屏障單元決定了整個(gè)屏障系統(tǒng)的可靠性，它是各屏障單元可靠性概率的集合。

實(shí)體屏障設(shè)計(jì)應(yīng)能阻隔非開(kāi)采地層流體流入任一環(huán)空及在環(huán)空竄流，或流向低壓層、地面或海底。任一屏障單元密封失效或結(jié)構(gòu)破損不應(yīng)導(dǎo)致環(huán)空井噴，各屏障單元功能有效性應(yīng)可驗(yàn)證。

油管、套管、井口機(jī)械裝置及井下各種工具的材料、強(qiáng)度和連接結(jié)構(gòu)均應(yīng)符合各自相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。但是設(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)和評(píng)估各連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中效應(yīng)、流場(chǎng)變異和電偶相容性，材料應(yīng)變老化和環(huán)境敏感開(kāi)裂，目前尚無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3．2　水力屏障

水力屏障指井內(nèi)鉆井液、完井液、壓井液、油套環(huán)空保護(hù)液、滯留在環(huán)空水泥面之上的鉆井液或注水泥隔離液、沖洗液等液柱重力壓力。注水泥及候凝期的液柱重力壓力也屬水力屏障。上述水力屏障在整個(gè)建井期或油氣井開(kāi)采期必須保持適當(dāng)液柱重力壓力，該壓力應(yīng)始終高于其覆蓋的地層壓力，阻止地層流體流入。同時(shí)在附加的熱膨脹壓力或不可避免的井口環(huán)空帶壓壓力與液柱重力壓力疊加不應(yīng)壓漏地層或經(jīng)油管封隔器泄漏到井底，或經(jīng)油套管螺紋泄漏，也應(yīng)避免擠毀內(nèi)層套管或壓破外層套管。水力屏障的流體不應(yīng)腐蝕油套管，同時(shí)在不可預(yù)見(jiàn)的含H2S或CO2地層流體侵入水力屏障時(shí)，仍能保持有效的防腐蝕性能。稍后將重點(diǎn)討論油套環(huán)空保護(hù)液和環(huán)空水泥面之上的鉆井液或注水泥隔離液、沖洗液水力屏障。

3．3　操作屏障

油氣井鉆井、完井或修井及采氣井管理的安全設(shè)施、監(jiān)控系統(tǒng)，移出或安裝任何實(shí)體屏障或水力屏障的操作均歸為操作屏障。由于篇幅限制，本文不擬討論操作屏障。

4　油管柱設(shè)計(jì)及完整性管理

油管柱含采油氣管柱和作業(yè)管柱及組件，例如井下安全閥、滑套、旁通閥、油管封隔器、插入和座封總成。本節(jié)將討論油管柱完整性管理，重點(diǎn)討論腐蝕完整性管理^[7-14]。

4．1　油管柱及組件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4．1．1開(kāi)采期的拉伸和內(nèi)壓安全系數(shù)

油管及其組件力學(xué)性能應(yīng)符合API 5C3、IS011960及ISO10400要求。在開(kāi)采期長(zhǎng)期服役的拉伸和內(nèi)壓?jiǎn)我煌廨d作用下，按不同類(lèi)型材料腐蝕環(huán)境取不同的安全系數(shù)。一般認(rèn)為以濕CO2為主的腐蝕環(huán)境，濕CO2環(huán)境是CO2分壓0.02～10MPa，H2S分壓小于等于0.002762MPa。在上述環(huán)境下一般選用Super l3Cr-ll0，抗內(nèi)壓安全系數(shù)大于l.0，抗拉安全系數(shù)按管柱存空氣中重量計(jì)算，抗拉安全系數(shù)大于1.60。如果因產(chǎn)能或含CO2及出水期和水量不確定，需要一個(gè)試采期，也可選用2Cr-ll0或3Cr-ll0經(jīng)濟(jì)型抗CO2鋼。抗內(nèi)壓安全系數(shù)應(yīng)大于1.35，通過(guò)增加壁厚來(lái)留有腐蝕裕量。

4．1．2壓裂作業(yè)管柱及組件強(qiáng)度和安全系數(shù)

