含硫氣井的井簡完整性設(shè)計(jì)方法

摘 要

摘要：針對API/ISO或GB/SY標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的油管、套管不能完全保證在服役過程中完整性的現(xiàn)狀，參考挪威石油工業(yè)協(xié)會NORSOK D-OIO標(biāo)準(zhǔn)，研究了“井筒完整性設(shè)計(jì)”的理念和設(shè)計(jì)
摘要：針對API/ISO或GB/SY標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的油管、套管不能完全保證在服役過程中完整性的現(xiàn)狀，參考挪威石油工業(yè)協(xié)會NORSOK D-OIO標(biāo)準(zhǔn)，研究了“井筒完整性設(shè)計(jì)”的理念和設(shè)計(jì)方法，提出了井下作業(yè)的井筒完整性管理方法，防止井下作業(yè)工具對套管可能產(chǎn)生的潛在損傷。從API圓螺紋和偏梯形螺紋的使用限制、金屬接觸氣密封螺紋的選用方法、井下組件潛在的電偶腐蝕和縫隙腐蝕等角度，研究了降低螺紋連接部位被腐蝕、泄漏或斷裂的措施，盡可能保持井筒物理上和功能上的完整性，使井筒始終處于受控狀態(tài)。建議在井筒完整性設(shè)計(jì)過程中，重視螺紋的合理選用以及正確操作、井下組件的電偶腐蝕，以降低密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：氣井；高含硫化氫；高產(chǎn)；井筒；完整性；設(shè)計(jì)；螺紋選用
0 引言
挪威石油工業(yè)協(xié)會NORSOK D-010標(biāo)準(zhǔn)將井筒完整性定義為：采用有效的技術(shù)、管理手段來降低開采風(fēng)險(xiǎn)，保證油氣井在成功廢棄前的整個(gè)開采期間的安全。井筒完整性設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)涵：①井筒應(yīng)保持物理上和功能上的完整性。所謂“物理上”是指無泄漏、無變形、無材料性能退化、無壁厚減薄，“功能上”是指適應(yīng)開采或井下作業(yè)的腐蝕環(huán)境、壓力及操作。②井筒油管、套管及安全裝置始終處于受控狀態(tài)，可預(yù)測不同使用期間能承受的極限載荷和極限服役環(huán)境，操作者應(yīng)控制施工參數(shù)在極限條件之內(nèi)；當(dāng)不可控制的因素可能導(dǎo)致井筒的某一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效，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。許多套管失效是操作者不知道套管或井下結(jié)構(gòu)的技術(shù)數(shù)據(jù)，井下作業(yè)損傷套管或使已損傷的套管演變成事故。④建立具有針對性的失效分析、風(fēng)險(xiǎn)分析機(jī)制，將油管、套管、各層環(huán)空的完整性管理和設(shè)計(jì)建立在失效分析、風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上。由于井筒完整性設(shè)計(jì)涉及的外載、套管、水泥環(huán)損傷或材料性能退化等很難準(zhǔn)確定量計(jì)算，因此，設(shè)計(jì)或服役條件要用到風(fēng)險(xiǎn)分析方法[1～3]。
1 井筒完整性設(shè)計(jì)涉及的基本內(nèi)容
1.1 井下管柱及附件完整性設(shè)計(jì)
    主要包括：①管柱力學(xué)設(shè)計(jì)，參考IS010400、API 5C3、Alberta Recommended Practices Directive 010、SYT 5322-2000、NORSOK STANDARD D-010 Rev.3等標(biāo)準(zhǔn)，開展高含硫環(huán)境中管柱力學(xué)設(shè)計(jì)、以NACE TM 0177—1996的Nace D法實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的材料臨界環(huán)境斷裂韌性設(shè)計(jì)和管柱變形分析；②高含硫環(huán)境的合理選材，參考NACE MR 0175/ISO 15156、SY 6268—1996等標(biāo)準(zhǔn)；③井下高溫高壓強(qiáng)腐蝕環(huán)空中橡膠筒長期耐蝕性和密封性設(shè)計(jì)。
1.2 采氣井口系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)
    主要包括：①采氣井口型號的合理選擇，參考ANSI/API 6A、SYT 5127—2002等標(biāo)準(zhǔn)；②閘閥的合理選擇，參考API 6FC/6FA抗火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；③地面控制系統(tǒng)的合理選擇，參考API 14C RPC標(biāo)準(zhǔn)；④密封材料的合理選擇，參考API 6FB標(biāo)準(zhǔn)[4～5]。
