徐深氣田含二氧化碳深層氣井防腐技術(shù)

摘 要

摘要：松遼盆地徐深氣田所產(chǎn)天然氣普遍含有CO2，氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致氣井CO2腐蝕情況較為復(fù)雜，氣井腐蝕非常嚴(yán)重。為此，分析了徐深氣田CO2腐
摘要：松遼盆地徐深氣田所產(chǎn)天然氣普遍含有CO2，氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致氣井CO2腐蝕情況較為復(fù)雜，氣井腐蝕非常嚴(yán)重。為此，分析了徐深氣田CO2腐蝕環(huán)境特點(diǎn)和因素，評價(jià)了各種防腐技術(shù)在深層氣井中的適用性，開展了4種管材、4種緩蝕劑的優(yōu)選評價(jià)，完成了完井管柱設(shè)計(jì)以及工藝優(yōu)化，確實(shí)了合理產(chǎn)能的范圍，為不同類型含CO2深層氣井防腐方案的制訂提供了技術(shù)支撐。對類似含CO2腐蝕氣井開發(fā)提供了借鑒。
關(guān)鍵詞：松遼盆地；徐深氣田；深層氣井CO2腐蝕；耐蝕合金；緩蝕劑；工藝管柱；防腐
    松遼盆地徐深氣田產(chǎn)出天然氣中普遍含有CO2，其中升平開發(fā)區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)為2.38%～5.40%，興城開發(fā)區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)為0.19%～24.55%，已完鉆的幾十口獲工業(yè)氣流的深層氣井中，CO2分壓在嚴(yán)重腐蝕界限(0.2MPa)以上的有20口井，占總井?dāng)?shù)的40%，油、套管在生產(chǎn)過程中受到嚴(yán)重腐蝕損壞，最為典型的是升深2井，通過觀察氣井現(xiàn)場取出的報(bào)廢油管，發(fā)現(xiàn)部分油管蝕坑已穿過管壁，連為一體，呈現(xiàn)不規(guī)則的溝槽狀，從腐蝕形貌分析，屬于典型的CO2腐蝕。因此，CO2腐蝕成為制約徐深氣田開發(fā)的主要問題之一。
1 氣井CO2腐蝕環(huán)境特點(diǎn)
1.1 氣井井深，地層溫度高、壓力高，有利于CO2腐蝕的發(fā)生
    徐深氣田氣井較深，最深深度近4500m；地層溫度高，溫度梯度為4.0℃/100m左右，實(shí)測最高溫度為169℃。這種井況條件下，有利于CO2腐蝕的發(fā)生，其原因是：①溫度是CO2腐蝕的一個重要影響因素，尤其在60～100℃的中溫區(qū)，由于腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3是粗松的結(jié)晶體，因而會出現(xiàn)嚴(yán)重的局部腐蝕。而徐深氣田氣井溫度為67～136℃(勘探井最高達(dá)到169℃)，包含了嚴(yán)重腐蝕的溫度區(qū)域。②由于井深，地層壓力較高，生產(chǎn)井井口壓力多在20MPa以上，即使CO2體積分?jǐn)?shù)只有1%，其CO2分壓也大于嚴(yán)重腐蝕界限的0.2MPa。③目前生產(chǎn)井的產(chǎn)出水多為凝析水，不含凝析油等有助于防腐的成分且產(chǎn)水量不大，在管壁上易形成坑蝕等局部腐蝕。
1.2 不同井區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)變化較大，單井CO2體積分?jǐn)?shù)呈動態(tài)變化
    通過統(tǒng)計(jì)徐深氣田天然氣中CO2含量，發(fā)現(xiàn)火山巖儲層天然氣中的C02含量在不同井區(qū)變化較大，如徐深1井區(qū)C02體積分?jǐn)?shù)為0.33%～3.92%，徐深8井區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)為14.60%～24.55%。與此同時，隨著開發(fā)時間的延長，個別井CO2含量變化逐年增加，例如，對升深2井CO2含量取樣分析，發(fā)現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)從0.6%升到5.5%，導(dǎo)致CO2分壓增高到1.3MPa。
2 CO2防腐工藝研究
    目前，在C02腐蝕環(huán)境下，國內(nèi)外應(yīng)用較成功的防腐技術(shù)主要有5類(見表1)。不同防腐技術(shù)的防腐效果、成本、作業(yè)的難易程度和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)都有所不同[1～6]。通過對各種防腐技術(shù)在徐深氣田深層氣井的適用性分析，發(fā)現(xiàn)13Cr管材和緩蝕劑防腐技術(shù)可滿足徐深氣田的防腐需要，因此將上述兩種方案作為備選技術(shù)方案，開展了管材優(yōu)選和緩蝕劑優(yōu)選室內(nèi)研究，并選擇了與之配套的完井管柱及合理的產(chǎn)能制度。
表1 防腐技術(shù)在徐深氣田深層氣井的適用性分析表
防腐技術(shù)
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
適用性分析
耐蝕合金鋼管材
簡化了緩蝕劑的繁雜添加工藝
基本不需要腐蝕監(jiān)測
在整個生產(chǎn)過程中很可靠且穩(wěn)定
一次性投入很大
與碳鋼管連接時存在電偶腐蝕現(xiàn)象
適合在苛刻的腐蝕環(huán)境下使用
緩蝕劑
可以用于油套管靜態(tài)環(huán)境和油管內(nèi)腐蝕環(huán)境
向腐蝕介質(zhì)中添加少量的緩蝕劑就能使金屬腐蝕速率顯著降低
初期投資少
防止套管外腐蝕效果不好
工藝較復(fù)雜，對生產(chǎn)影響較大
適合在腐蝕不苛刻，且產(chǎn)能較低的氣井使用
涂層
具有良好的耐腐蝕性
成本較高。接頭處保護(hù)不完善。不耐磕碰
由于不耐磕碰，涂層脫落處腐蝕加速，不宜使用
滲氮技術(shù)
管道內(nèi)外表面形成一層厚的十幾微米的氮化層和擴(kuò)散層
對腐蝕介質(zhì)的侵蝕有很好的防護(hù)作用
滲氮層韌性較差，不合適在大應(yīng)力條件下使用
在H2S環(huán)境中可能會產(chǎn)生微裂紋
由于深層氣井管柱處于大應(yīng)力環(huán)境，其產(chǎn)生的裂紋處易加速腐蝕，不宜使用
雙層復(fù)合管(玻璃鋼內(nèi)襯等)
具有優(yōu)異的耐腐蝕性
有溫度使用范圍
需特殊的接頭連接
玻璃鋼不適應(yīng)深層氣井的高溫條件，不宜使用
2.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定
    根據(jù)徐深氣田4口氣井(徐深1-1、徐深1、徐深5、徐深6井)的水質(zhì)特征，配制了實(shí)驗(yàn)溶液。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，CO2腐蝕速度增加，當(dāng)達(dá)到80℃時，腐蝕速度達(dá)最大值；超過80℃后，可能形成的腐蝕產(chǎn)物更加致密，從而導(dǎo)致腐蝕速度逐漸減??；到160℃后，腐蝕速度更小(見圖1)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制定了徐深氣田徐家圍子區(qū)塊腐蝕環(huán)境參數(shù)實(shí)驗(yàn)條件：溫度80℃，CO2分壓2.0MPa。實(shí)驗(yàn)采用了美國Cortest公司生產(chǎn)的動態(tài)高壓釜，流速2.5m/s，經(jīng)過24h、48h和96h動態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用失重法計(jì)算試片腐蝕速率。
 