對(duì)用于壓裂的作業(yè)管柱，在預(yù)計(jì)的最大井口壓力作用下，內(nèi)壓力將轉(zhuǎn)換為附加拉伸應(yīng)力。應(yīng)按環(huán)空不施加背壓的復(fù)合應(yīng)力計(jì)算，安全系數(shù)大于l.25。應(yīng)考慮環(huán)空施加背壓損傷生產(chǎn)套管／尾管外水泥環(huán)，導(dǎo)致微環(huán)流和環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)。

如果預(yù)計(jì)的壓裂時(shí)不施加背壓的復(fù)合應(yīng)力安全系數(shù)小于1.25，應(yīng)采用“減應(yīng)力設(shè)計(jì)”上部用較大直徑或較高鋼級(jí)油管，并校核變直徑或鋼級(jí)處下段油管頂端復(fù)合應(yīng)力安全系數(shù)大于l.25。

上部井段用了大直徑油管后，對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)套管直徑可能也需要增大，以容納井下安全閥。4．1．3酸化管柱轉(zhuǎn)為生產(chǎn)油管柱的縫隙腐蝕

對(duì)于用于酸化的作業(yè)管柱，應(yīng)評(píng)價(jià)酸液對(duì)特殊扣螺紋密封面的縫隙腐蝕。酸壓一測(cè)試—采氣聯(lián)作管柱存在螺紋腐蝕泄漏，導(dǎo)致環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)將縫隙腐蝕作為酸液緩蝕效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，某些Super l3Cr-110特殊扣螺紋密封面不耐酸液縫隙腐蝕，酸化作業(yè)管柱不宜轉(zhuǎn)為生產(chǎn)油管柱。曲面對(duì)曲面、曲面對(duì)圓柱面、球面對(duì)錐面的金屬—金屬接觸密封均有由大變小的縫隙，存在耐酸液縫隙腐蝕欠佳疑慮。

如果要將酸化的作業(yè)管柱轉(zhuǎn)為生產(chǎn)油管柱，推薦選用l5Cr-ll0或15Cr-125馬氏體耐蝕鋼材料油管，而且螺紋密封面為錐面對(duì)錐面密封。

4．1．4油管柱的振動(dòng)與屈曲

高溫高壓及高產(chǎn)氣井油管柱內(nèi)氣流為“非定常流”，即不同深度和不同時(shí)刻流速在變化，流速或流向變化激起油管振動(dòng)，稱(chēng)為“流固耦聯(lián)”振動(dòng)。

高產(chǎn)氣井油管溫度升高較多，由于熱膨脹，油管要伸長(zhǎng)，由此導(dǎo)致封隔器之上一段油管縱向受壓，可能產(chǎn)生失穩(wěn)屈曲。

油管在受壓、彎曲及交變載荷作用下螺紋密封面產(chǎn)生接觸疲勞，降低了氣密封性。在油管屈曲井段或井斜變化井段，由于油管振動(dòng)位移，油管與生產(chǎn)套管之間會(huì)有摩擦。接觸點(diǎn)存在縫隙腐蝕或電偶腐蝕。

使用大直徑油管和合適的螺紋可降低流固耦聯(lián)和屈曲的危害，這涉及井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4．2　油管柱各連接節(jié)點(diǎn)相容性

油管柱各組件連接處均存在連續(xù)性和相容性問(wèn)題，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)造成連接處斷裂、開(kāi)裂或泄漏。井下安全閥、滑套、旁通閥、油管封隔器，插入和座封總成與油管的連接均考慮流場(chǎng)變異、電偶相容性，應(yīng)力集中效應(yīng)，目前尚無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4．2．1井下安全閥

應(yīng)評(píng)估開(kāi)采和關(guān)井的上部井段井筒溫度分布，井下安全閥安放深度應(yīng)低于水合物析出點(diǎn)井深。

為了避免沖蝕及流場(chǎng)變異處形成水合物，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)使井下安全閥內(nèi)徑、上下流動(dòng)短節(jié)內(nèi)徑與油管內(nèi)徑相同。