1.3 套管頭完整性設(shè)計(jì)
    主要包括：①材料選用：參考NACE MR0175/ISO 15156、SY6137—2004標(biāo)準(zhǔn)；②鎳基合金的斷裂行為設(shè)計(jì)；③密封方式選擇；④防止組件間的電偶腐蝕控制措施，參考IS015156標(biāo)準(zhǔn)。
1.4 井下作業(yè)完整性設(shè)計(jì)
    主要包括：①試壓、清管和置換：參考SY 0466、SY 0402、SY 5225標(biāo)準(zhǔn)；②移開采氣井口或防噴器的安全規(guī)定；③環(huán)空帶壓管理API RP 90，環(huán)空帶壓的診斷與排除是井筒完整性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容；④提高固井質(zhì)量的完整性設(shè)計(jì)：水泥漿體系及性能要求，測井手段，井下作業(yè)及其對水泥環(huán)的影響。
1.5 油氣井資料的交接和保存
    油氣井鉆井、完井和后期作業(yè)資料必須將相關(guān)文件移交給業(yè)主，并且由井筒完整性設(shè)計(jì)部門保管。任何重大的作業(yè)都應(yīng)該清楚地記錄在案，移交的資料主要包括：①鉆井井史、完井資料，重點(diǎn)記錄入井管串的結(jié)構(gòu)、型號等資料；②作業(yè)過程中的復(fù)雜情況；③修井作業(yè)資料；④油氣井開采資料；⑤實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)和井筒保護(hù)措施資料；⑥油氣井信息資源共享。
2 井下作業(yè)的井筒完整性設(shè)計(jì)
    1) 井下作業(yè)者應(yīng)清楚井下的管串結(jié)構(gòu)、材料、強(qiáng)度等原始數(shù)據(jù)，評估內(nèi)外壁腐蝕狀況及有可能的缺陷，制訂合適的施工壓力限制條件。
    2) 任何井下作業(yè)工具均應(yīng)考慮避免對套管產(chǎn)生的潛在損傷，如劃痕、磨損、撞擊。任何下井工具均不應(yīng)有銳利的外緣，以避免劃傷套管。
    3) 應(yīng)清楚內(nèi)徑變化處的深度及各附件所處的深度、井下工具經(jīng)過內(nèi)徑變化處或附件深度處，應(yīng)緩慢起下，避免快速起下撞擊或劃傷附件或作業(yè)管柱。
    4) 井下作業(yè)中，如果發(fā)現(xiàn)起下管柱有阻卡，應(yīng)考慮采用較小直徑的工具。對含硫套管或井下附件應(yīng)避免刮、脹、修、磨。應(yīng)考慮井下作業(yè)有可能損傷套管或降低套管在硫化氫環(huán)境中的使用性能。
    5) 如果遇到不可避免的需要脹管、修管，應(yīng)報(bào)上級主管部門審批，上級部門應(yīng)根據(jù)井下情況以及環(huán)境斷裂力學(xué)相關(guān)理論確定合適的作業(yè)措施。
    6) 不推薦采用作業(yè)管作為長期服役的油管使用。作業(yè)管螺紋應(yīng)采用符合要求的螺紋脂，并且上扣扭矩和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)應(yīng)符合ISO 11960的規(guī)定。應(yīng)注意僅按上扣扭矩為標(biāo)準(zhǔn)的操作措施已被ISO 11960/API 5CT廢棄。
    7) 作業(yè)管的非正常操作有可能造成管柱斷或脫扣，延長井口敞開時(shí)間，應(yīng)考慮由此可能導(dǎo)致的溢流和井噴風(fēng)險(xiǎn)。
    8) 應(yīng)根據(jù)作業(yè)管、套管的實(shí)際狀況，考慮合適的作業(yè)載荷、最高壓力、環(huán)空允許壓力。井下作業(yè)(如酸化壓裂、安放封隔器)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度與變形評估。
    9) 若下永久式封隔器，應(yīng)考慮井下作業(yè)、環(huán)空壓力變化等對封隔器密封性的影響，多次井下作業(yè)可能導(dǎo)致永久式封隔器失效。
3 螺紋的選用和操作
    1) 在含硫化氫、二氧化碳和地層水含量高的油套管柱中，螺紋連接是首先被腐蝕、泄漏或斷裂的部位，優(yōu)選螺紋和合理使用可顯著提高密封完整性。
    2) API圓螺紋和偏梯形螺紋使用限制。在含硫化氫、二氧化碳和地層水含量高的井中，油管、生產(chǎn)套管、尾管不宜選用API圓螺紋和偏梯形螺紋連接。當(dāng)流體通過油管柱接箍中部時(shí)，API圓螺紋和偏梯形螺紋連接處截面變化，即截面的突然放大和突然縮小，流體流速及流場將發(fā)生變化。在該區(qū)域產(chǎn)生流動誘導(dǎo)沖蝕，應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕，電偶腐蝕。API偏梯形螺紋連接密封壓力低于API圓螺紋，只可用于內(nèi)壓力不大的表層或技術(shù)套管。在硫化氫酸性環(huán)境中，API標(biāo)準(zhǔn)圓螺紋接箍承受較大的周向張應(yīng)力、或局部應(yīng)力集中過大，可能導(dǎo)致縱向開裂。API圓螺紋的外螺紋最末完全扣處存在較大的應(yīng)力集中，如果油管環(huán)空暴露于腐蝕介質(zhì)中，該點(diǎn)將成為應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕，電偶腐蝕敏感點(diǎn)，導(dǎo)致穿孔或斷裂。