2.2 抗CO2腐蝕的管材優(yōu)選
    采用配制的實(shí)驗(yàn)溶液和制定的實(shí)驗(yàn)條件，對N80、J55、P110、13Cr 4種材質(zhì)進(jìn)行耐蝕性評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、3，可得出如下管材防腐性能結(jié)論：
    1) 在苛刻的實(shí)驗(yàn)條件下，碳鋼(N80、J55、P110)的腐蝕速度很大。N80試片表面有腐蝕，腐蝕比較均勻，而J55、P110試片表面嚴(yán)重腐蝕，有明顯蝕坑。
    2) 通過實(shí)驗(yàn)后試件分析，13Cr含有Cr元素，耐蝕性較碳鋼材質(zhì)好，實(shí)驗(yàn)后試片光亮，沒用點(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生。
3) 從4種材質(zhì)的初步評價(jià)結(jié)果來看，耐蝕性順序?yàn)椋?3Cr＞N80＞P110＞J55，優(yōu)選推薦采用13Cr管材。
 
2.3 緩蝕劑的優(yōu)選
    在同樣實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行緩蝕劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。分別選取了4家科研單位研制的4種緩蝕劑，為了改善性能，首先對4種緩蝕劑進(jìn)行復(fù)配改性，形成4種新型緩蝕劑，代號分別為1、2、3、4。然后分別對4種緩蝕劑進(jìn)行緩蝕效率評價(jià)，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)時緩蝕劑濃度為100mg/L，時間為24h，實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，實(shí)驗(yàn)所用管材均為現(xiàn)場用普通N80管材。
表2 緩蝕劑優(yōu)選評價(jià)結(jié)果表
緩蝕劑編號
實(shí)驗(yàn)溫度：80℃
經(jīng)170℃老化處理后
腐蝕速度(mm/s)
緩蝕率(%)
腐蝕速度(mm/s)
緩蝕率(%)
1
0.384
91.7
緩蝕劑分層，有惡臭，未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
2
0.524
88.7
0.429
90.7
3
0.107
97.7
0.0671
98.6
4
0.176
96.2
0.0843
98.2
空白
 