如果井下安全閥內(nèi)徑小于油管內(nèi)徑，流動(dòng)短節(jié)內(nèi)徑與井下安全閥內(nèi)徑相同雖可保護(hù)井下安全閥，但與上流動(dòng)短節(jié)相連的油管有被沖蝕腐蝕傾向。應(yīng)將該單根油管換為耐沖蝕腐蝕更優(yōu)的材料。

4．2．2滑套

滑套處油管可自由上下活動(dòng)，用于防止油管拉伸過(guò)載或屈曲。但是由于滑動(dòng)密封壽命低，滑套泄漏發(fā)生率高，泄漏造成“A”環(huán)空帶壓。

在滑動(dòng)密封壽命解決之前，不推薦設(shè)計(jì)使用滑套?？赏ㄟ^(guò)提高油管強(qiáng)度解決油管拉伸過(guò)載或屈曲問(wèn)題。

4．2．3油管封隔器

油管封隔器僅用于封隔油套環(huán)空時(shí)，其心軸內(nèi)徑小于油管內(nèi)徑不會(huì)產(chǎn)生值得關(guān)注的沖蝕。

油管封隔器用作大型加砂壓裂時(shí)，心軸內(nèi)徑小于油管內(nèi)徑，或心軸內(nèi)的臺(tái)階被砂粒機(jī)械沖蝕或砂粒渦旋運(yùn)動(dòng)對(duì)封隔器造成損傷，嚴(yán)重時(shí)可能斷裂。

在含H2S或CO2井中，常用Aflas橡膠作膠筒。H2S滲入受擠壓和大應(yīng)變的膠筒導(dǎo)致材料硬化，失去彈性密封性。CO2滲入膠筒會(huì)使材料溶脹。當(dāng)壓力降低時(shí)，滲入的氣體逸出，膠筒材料破損，導(dǎo)致喪失密封性，膠筒緊壓在套管內(nèi)壁，在腐蝕介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，導(dǎo)致泄漏。

4．3　油管螺紋密封選型及評(píng)價(jià)

油管螺紋密封面處于復(fù)雜的服役環(huán)境，包括局部流場(chǎng)變異的沖蝕腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕。

在入井時(shí)每個(gè)單根用氦氣檢測(cè)了氣密封，但在試油或開(kāi)采期仍發(fā)現(xiàn)有滲漏或泄漏，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。對(duì)已產(chǎn)生泄漏的油管，取出檢查并未發(fā)現(xiàn)金屬密封面腐蝕，排出了腐蝕泄漏。其失效機(jī)理之一是密封面接觸應(yīng)力松弛及接觸疲勞，用于高溫高壓、含H2S或CO2氣井的油管應(yīng)能通過(guò)IS0 13679(Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing easing and tubing connections)第Ⅳ級(jí)密封檢測(cè)，其應(yīng)具有的特征是：

1)錐面對(duì)錐面密封，密封接觸壓力源自徑向楔緊力。要求lmm泄漏長(zhǎng)度上的接觸壓力大于擬密封壓力的2倍。同時(shí)只有密封面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，表面凹凸差被塑性流動(dòng)金屬填平，泄漏通道才會(huì)被鎖定。

2)密封付表面粗糙度(Ra)應(yīng)小于0.8mm。

3)密封面應(yīng)盡可能抵抗縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

4)外螺紋鼻端材料應(yīng)有盡可能小的應(yīng)力松弛及接觸疲勞。

5)外螺紋端處盡量不倒內(nèi)錐角，以防止流場(chǎng)突變?cè)旎驓饬飨嘧兒蜎_蝕。

VAM-TOP及類(lèi)似密封結(jié)構(gòu)是較好的油管螺紋，可基本符合前述1)和2)要求，具有較好初始密封性。上述3)和4)與油套管材料有關(guān)，它影響長(zhǎng)期密封性和腐蝕泄漏。5)是一種針對(duì)厚壁管開(kāi)發(fā)的新型螺紋結(jié)構(gòu)，或采用厚壁接箍，其內(nèi)徑與管體內(nèi)徑相同。