3) 金屬接觸氣密封螺紋選用。含硫化氫、二氧化碳?xì)饩械挠凸?、生產(chǎn)套管、尾管應(yīng)選用金屬接觸氣密封螺紋。在各型金屬接觸氣密封螺紋中，推薦優(yōu)先選用滿足下述要求的螺紋和密封結(jié)構(gòu)：①接箍和外螺紋應(yīng)力分布合理，盡可能降低應(yīng)力水平；②螺紋旋進(jìn)階段，扭矩應(yīng)緩慢上升，且扭矩值不應(yīng)過大。應(yīng)能區(qū)分正常旋扣扭矩和粘扣扭矩；③密封面接觸和扭矩臺階接觸后扭矩應(yīng)有“直角上升”趨勢；④外螺紋前端應(yīng)有合適厚度，緊扣產(chǎn)生的徑向應(yīng)力不應(yīng)使外螺紋前端縮徑；⑤金屬接觸氣密封面接觸應(yīng)力適當(dāng)，接觸面無粘連損傷，接觸面粘連損傷可能引起密封失效。
4) 現(xiàn)場使用要求?，F(xiàn)場使用需要注意：①操作不當(dāng)是螺紋失效的主要原因，許多螺紋失效(粘扣、喪失密封、斷扣/脫扣)發(fā)生在現(xiàn)場上扣端；②上扣扭矩、圈數(shù)、轉(zhuǎn)速應(yīng)符合ISO 11960/API5CT標(biāo)準(zhǔn)或廠家推薦值，油管和生產(chǎn)套管均應(yīng)有上扣扭矩、圈數(shù)記錄，應(yīng)采用無咬傷型動力鉗上卸扣，避免鉗牙咬傷處應(yīng)力腐蝕和電偶腐蝕；③應(yīng)采用符合API 6A3標(biāo)準(zhǔn)的改性螺紋脂。螺紋脂不應(yīng)含有二氧化鉬潤滑劑，并能抵抗硫化氫的腐蝕。
4 井下組件的電偶腐蝕控制
在土壤、大氣和硫化氫、二氧化碳等井下介質(zhì)中的異種金屬接觸都會有電位腐蝕和縫隙腐蝕，如不銹鋼或鎳基合金與碳鋼或低合金鋼接觸，鋼管與管架接觸等。鎳基合進(jìn)可能的電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)有：①電偶腐蝕和電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開裂(GHSC)，前者損傷低碳合金鋼，后者損傷鎳基合金；②合金件的冶金和制造缺陷，合金中晶間析出針狀δ相影響構(gòu)件的力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生瞬間斷裂。
合金材料與低合金鋼(例如C110)接觸、井口處低合金鋼C110與鎳基合金管718(套管頭心管)接觸，在接觸界面處存在兩類腐蝕機(jī)理；①對低合金SM-C110、輸送管中的碳鋼，以電偶腐蝕為主，此外還存在縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕。碳鋼或低合金鋼先期腐蝕穿孔或斷裂。電偶腐蝕是指兩種具有不同電位能級的材料與周圍環(huán)境介質(zhì)構(gòu)成回路的同時(shí)，也構(gòu)成了電偶對。由于腐蝕電位不相等有電偶電流流動，使電位較低的金屬溶解速度增加，而電位較高的金屬，溶解速度反而減少的現(xiàn)象稱為電偶腐蝕。造成電偶腐蝕的原因是：兩種材料之間存在著較大的電位差，存在的電解質(zhì)溶液構(gòu)成電子和離子的傳導(dǎo)體，由此形成了腐蝕原電池。②對鎳基合金(如G3或718)，可能產(chǎn)生電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開裂(GHSC)。不銹鋼或合金與碳鋼或低合金鋼連接時(shí)，受電偶激發(fā)，不銹鋼或合金中的組織缺陷聚集氫、變脆和斷裂。
5 結(jié)論
    1) 按照API/ISO或GB/SY標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的油管、套管不能完全保證在服役過程中的完整性，需要參考“井眼完整性設(shè)計(jì)”的理念和設(shè)計(jì)方法，保持井筒物理上和功能上的完整性，使井眼始終處于受控狀態(tài)。
    2) 井下作業(yè)極易破壞井筒的完整性，在井下作業(yè)過程中，需要評估井下管串內(nèi)外壁腐蝕狀況及可能的缺陷，制訂合適的施工壓力限制條件，避免對井下管串產(chǎn)生的潛在損傷。
    3) 建議在井筒完整性設(shè)計(jì)過程中，重視螺紋的合理選用以及正確的操作、井下組件的電偶腐蝕，以降低密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。
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(本文作者：張智1 周延軍2 付建紅1 陳明2 李文飛2 施太和1 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)212程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)；2.中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院)