 
緩蝕速度為4.621mm/a
 
分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為3、4號緩蝕劑表現(xiàn)出很好的緩蝕性能，其緩蝕率達(dá)96%以上。為滿足徐深氣田井底高溫條件，對緩蝕劑進(jìn)行耐溫老化實(shí)驗(yàn)(溫度170℃，時間為24h)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：除1號緩蝕劑外，其他幾種外觀均未明顯變化；經(jīng)過170℃老化處理，緩蝕劑的緩蝕率有所上升，原因可能是加熱后溶劑揮發(fā)后，緩蝕劑中的有效濃度提高所致。
    對比實(shí)驗(yàn)照片可知，未加緩蝕劑的N80試片腐蝕后有明顯的溝槽腐蝕，這是CO2腐蝕的典型特征，而加入緩蝕劑后，試片表面光亮，基本看不出腐蝕。
2.4 完井工藝管柱優(yōu)選
    優(yōu)選出13Cr管材和緩蝕劑后，根據(jù)徐深氣田氣井的生產(chǎn)特點(diǎn)，對防腐完井管柱進(jìn)行了優(yōu)選設(shè)計(jì)：
    1) 對于預(yù)期產(chǎn)氣量高、腐蝕條件苛刻、生產(chǎn)周期長的高溫高壓氣井，采用生產(chǎn)封隔器+不銹鋼油管插入的方式完井(圖4)，生產(chǎn)完井管柱組成：油管+坐落接頭+油管+生產(chǎn)封隔器+油管+滑套+伸縮短節(jié)+油管+油管掛+井口裝置。其管柱功能如下：在高壓、高溫生產(chǎn)條件下，保證管柱氣密封；可滿足生產(chǎn)過程中壓井、測試、泡排工藝的需要；保證多年不動管柱，氣井能長期安全生產(chǎn)；保護(hù)套管不受CO2氣體腐蝕。
   
    考慮CO2腐蝕影響因素，對井下工具的材質(zhì)及型號進(jìn)行了優(yōu)選，鋼材選用P110級13Cr不銹鋼，膠筒采用Aflas材料，以滿足耐溫170℃，耐壓50MPa的生產(chǎn)要求。同時在管柱設(shè)計(jì)中針對不同材質(zhì)相接產(chǎn)生的電偶腐蝕問題，采取環(huán)空加入緩蝕劑，控制電偶腐蝕速率。
    2) 對預(yù)期產(chǎn)量較低、腐蝕條件不苛刻、預(yù)期使用年限較短的井，則綜合考慮成本，采用國外常用的毛細(xì)管注入緩蝕劑(圖5)或國內(nèi)的光油管注入緩蝕劑的方式進(jìn)行防腐，地面采用泵注方法，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，確定緩蝕劑最佳加入濃度和加入周期等參數(shù)。
 
2.5 合理產(chǎn)能制訂
    在氣田開發(fā)初期，制訂合理產(chǎn)能，對生產(chǎn)過程中的防腐具有重要意義[7～9]。根據(jù)開發(fā)配產(chǎn)的需要，選擇油管尺寸，使管內(nèi)天然氣流速控制在合理范圍內(nèi)，既能避免對腐蝕產(chǎn)物膜產(chǎn)生沖蝕，保護(hù)管壁不受CO2進(jìn)一步腐蝕，同時也能滿足排水采氣的需要，保證氣井正常生產(chǎn)。通過對徐深氣田徐深1井的產(chǎn)能初步預(yù)測分析，選擇不同尺寸油管，其沖蝕流量和卸載流量也不相同。以井底流壓20MPa為例，油管內(nèi)徑為50.9mm時，合理的產(chǎn)能范圍應(yīng)確定在4.60×104～26.9×104m3/d之間；油管內(nèi)徑為62mm時，合理的產(chǎn)能范圍應(yīng)確定在6.0×104～31.0×104m3/d之間。
3 結(jié)論與認(rèn)識
    1) 徐深氣田氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點(diǎn)，氣井CO2腐蝕較為復(fù)雜，為CO2防腐工藝的制訂提出了新的要求。
    2) 針對徐深氣田的腐蝕環(huán)境，進(jìn)行了4種管材、4種緩蝕劑評價(jià)優(yōu)選，并設(shè)計(jì)出了3種完井管柱，建立了合理的產(chǎn)能制度，形成了徐深氣田的防腐方案。
    3) 為考察防腐方案的使用效果，需加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用。定期分析氣井流體組分變化，觀察CO2含量變化趨勢；將井口腐蝕監(jiān)測結(jié)果與井下腐蝕監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合，為防腐方案的制訂提供準(zhǔn)確參數(shù)。
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(本文作者：艾興波 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司開發(fā)部)