5　井簡(jiǎn)的腐蝕完整性管理

5．1　井筒腐蝕完整性管理框架

井筒腐蝕完整性管理是井筒完整性管理的重要組成部分。如果說(shuō)井筒單元可能會(huì)因外載超過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或密封壓力而發(fā)生破壞或泄漏，那么它僅是個(gè)案或帶有偶然性。但是腐蝕、材料老化導(dǎo)致井筒安全性降低卻是持續(xù)和幾乎不可避免的，也不能因?yàn)橛懈g、材料老化而棄井。井筒腐蝕完整性管理的宗旨就是一套“適用性”評(píng)價(jià)和管理的理念和方法，它不追求“完全正確”或“最好”，而是追求可用及避免發(fā)生不可控的井筒泄漏^[15-16]。

腐蝕完整性管理的策略可大致歸納為：

1)在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮井筒腐蝕：完整性管理，特別是設(shè)計(jì)所選用材料對(duì)腐蝕環(huán)境適應(yīng)性有疑慮時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段有預(yù)案。

2)測(cè)試或開(kāi)采取得腐蝕環(huán)境信息后對(duì)設(shè)計(jì)再評(píng)估，通過(guò)模型分析或模擬實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)腐蝕壽命或環(huán)境敏感開(kāi)裂傾向。

3)以API 579為基礎(chǔ)的實(shí)用性評(píng)價(jià)，計(jì)算極限服役條件，控制開(kāi)采的壓力或井下作業(yè)載荷在計(jì)算的極限服役條件。

4)材料的選用可容許有失重腐蝕，但不允許有潛在的環(huán)境敏感斷裂。應(yīng)評(píng)估各種潛在的環(huán)境敏感斷裂。

5)定性或定量的腐蝕及泄漏監(jiān)測(cè)或檢測(cè)，力爭(zhēng)發(fā)現(xiàn)腐蝕及泄漏變化趨勢(shì)。防止過(guò)度腐蝕或泄漏造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)或壓井搶險(xiǎn)困難。

6)監(jiān)測(cè)環(huán)空帶壓及實(shí)施環(huán)空帶壓及環(huán)空腐蝕管理。

5．2　環(huán)境敏感斷裂管理

5．2．1環(huán)境敏感斷裂概念

油氣田開(kāi)發(fā)中的油管、套管及鉆桿和裝備突發(fā)性開(kāi)裂或斷裂時(shí)有發(fā)生。有的突發(fā)性開(kāi)裂或斷裂曾造成過(guò)人員傷亡，重大環(huán)境問(wèn)題或經(jīng)濟(jì)損失。

大部分開(kāi)裂或斷裂在學(xué)術(shù)上歸結(jié)為環(huán)境敏感斷裂，其本質(zhì)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、材料的選擇性、腐蝕介質(zhì)和環(huán)境參數(shù)(溫度、壓力和微區(qū)電位)激勵(lì)，導(dǎo)致材料喪失其原有物理和力學(xué)性質(zhì)，特別是使材料韌性降低，最終發(fā)生斷裂。

在拉伸或內(nèi)壓力作用下局部點(diǎn)腐蝕坑底常會(huì)誘發(fā)裂紋，使管壁韌性降低，或產(chǎn)生脆性斷裂。

環(huán)境敏感斷裂事前無(wú)征兆、突發(fā)事故可能操作慌亂，或傷人。

5．2．2環(huán)境敏感斷裂和腐蝕控制^[17]

1)氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

由地層中產(chǎn)出的濕H2S或酸化作業(yè)酸反應(yīng)生成的氫離子進(jìn)入鋼材，導(dǎo)致材料脆化。應(yīng)力腐蝕和氫脆之間并沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分，二者可同時(shí)發(fā)生，也可以說(shuō)氫脆是應(yīng)力腐蝕的本質(zhì)因素或機(jī)理之一。

在含硫氣井設(shè)計(jì)中，氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂有明確和嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范，參考ISO／NACE l5156，ISO／API ll960。

2)鹵化鹽腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

鹵族元素的鹽類(lèi)(氯化鈉、氯化鈣、溴化鋅、溴化鈣等)具有較高密度、成本低，被用作儲(chǔ)層保護(hù)完井液，油套環(huán)空保護(hù)液或提高油氣井工作液的密度。

上述化學(xué)劑對(duì)高強(qiáng)度油套管及附件，奧氏體耐蝕鋼(例如316)、馬氏體耐蝕鋼(例如SUPER l3Cr)和雙相耐蝕鋼(例如22Cr)有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。高溫和長(zhǎng)時(shí)間接觸或交變應(yīng)力會(huì)加劇開(kāi)裂傾向。

高氯離子含量和高溫溶液中的不銹鋼，CO2+CO+H2O或CO2+HCO^-3+H2O濕環(huán)境下高強(qiáng)度鋼和不銹鋼也存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

鹵化鹽應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，設(shè)計(jì)及井下作業(yè)人員應(yīng)采取措施防止發(fā)生鹵化鹽應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

3)電偶腐蝕和電偶誘發(fā)氫應(yīng)力開(kāi)裂

電偶腐蝕：當(dāng)兩種金屬浸在腐蝕性溶液中，由于兩種金屬之間存在電位差，如相互接觸，就構(gòu)成腐蝕電偶。較活潑的金屬(耐腐蝕性較弱的金屬)成為陽(yáng)極溶解，不活潑金屬(耐腐蝕性較高的金屬)則為陰極，腐蝕很小或完全不腐蝕。這種腐蝕稱(chēng)為電偶腐蝕，或接觸腐蝕，亦稱(chēng)為雙金屬腐蝕。

電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開(kāi)裂(GHSC，galvanically induced hydrogen stress cracking)：不銹鋼或合金與碳鋼或低合金鋼接觸，浸沒(méi)在腐蝕介質(zhì)中形成電偶，受電偶激發(fā)，不銹鋼或合金中的組織缺陷聚集氫和變脆的現(xiàn)象和機(jī)理。鎳基合金管、不銹鋼與碳鋼或低合金鋼管接觸可能產(chǎn)生電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開(kāi)裂(GHSC)。

電偶腐蝕、電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開(kāi)裂常伴有縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、相變動(dòng)力學(xué)腐蝕。在油套管中常有耐蝕合金管件與碳鋼的螺紋連接，可能存在電偶腐蝕或電偶誘發(fā)氫應(yīng)力開(kāi)裂潛在風(fēng)險(xiǎn)。在油管或套管柱中，應(yīng)特別關(guān)注下述異種金屬連接或接觸導(dǎo)致電偶腐蝕或電偶誘發(fā)氫應(yīng)力開(kāi)裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)：

1)耐蝕合金工具與碳鋼管聯(lián)結(jié)，例如13Cr不銹鋼油管掛或套管掛，井下安全閥、滑套、封隔器與碳鋼管螺紋連接。除電偶腐蝕外，還有縫隙腐蝕。

2)13Cr不銹鋼油管屈曲后或在井斜變化處與碳鋼生產(chǎn)套管接觸。除電偶腐蝕外，還有縫隙腐蝕。

5．3　水力屏障的腐蝕管理

5．3．1油套環(huán)空保護(hù)液的水力屏障作用及腐蝕管理

1)油套環(huán)空保護(hù)液的水力屏障作用

油套環(huán)空保護(hù)液的水力屏障作用至關(guān)重要。井下油管、套管螺紋滲漏，油管封隔器滲漏幾乎不可避免。滲漏或滲漏速度決定于壓差，減小壓差或負(fù)壓差可抑制滲漏。因此在安全許可范圍內(nèi)的井口環(huán)空帶壓有利于抑制滲漏。另一方而，一定密度的環(huán)空保護(hù)液液柱壓力疊加井口環(huán)空帶壓可能導(dǎo)致環(huán)空由帶壓轉(zhuǎn)變?yōu)樾孤?，滲漏和泄漏常常呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化或動(dòng)態(tài)平衡。

為了發(fā)揮油套環(huán)窄保護(hù)液的水力屏障作用，環(huán)空保護(hù)液必須具有良好沉降穩(wěn)定性。

油管封隔器座掛定位的可靠性決定于骨瓦的支撐力，靠高密度環(huán)空保護(hù)液液柱壓力平衡井底壓力的設(shè)計(jì)應(yīng)充分論證。在開(kāi)采期當(dāng)井底壓力降低，或封隔器膠筒及密封圈被CO2或H2S侵蝕，喪失彈性后，環(huán)空保護(hù)液將可能經(jīng)封隔器泄漏。

2)油套環(huán)空保護(hù)液的腐蝕管理

在高溫高壓含CO2氣井中，常用13Cr油管，在封隔器之上為碳鋼套管。環(huán)空保護(hù)液應(yīng)同時(shí)對(duì)油管外壁和套管內(nèi)壁具有良好腐蝕防護(hù)性能。井下油管、套管螺紋滲漏，油管封隔器滲漏幾乎不可避免，因此要求環(huán)空保護(hù)液被H2S或CO2侵污后仍具有良好的防腐蝕性能。使用的環(huán)空保護(hù)液必須在高溫高壓釜中作下列評(píng)價(jià)：

模擬環(huán)空井底、井中深部和井口的壓力和溫度，按分壓充CO2或H2S，將試片分別放于液相和氣相中，腐蝕評(píng)價(jià)時(shí)間至少l20h。取出試片后觀(guān)測(cè)失重腐蝕和點(diǎn)腐蝕情況。

按上述條件評(píng)價(jià)螺紋連接的縫隙腐蝕。

如果油套管中含有馬氏體不銹鋼與碳鋼的聯(lián)結(jié)，那么應(yīng)按上述條件評(píng)價(jià)電偶腐蝕和縫隙腐蝕。

5．3．2環(huán)空保護(hù)液類(lèi)型

1)含鹵族元素鹽類(lèi)環(huán)空保護(hù)液

在任何情況下都不宜用含氯化鈉、氯化鈣的環(huán)空保護(hù)液。溴化鋅、溴化鈣可在評(píng)價(jià)具備適用性后選用。

2)甲酸鹽類(lèi)環(huán)空保護(hù)液

甲酸鹽加緩蝕劑、除氧劑的環(huán)空保護(hù)液使用較多，效果良好，可適應(yīng)不同的密度要求。但是甲酸鹽類(lèi)環(huán)空保護(hù)液被H2S或CO2侵污后的液相防腐蝕性能欠佳，或尚缺乏進(jìn)一步的改進(jìn)研究。在按5．3．1中2)評(píng)價(jià)后推薦使用。

3)油基環(huán)空保護(hù)液

在海洋及深水油氣井中，油基環(huán)空保護(hù)液性能和必要性遠(yuǎn)優(yōu)于上述甲酸鹽類(lèi)環(huán)空保護(hù)液和含鹵族元素鹽類(lèi)環(huán)空保護(hù)液。油基環(huán)空保護(hù)液在H2S和CO2侵污后仍具有對(duì)井筒優(yōu)異的腐蝕防護(hù)性能。此外，油基環(huán)空保護(hù)液具有極低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，它相當(dāng)于絕熱層，使井口及海底泥線(xiàn)處井段油管內(nèi)氣流溫度盡可能高，以阻止水合物析出和堵塞油管。有的海洋氣井，過(guò)去用雙層真空油管隔熱，以防止水合物析出。雙層真空油管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真空易漏、受井徑限制。使用油基環(huán)空保護(hù)液技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)對(duì)油管內(nèi)氣流保溫。

一種柴油基環(huán)空保護(hù)液由柴油、膠凝劑、液狀石蠟、有機(jī)分散劑、高價(jià)金屬鹽等復(fù)配而成，其流變曲線(xiàn)具有冪律模型特征。

5．4　環(huán)空水泥面之上滯留流體水力屏障作用及腐蝕管理

環(huán)空水泥面之上滯留流體水力屏障(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“滯留流體”水力屏障)可能會(huì)有下述失效模式^[18-19]：

1)加重劑或固相沉降，連續(xù)相水柱壓力降低導(dǎo)致地層可能的腐蝕性鹽水、H2S或CO2侵入。這會(huì)導(dǎo)致套管外壁腐蝕或環(huán)空帶壓。如果非產(chǎn)層段含腐蝕性鹽水、H2S或CO2，應(yīng)上返水泥封隔或水泥返到上層套管內(nèi)。

2)環(huán)空帶壓的壓力疊加滯留流體液柱壓力，導(dǎo)致地層破裂，發(fā)生先井漏后井噴。

3)水泥返到上層套管內(nèi)，封閉環(huán)空中滯留流體熱膨脹致環(huán)空帶壓造成內(nèi)層套管擠毀或外層套管破裂。在深水及水下井口中，套管懸掛于上層套管內(nèi)，滯留流體熱膨脹造成的高壓。該環(huán)窄壓力不能監(jiān)測(cè)，也不能卸壓。因此凡是有“封閉環(huán)空”中滯留流體熱膨脹問(wèn)題的井段套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)都要考慮擠毀或破裂設(shè)計(jì)。

4)環(huán)空滯留流體對(duì)內(nèi)層套管或外層套管腐蝕或應(yīng)力開(kāi)裂。采用各類(lèi)磺化鹽類(lèi)鉆井液，俗稱(chēng)磺化鉆井液體系，在井底高溫下可能分解出硫醇、H2S及CO2。上述物質(zhì)在高溫下腐蝕套管，返到上部井段時(shí)對(duì)P110、Ql25和Vl50等高強(qiáng)度材料造成硫化物。完井液含氯化鈉、氯化鈣等鹵化鹽造成高強(qiáng)度鋼，l3Cr鋼應(yīng)力開(kāi)裂。

6　固井水泥屏障

很多高溫、高壓氣井重大安全或環(huán)境事故源自固井質(zhì)量差，或間接與固井有關(guān)。固井質(zhì)量的不確定性和水泥環(huán)腐蝕，后期作業(yè)造成的微環(huán)隙，可能導(dǎo)致層間竄流。套管腐蝕，井口環(huán)空帶壓或地面冒氣，危及井場(chǎng)或海洋平臺(tái)安全。固井水泥屏障是井眼安全因素中主要的薄弱環(huán)節(jié)，目前還不能有效掌控。

1999年3月23日中國(guó)四川羅家2井在完井作業(yè)中發(fā)生地下竄流，高含硫天然氣由套管泄漏點(diǎn)流出后，沿環(huán)空水泥環(huán)通道向下，經(jīng)裂縫性地層竄到另一口井的套管外環(huán)空，最后竄到地面。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)海灣地區(qū)的l992—2006年，39次井噴事件中，有18次與水泥和固井質(zhì)量有關(guān)。另9次井噴失控中有5次直接與固井水泥有關(guān)。

固井水泥屏障設(shè)計(jì)的內(nèi)容太多，受篇幅限制，將另有文章專(zhuān)項(xiàng)討論。

7　結(jié)論

1)挪威及美國(guó)牽頭制定或修訂的井筒完整性推薦指南、API 96深水井筒設(shè)計(jì)與建井、API 65-2建井中的潛在地層流入封隔深水地平線(xiàn)教訓(xùn)和改進(jìn)措施等井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)或研究報(bào)告具有重要價(jià)值，可為我國(guó)制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

2)鑒于“深水地平線(xiàn)事件”教訓(xùn)和近年來(lái)環(huán)空帶壓的研究，《OLF井筒完整性推薦指南》將一般采油氣井的井筒屏障系統(tǒng)的第一安全屏障延伸到尾管部分，即尾管掛及尾管封隔器、尾管套管及固井，設(shè)置了多重屏障。

3)油管螺紋密封面處于復(fù)雜的服役環(huán)境，用于高溫高壓、含H2S或CO2氣井的油管應(yīng)能通過(guò)ISO 13679第Ⅳ級(jí)密封檢測(cè)。筆者提出了第Ⅳ級(jí)密封檢測(cè)應(yīng)具有的特征和附加的CO2／H2S環(huán)境螺紋腐蝕要求。

4)提出了井筒的腐蝕完整性管理框架，井筒腐蝕完整性管理的宗旨就是一套“適用性”評(píng)價(jià)和管理的理念和方法，它不追求“完全正確”或“最好”，而是追求可用及避免發(fā)生不可控的井筒泄漏。針對(duì)海洋氣井，提出了適合的油套環(huán)空保護(hù)液，將環(huán)空保護(hù)液和水泥面之上滯留流體按水力屏障對(duì)待。

 

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本文作者：張智  李炎軍  張超  黃熠　郭永賓  羅黎敏  施太和

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

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